Lớp vật lý wimax di động

Với nhiều những ưu điểm quan trọng như vậy thì lớp vật lý của WiMax di động được áp dụng rất nhiều các công nghệ tiên tiến như: OFDM, OFDMA, các công nghệ đa anten và MIMO.Ngoài ra WiMax

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, ngày càng có nhiều công nghệ mới ra đời đặc biệt là công nghệ WiMAX di động đang được rất nhiều người quan tâm Đây là công nghệ mang đến nhiều tranh luận nhất về dung lượng, khả năng phủ sóng, chất lượng dịch vụ QoS và quan trọng nhất là các loại hình ứng dụng băng rộng mà công nghệ này

có thể hỗ trợ Đặc tính công nghệ vô tuyến có ảnh hưởng trực tiếp đến thành công

về dịch vụ và nguồn tài chính của nhà cung cấp dịch vụ

Với nhiều những ưu điểm quan trọng như vậy thì lớp vật lý của WiMax di động được áp dụng rất nhiều các công nghệ tiên tiến như: OFDM, OFDMA, các công nghệ đa anten và MIMO.Ngoài ra WiMax di động còn có nhiều thuật toán và công nghệ cải tiến sẵn có nhằm đáp ứng các thách thức cung cấp các dịch vụ băng rộng di động và đảm bảo mô hình kinh doanh hấp dẫn đối với nhà cung cấp dịch vụ

Ngoài các tính năng đã được áp dụng ở lớp vật lý đã được áp dụng ra thì đề tài này

sẽ giới thiệu thêm các tính năng tăng cường, tính năng tiên tiến mà WiMax di động đưa vào Đề tài được chia cụ thể thành các phần như sau:

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ WIMAX DI ĐỘNG

CHƯƠNG II: CÁC TÍNH NĂNG TĂNG CƯỜNG CỦA LỚP VẬT LÝ WIMAX

DI ĐỘNG

CHƯƠNG III: CÁC TÍNH NĂNG TIÊN TIẾN CỦA WIMAX

CHƯƠNG IV: ĐỊNH CỰ LY, ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT VÀ ĐO CHẤT

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2.1: Bộ mã hóa Turbo trong hệ thống WIMAX

Hình 2.2: Đan xen và tạo các khối con

Hình 2.3: HARQ kiểu II với phần dư tăng

Hình 3.1: Tái sử dụng một tần số một phần

Hình 3.2: Hỗ trợ MBS nhúng bằng các vùng MBS

Hình 4.1: Cấu trúc ký hiệu định cự ly

DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

AMC: AdaptiveModulation and Coding Mã hóa và điều chế thích ứng

HARQ: Hybrid Automatic Repeat Request Yêu cầu phát lại tự động linh

hoạt CQICK: Channel Quality Information Channel Phản hồi kênh nhanh bằng kênh

CTC: Convolutionnal Turbo Code Mã turbo xoắn

LDPC: Low Density Parity Check Mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp LLR: Log Liklihood Ratio Log tỉ lệ xác suất

CCI: Co-Channel Interference Nhiễu đồng kênh

MBS: Multicast and broadcast Dịch vụ đa phương và quảng bá

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ WIMAX DI ĐỘNG 1.1 Khái niệm về mạng WiMAX di động

WiMAX di động (Mobile WiMAX) là giải pháp không dây băng rộng

cho phép phủ sóng mạng băng rộng không dây và cố định nhờ công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng trên diện rộng với kiến trúc mạng linh hoạt Giao diện WiMAX di động sử dụng công nghệ OFDM để cải thiện hiệu suất đa

đường (multi-path) trong các môi trường không theo tầm nhìn thẳng (NLOS) OFDMA thay đổi tỉ lệ (S-OFDMA) được giới thiệu trong phần bổ sung IEEE

806.16e để hỗ trợ băng thông kênh tỉ lệ (co dãn) từ 1.25 đến 2 MHz Nhóm

kỹ thuật di động (Mobile Technical Group) trong diễn đàn WiMAX Forum

đang phát triển tham số hệ thống cho WiMAX di động qua đó xác định các đặc tính bắt buộc và tuỳ chọn của chuẩn IEEE - là chuẩn giao diện vô tuyến tương thích với WiMAX di động

Tham số WiMAX di động cho các hệ thống di động được phép cấu hình trên cơ sở một tập các đặc tính cơ bản để đảm bảo chức năng cơ bản nhất cho

các thiết bị đầu cuối (terminal) và các trạm gốc (base station) Đó là các cấu

hình được tối ưu về dung lượng hoặc được tối ưu về phủ sóng Phiên bản WiMAX di động phiên bản 1 sẽ bao gồm các băng thông kênh 5, 7, 8.75 và

