WiMAX di động: Tổng quan kỹ thuật - đánh giá hoạt động (phần 3) Đỗ Ngọc Anh Trong WiMax di động, việc sử dụng kênh linh hoạt thực dễ dàng phân đoạn kênh vùng hoán vị Một phân đoạn phân mảnh kênh OFDMA sẵn có (một đoạn gồm toàn kênh con) Một đoạn sử dụng để triển khai trường hợp đơn lẻ MAC Vùng hoán vị số lượng ký hiệu OFDMA liền kề DL UL mà sử dụng hoán vị Khung DL UL bao gồm nhiều vùng hốn vị mơ tả Hình 10 AMC Tùy chọn PUSC PUSC TUSC TUSC Khung UL AMC Tùy chọn FUSC PUSC (DL_PermBase X) PUSC (DL_PermBase X) PUSC (DL_PermBase X) FUSC (Vùng bao gồm FCH DL-MAP) Mở đầu Khung DL Vùng chuyển mạch IEs DL_MAP Phải xuất khung Có thể xuất khung Hình 10: Cấu trúc khung đa miền Mẫu sử dụng lại tần số kênh cấu hình để người dùng gần trạm gốc hoạt động khu vực sẵn có kênh Còn người dùng đường biên, cell hoạt động vùng có phần kênh sẵn có Trong Hình 11, F1, F2 F3 biểu thị tập kênh khác kênh tần số Với cấu vậy, mẫu sử dụng lại tần số hợp lý trì cho người dùng trung tâm để tối đa hiệu suất phổ sử dụng lại tần số phần thực cho thuê bao đường biên để đảm bảo thông lượng chất lượng kết nối Kế hoạch sử dụng lại kênh tối ưu theo cell sở dung lượng mạng tình trạng nhiễu khung Do tất cell hoạt động kênh tần số mà không cần hoạch định tần số F3 F1+F2+F3 F1 F2 Hình 11: Sử dụng lại tần số chia nhỏ Hình 12 mô tả cấu trúc vùng DL/UL kết hợp dịch vụ đơn hướng (unicast) quảng bá (broadcast) Vùng MBS hỗ trợ chế độ multi-BS MBS sử dụng mạng tần số (SFN) khoảng thời gian linh động vùng MBS cho phép ấn định mềm dẻo tài nguyên vô tuyến cho MBS Cần ý vùng đa MBS khả thi RANGING MBS MAP COMPRESSED DL MAP H-ARQ REGION (VoIP) Vùng PUSC MBS REGION H-ARQ REGION (VoIP) CQICH PREAMBLE Vùng MBS PUSC STC ACK Vùng PUSC STC FCH Vùng PUSC thứ Khung DL Khung UL Hình 12: Hỗ trợ MBS nhúng với vùng WiMAX-MBS Di động Tính tốn hiệu suất hệ thống di động Wimax 4.1 Các thông số hệ thống di động Wimax Khi WiMAX di động dựa OFDMA theo mức, cấu hình linh hoạt để hoạt động băng thơng khác nhờ điều chỉnh thông số hệ thống Chúng ta xem xét hệ thống WiMAX di động với đặc tính sau tốn cho tính tốn hiệu suất hệ thống di động Wimax Bảng cung cấp thông số hệ thống, Bảng thông số OFDMA Bảng mơ hình truyền sóng sử dụng cho tính tốn hiệu suất Bảng 7: Các thơng số hệ thống WiMAX Di động Các thông số Giá trị Số lượng ô cung 19 Tần số điều khiển 2500 MHz Song công TDD Băng thông kênh 10 MHz Khoảng cách BS-đến-BS 2.8 Km Khoảng cách nhỏ Di dộng-đến-BS 36 m 70 (-3dB) với 20 dB tỷ số giữa-đến-cuối Kiểu dáng anten Độ cao BS 32 m Độ cao đầu cuối