10 MHz dành cho các dải tần được cấp phép trên thế giới như: 2.3 GHz, 2.5 GHz, 3.3 GHz và 3.5 GHz

Các hệ thống WiMAX di động cung cấp khả năng mở rộng về cả công nghệ truy nhập vô tuyến và kiến trúc mạng, do đó cung cấp khả năng linh động cao trong các lựa chọn phát triển mạng và cung cấp dịch vụ

1.2 Các đặc điểm chính của mạng WiMax di động

Một số các đặc điểm chính mà WiMAX di động hỗ trợ là:

Tốc độ dữ liệu cao: Các kỹ thuật anten MIMO cùng với các nguyên lý

chia nhỏ kênh (sub-channelization) linh hoạt, mã hoá và điều chế nâng cao, tất cả làm cho công nghệ WiMAX di động có khả năng hỗ trợ tốc độ dữ liệu đường xuống (DL) tối đa lên tới 63Mbps cho một sector và tốc độ dữ liệu đường lên (UL) tối đa lên tới 28Mbps cho một sector trong một kênh 10MHz

Chất lượng dịch vụ (QoS): Tiền đề cơ bản của kiến trúc MAC (Media

Access Control) trong IEEE 802.16 là QoS Nó định nghĩa luồng dịch vụ

(Service Flows) mà có thể ánh xạ đến các điểm mã DiffServ hoặc các nhãn

luồng MPLS để cho phép kết nối đầu cuối tới đầu cuối (end-to-end) theo giao thức IP trên cơ sở QoS Ngoài ra, các nguyên lý báo hiệu trên cơ sở kênh chi

nhỏ kênh (sub-channelization) và MAP cung cấp một cơ chế linh động cho

việc lập lịch tối ưu tài nguyên không gian, tần số và thời gian trên giao diện

vô tuyến theo khung (frame by frame)

khác nhau Vì vậy công nghệ WiMAX di động được thiết kế để có thể linh hoạt (mềm dẻo) để hoạt động trong các kênh khác nhau từ 1.25 đến 20 MHz thoả mãn các yêu cầu trên toàn cầu

Khả năng bảo mật: Các đặc tính khả năng bảo mật trong WiMAX di động

là tốt nhất trong lớp với sự xác thực trên theo EAP, mã hoá được xác thực theo AES-CCM, các nguyên bảo vệ bản tin điều khiển theo CMAC và HMAC Các xác thực cho một tập các người dùng đang tồn tại bao gồm: thẻ

SIM/USIM, các thẻ thông minh (Smart Card), các chứng chỉ số (Digital

Certificate), các nguyên lý Username/Password theo các phương pháp EAP

tương ứng cho kiểu nhận thực

Khả năng di động: WiMAX di động hỗ trợ các nguyên lý chuyển giao tối ưu

với trễ nhỏ hơn 50 msec để đảm bảo các ứng dụng thời gian thực như VoIP với dịch vụ không bị suy giảm Các nguyên lý quản lý khoá linh động mà bảo mật được duy trì trong quá trình chuyển giao

CHƯƠNG II: CÁC TÍNH NĂNG TĂNG CƯỜNG CỦA LỚP VẬT LÝ

WIMAX DI ĐỘNG

Để tăng cường vùng phủ sóng và dung lượng, lớp vật lí của wimax được tăng cường các tính năng tiên tiến khác như:

 Mã hóa và điều chế thích ứng(AMC: Adaptive modulation and coding)

 Yêu cầu phát lại tự động linh hoạt( HARQ: Hybrid Automatic Repeat Request)

 Phản hồi kênh nhanh bằng kênh (CQICK: Channel Quality Information Channel)

 Tái sử dụng tần số một phần

2.1 Mã hóa kênh thích ứng và CQICK

AMC (Adative modulation and coding : mã hóa và điều chế thích ứng) trong WiMax cho phép hệ thống thay đổi điều chế và tỉ lệ mã phù hợp với điều kiện truyền sóng Bộ lập biểu trạm gốc xác định số liệu phù hợp cho từng ấn định cụm trễ cơ sở kích cỡ bộ đệm truyền sóng tại máy thu Kênh chỉ thị chất lượng khung được sử dụng để cung cấp trạng thái từ đầu cuối của người dùng cho bộ lập biểu

BS Các thông tin hồi tiếp CQICK cung cấp bao gồm: tỷ số tín hiệu tạp âm cộng nhiễu (CINR), CINR hiệu dụng, chọn lựa chế độ MIMO và chọn lựa kênh con chọn lọc tần số Khi sử dụng TDD, thích ứng đường truyền còn có thể sử dụng tính đổi lẫn đường lên và đường xuống để cung cấp chính xác hơn điều kiện kênh

2.2 Mã hóa Turbo xoắn, CTC

2.2.1 Mã hóa Turbo

Ngoài một sơ đồ mã hóa kênh thường được sử dụng, Wimax IEEE

802.16e-2005 còn sử dụng một số sơ đồ mã cho hiệu quả hoạt động tốt hơn như: mã Turbo nhị phân kép cho mã Turbo xoắn (CTC: Convolutionnal Turbo Code) và mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp (LDPC: Low Density Parity Check) Trong phần này ta sẽ xét sơ đồ mã hóa Turbo trong Wimax

Hình 2.1: Bộ mã hóa Turbo trong hệ thống WIMAX

Bộ mã hóa CTC sử dụng bộ mã hóa turbo nhị phân kép được xây dựng trên cơ

sở hai tạo mã: 1+D2+D3 và 1+D3 để tạo mã tỉ lệ mã r=1/3 Vì hai bit đầu vào được

sử dụng đồng thời nên bộ mã hóa có bốn chuyển đổi trạng thái Sau đó đục lỗ mã

mẹ được sử dụng để tạo ra các tỉ lệ max khác nhau (các gói con) để sử dụng cho truyền dẫn HARQ Các bộ mã hóa thành phần có tỉ lệ mã r=2/4 và quá trình mã hóa như sau:

• Các bit thông tin(A và B) được đặt vào đầu vào

• Bước thứ nhất, A và B được đưa đến bộ mã hóa thành phần để tạo ra các bit chẵn lẻ Y1 và W1

• Bước 2, A và B được đưa vào bộ mã hóa thành phần sau khi được đan xen

để tạo ra các bit chẵn lẻ Y2 và W2

• Các bit đầu ra sẽ là ABY1W1Y2W2

Các kí hiệu sau mã hóa được đục lỗ và được phần thành sáu khối con và sau đó được xử lí để tạo ra các khối con như hình 2.1

2.2.2 Kỹ thuật đan xen và tạo ra các khối con

Đan xen cho luồng số liệu mã hóa Turbo được thực hiện như sau (hình 2.2) Đầu ra của bộ mã hóa turbo tỉ lệ r=1/3 được chia thành sáu khối (A, B, Y1, Y2, W1, W2), trong đó A và B chứa các bit hệ thống (các bit không mã hóa), còn các bit Y1, W1, Y2, W2 là các bít chẵn lẻ (được mã hóa) được tạo ra từ các bộ mã hóa thành phần với đầu vào không đan xen và đầu vào được đan xen tương ứng Từng khối trong số sau khối được đan xen độc lập và các khối chứa các bit chẵn lẻ được đục lỗ để đạt được tốc độ bit yêu cầu (hình 2.2) Mỗi bộ đan xen khối gồm hai tầng: (1) tầng 1 chứa các bit cần đan xen ở dạng các kí hiệu (mỗi kí hiệu gồm 2 bít), (2) tầng thứ 2 thực hiện hoán vị vị trí của các kí hiệu, để đạt được tốc độc bit cần thiết, các khối Y1, Y2, W1, W2 của bộ đan xen được đục lỗ theo các mẫu đục

lỗ quy định Khi sử dụng HARQ, các mẫu đục lỗ chẵn lẻ có thể thay đổi tại các lần phát lặp điều nà cho phép tạo ra các đánh giá LLR (Log Liklihood Ratio: Log tỉ lệ xác suất) với nhiều bit chẵn lẻ hơn trong mỗi lần phát lại

Hình 2.2: Đan xen và tạo các khối con

Bộ mã hóa turbo nhị phân kép có các ưu điểm so với các bộ mã hóa nhị phân thông thường:

• Hội tụ tốt hơn

• Khoảng cách tối thiểu lớn hơn

• It nhạy cảm với các mẫu đục lỗ hơn

• Giải mã chắc chắn hơn

2.3 Mã LDPC

LDPC được định nghĩa trong Wimax như là một sơ đồ mã hóa kênh tùy chọn, nhưng khả năng sử dụng là rất ít Sở dĩ như vậy vì hầu hết các nhà sản xuất thiết bị