di động 1.5 m Sự tăng thêm anten BS 15 dBi Sự tăng thêm anten MS -1 dBi Năng lượng khuếch đại công suất cực đại BS 43 dBm Năng lượng PA cực đại đầu cuối di động 23 dBm anten Tx/Rx BS Tx: 4; Rx: anten Tx/Rx MS Tx: 1; Rx: Đồ hình tạp âm BS dB Đồ hình tạp âm MS dB Bảng 8: Các thông số OFDMA Các thông số Băng thông kênh hệ thống (MHz) Các giá trị 10 Tần số lấy mẫu (Fp MHz) 11.2 Cỡ FFT (NFFT) 1024 Không gian tần số sóng mang Thời gian symbol có ích (Tb=1/f) 10.94 KHz 91.4 µs Thời gian giám sát (Tg=Tb/8) 11.4 µs Thời gian tồn ký hiệu OFDMA (Tần số=Tb+Tg) 102.9 µs Thời gian tồn khung Số lượng symbol OFDMA DL PUSC UL PUSC ms 48 Các sóng mang rỗng (Null) 184 Các sóng mang dẫn đường 120 Các sóng mang liệu 720 Các kênh 30 Các sóng mang rỗng (Null) 184 Các sóng mang dẫn đường 280 Các sóng mang liệu 560 Các kênh 35 Bảng 9: Phương thức truyền bá Các thông số Giá trị Phương thức truyền bá Ngoại ô COST 231 Hiệu ứng che ghi thông thường SD (σs) dB Sự tương quan hiệu ứng che BS 0.5 Sự thiệt hại thâm nhập 10 dB Bảng 10 : Quỹ đường truyền liên kết DL cho WiMAX Di động Đường xuống WiMAX Di động Cấu trúc trạm sở MAP Khả Tx yếu tố anten 10.0 10.0 10.0 Số lượng yếu tố anten Tx 2.0 2.0 2.0 Sự tăng phối hợp theo chu kỳ 3.0 3.0 3.0 dB Sự tăng thêm anten Tx 15.0 15.0 15.0 dBi Sự tăng thêm nguồn dẫn đường -0.7 -0.7 -0.7 dB EIRP 57.3 57.3 57.3 dBm PUSC PUSC PUSC Số lượng sóng mang sử dụng 840 840 840 Năng lực sóng mang sử dụng 28.1 28.1 28.1 dBm Sự tăng thêm anten Rx -1.0 -1.0 -1.0 dBi Sự tăng thêm tính đa dạng anten Rx (2 anten) 3.0 3.0 3.0 dB Đồ hình tạp âm Rx 7.0 7.0 7.0 dB Số dư giảm dần ghi thông thường 5.56 5.56 5.56 dB Số dư giảm âm nhanh 6.0 2.0 2.0 dB Số dư nhiễu 2.0 2.0 2.0 dB Vùng đổi trật tự Đường truyền-PUSC Đơn vị W Đơn vị di động (Điện thoại cầm tay nhà) Các số dư Tổn thất xuyên âm 10.0 10.0 10.0 dB Số dư tổng cộng 23.56 19.56 19.56 dB 174 174 174 dBm/Hz Khoảng cách sóng mang 10.94 10.94 10.94 KHz Kiểu điều chế QPSK 1/8 PQSK 1/2 16QAM 1/2 SNR yêu cầu -3.31 3.49 8.89 dB Phạm vị khoảng cách ô giới hạn 0.82 2.88 5.76 Mbps Độ nhạy Rx di động Tạp âm nhiệt Tỷ lệ liệu đường truyền DL Độ nhạy Rx (trên sóng mang) -129.9 -123.2 -117.7 dBm Độ nhạy Rx (tổng hợp) -100.7 -93.9 -88.4 dBm Số dự trữ hệ thống 160.0 153.3 147.8 dB Tổn thất thành phần cho phép tối đa 136.4 133.7 128.2 dB Bảng 11: Quỹ đường truyền kết nối WiMAX Di động Đơn vị di động (Điện thoại cầm tay nhà) Khả Tx yếu tố anten Kênh FB 200 Sự định đầy đủ đường truyền 200 200 Đơn vị mW Số lượng yếu tố anten Tx 1.0 1.0 1.0 Sự tăng thêm