đã quyết định sử dụng các mã turbo xoắn do nó cho phép đạt được hiệu năng cao hơn các sơ đồ mã hóa khác Mã LDPC được định nghĩa trong Wimax IEEE 802.16e-2005 được xây dựng trên cơ sở một hay nhiều mã LDPC cơ sở, trong đó mỗi mã LDPC cơ sở là một mã khối tuyến tính hệ thống hỗ trợ các tỉ lệ mã và các kích thước gói khác nhau

2.4 HARQ

Wimax di động cũng đảm bảo HARQ HARQ cho phép sử dụng giao thức

N kênh “dừng và đợi” để phản ứng nhanh các lỗi gói và mở rộng biên giới phủ sóng Kết hợp bám đuôi và gia tăng độ dư cũng cho phép cải thiện độ phát lại Đường lên cũng có ACK (công nhận) riêng cho báo hiệu HARQ ACK/NACK (công nhận/phủ nhận HARQ) Khai thác HARQ cũng được sử dụng ARQ dừng-đợi đa kênh với số lượng kênh nhỏ là một giao thức đơn giản, hiệu quả để giảm thiểu bộ nhớ đối với HARQ và ngừng đột ngột Wimax đảm bảo báo hiệu hoàn toàn dị bộ Hoạt động dị bộ cho phép trễ thay đổi giữa các lần phát lại HARQ kết hợp với CQICH và AMC tạo nên đường truyền ổn định trong môi trường di động tại tốc độ xe ô tô cao hơn 120km/h

Wimax hỗ trợ hai kiểu HARQ: HARQ kiểu I và HARQ kiểu II Kiểu I được gọi là “kết hợp săn bắt” (incremental redundancy) Trong kiểu thứ nhất các phát lại đều giống nhau và giống phát lần đầu: 1 bit dư và đục lỗ không đổi trong lần phát đầu và các lần phát lại Máy thu kết hợp các lần phát đầu và các lần phát lại khối số liệu để giải mã nó Sau mỗi lần phát lại độ tin cậy của các bit được cải thiện vì thế giảm xác suất lỗi trong quá trình giải mã Quá trình này tiếp đến cho đến khi khối số liệu được giải mã không còn lỗi (sau kiểm tra CRC) hoặc đạt đến

số lần phát lại HARQ cho phép cực đại Trong trường hợp không thể giải mã khối

số liệu mà không mắc lỗi khi số lần phát lại đạt giá trị cho phép cực đại, một lớp cao hơn (lớp MAC hay TCP/IP) sẽ phát lại khối số liệu này Trong trường hợp này tất cả các lần phát trước đó sẽ bị xóa và quá trình HARQ khởi động lại

Trong kiểu thứ hai phát lại với phần dư (chẵn lẻ) có số bit tăng (thay đổi mẫu đục lỗ hay trích bỏ) (hình 2.3), điều này không chỉ cải thiện LLR của các bit chẵn lẻ mà còn giảm tỉ lệ mã sau mỗi lần phát lại Mẫu đục lỗ sử dụng trong từng HARQ được chỉ dẫn bởi số nhận dạng gói con (SPID: Subpacket ID) Mặc định SPID của lần phát đầu tiên luôn luôn bằng không để chị thì rằng tất cả các bit hệ thống đều được phát, chỉ các bit chẵn lẽ là bị đục lỗ và truyền dẫn không có mã hóa Các SPID lần sau được chọn tùy ý Mặc dù rằng một cách tự nhiên SPID có thể tăng như sau: 0, 1, 2 nhưng điều này không bắt buộc, tuy nhiên trong mọi trường hợp SPID khởi đầu từ 0 Sơ đồ kết hợp phần dư tăng cho phép giảm tỉ số lỗi bit (BER) và tỉ số lỗi khối (BLER: block error rate) so với sơ đồ kết hợp mềm

Hình 2.3: HARQ kiểu II với phần dư tăng

CHƯƠNG III: CÁC TÍNH NĂNG TIÊN TIẾN CỦA WIMAX

3.1 Tái sử dụng tần số một phần

Wimax di động hỗ trợ thừa số tái sử dụng tần số bằng 1, có nghĩa là tất cả các ô/đoạn ô đều làm việc trên một kênh tần số để đạt được hiệu suất phổ tần cực đại Tuy nhiên khi sử dụng tái sử dụng tần số bằng 1, do nhiễu đồng kênh (CCI: Co-channel Interference) quá lớn, các người sử dụng tại biên ô có thể giảm chất lượng kết nối Trong wimax di động, các người sử dụng làm việc trên các kênh con và các kênh con này chỉ chiếm một phần của toàn bộ băng thông kênh Vấn đề nhiều biên ô có thể giải quyết dễ dàng bằng lập cấu hình sử dụng các kênh con mà không cần áp dụng quy hoạch tần số truyền thống

Trong wimax di động, việc tái sử dụng kênh linh hoạt được hỗ trợ bằng cách

sử dụng vùng sắp xếp và phân đoạn kênh con Một đoan là một nhóm các kênh con OFDM khả dụng (một đoạn cũng có thể chứa các kênh con) Đoạn được sử dụng để triển khai một trường hợp của MAC

Mẫu tái sử dụng kênh con có thể được lập cấu hình sao cho các người sử dụng gần BS làm việc trên vùng chứa tất cả các kênh con khả dụng Trong khi đó các người sử dụng biên ô hay đoạn ô chỉ làm việc trên vùng chứa một phần các kênh con khả dụng Trên hình 3.1, F1, F2, F3 thể hiện các tập khác nhau của các kênh con trong cùng một kênh tần số Với cấu hình này tái sử dụng tần số bằng 1 của toàn bộ tải được duy trì cho các người sử dụng tại tâm ô để đạt được hiệu suất

sử dụng phổ tần cực đại, trong khi đó tái sử dụng một phần được sử dụng cho các người sử dụng biên để bảo đảm chất lượng kết nối và cho người sử dụng biên và dung lượng

F1+F2+F3

Hình 3.1: Tái sử dụng một tần số một phần

F3

F2 F1

Tùy thuộc vào tải mạng và điều kiện nhiễu trong mỗi khung, kế hoạch tải sử dụng tần số có thể được tối ưu hóa động trên các đoạn ô và các ô Vì thế tất cả các

ô và các đoạn ô có thể hoạt động trên cùng một tần số mà không cần quy hoạch tần số

3.2 Dịch vụ đa phương và quảng bá (MBS)

Dịch vụ đa phương và quảng bá (MBS: Multicast and broadcast) được WiMax di động hỗ trợ để kết hợp các tính năng tốt nhất của DVB-H, MediaFLO

và 3GPP E-UTRA và thỏa mãn các đòi hỏi sau:

• Tốc độ số liệu cao và vùng sử dụng mạng một tần số (SFN: Single Frequency Network)

• Ấn định tài nguyên vô tuyến linh hoạt

• Tiêu thụ công suất MS thấp

• Hỗ trợ quảng bá số liệu bổ sung cho các luồng video và audio

• Thời gian chuyển mạch kênh ngắn

Chuẩn Wimax di động phát hành một định nghĩa hộp công cụ để chuyển phát dịch vụ MBS ban đầu Dịch vụ MBS có thể được hỗ trợ bằng cách cấu trúc các vùng MBS riêng biệt trong khung DL cùng với dịch vụ đơn phương (nhúng trong MBS) hay toàn bộ khung có thể được dành riêng cho MBS (chỉ cho đường xuống) đối với dịch vụ MBS đứng riêng Hình 3.2 cho thấy cấu trúc vùng DL/UL khi trộn dịch vụ đơn phương và MBS Vùng MBS hỗ trợ chế độ MBS cho nhiều BS bằng khai thác mạng đơn tần số (SFN) và thơi gian linh hoạt của các vùng MBS cho phép ấn định khả định cỡ các tài nguyên vô tuyến cho lưu lượng MBS Lưu ý rằng cũng có thể thực hiện nhiều vùng MBS Chỉ có một mô tả phần tử thông tin của giao thức truy nhập phương tiện (MAP IE: Media Access Protocol Information Element) trên một vùng MBS MS truy cập DL.MAP để bắt đầu nhận dạng MBS

và các vị trí của các MBS MAP liên quan trong từng vùng Sau đó MS có thể đọc các MBS MAP mà không cần tham khảo DL MAP cho đến khi mất đồng bộ với MBS MAP MBS MAP IE đặc tả cấu hình của vùng và định nghĩa vị trí của mỗi vùng MBS thông qua thông số dịch vụ OFDMA (OFDMA Offset) MBS MAP được đặt tại kênh con thứ nhất của kí hiệu thứ nhất của vùng MBS liên quan MBS của nhiều BS không đòi hỏi MS phải đăng kí đến bất kì BS nào MS trong chế độ rỗi có thể truy nhập MBS, nhờ vậy tiêu thụ công suất sẽ thấp Việc kết hợp linh hoạt MBS với Unicast (đơn phương) cho phép mở rộng các ứng dụng