anten Tx -1.0 -1.0 -1.0 dBi EIRP 22.0 22.0 22.0 dBm Kênh FB PUSC PUSC Các sóng mang có sẵn 70 840 840 Các kênh xác định 2.5 Các sóng mang xác định 70 72 216 Các sóng mang liệu xác định 60 48 144 Năng lượng sóng mang sử dụng 3.56 3.44 -1.334 dBm Sự tăng thêm anten Rx 15.0 15.0 15.0 dBi Sự tăng thêm đa dạng anten Rx 3.0 3.0 3.0 dBi Đồ hình tạp âm Rx 4.0 4.0 4.0 dB Số dư giảm dần ghi thông thường 5.56 5.56 5.56 dB Số dư giảm âm nhanh 4.0 2.0 2.0 dB Số dư nhiễu 3.0 3.0 3.0 dB Tổn thất xuyên âm 10.0 10.0 10.0 dB Số dư tổng cộng 22.56 20.56 20.56 dB Vùng đảo trật tự Tạp âm nhiệt -174 -174 -174 dBm/KHz Khoảng cách sóng mang 10.94 10.94 10.94 KHz Kiểu điều biên Ranging QPSK 1/8 PQSK 1/8 SNR yêu cầu -6.0 -2.5 -2.5 dB Phạm vị khoảng cách ô giới hạn 0.66 38 115 Kbps Tỷ lệ liệu đường truyền DL Độ nhạy Rx (trên sóng mang con) -135.6 -132.1 -132.1 dBm Độ nhạy Rx (tổng hợp) -117.8 -111.1 -108.8 dBm Số dự trữ hệ thống 157.2 153.5 148.8 dB Tổn thất thành phần cho phép tối đa 134.6 133.0 128.2 dB 4.2 Quỹ đường truyền WiMAX di động Tính tốn quỹ đường truyền dựa thông số hệ thống mơ hình truyền sóng kênh Bảng 11 Giá trị 5,56 dB sử dụng cho độ dự trữ suy hao giả định bảng chiếm 75% khả phủ sóng đường biên cell 90% khả phủ sóng tồn vùng Dự trữ nhiễu dB cho DL 3dB cho UL với mẫu sử dụng lại tần số (1,1,3) Dự trữ nhiễu giảm xuống 0,2% cho mẫu sử dụng lại tần số (1,3,3) giá trị ảnh hưởng phổ tần số giảm Độ lợi phân tập Macro dB hiệu chỉnh fading giả định 0.5 Phạm vi phủ sóng cell ước tính từ quỹ đường truyền theo mơ hình truyền sóng (như mơ hình Hata hay mơ hình Erceg) Mơ hình Hata dựa kết thu theo kinh nghiệm dải tần 2Ghz tiến tới dự đoán tương đối 2,5 GHz Mơ hình Erceg mơ hình khác sử dụng phổ biến dải tần số dự đoán xấp xỉ 70% cao Cũng ý rằng, suy hao đường truyền cho phép tối đa 128,2 dB tương ứng với tốc độ liệu vùng biên cell hướng DL 5,76 Mbps UL 115kbps; cao tốc độ liệu hệ thống 3G Tốc độ liệu cao vùng biên cell tần số sóng mang cao dẫn đến kích thước cell nhỏ Quỹ đường truyền tốt kích thước cell lớn đạt tốc độ liệu biên cell thấp Bảng 10 11 4.3 Độ tin cậy mào đầu MAP WiMAX di động Thông tin điều khiển WiMAX di động có định dạng tin MAP đứng đầu khung Bản tin MAP điều khiển vị trí DL UL Bản tin MAP cho phép điều khiển linh hoạt cấp phát tài nguyên DL UL để cải thiện hiệu suất phổ QoS Khi tin MAP chứa thông tin cấp phát tài ngun cho tồn khung độ tin cậy tin MAP ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất hệ thống Vùng phủ kênh điều khiển DL mơ theo cấu hình mơ đề cập trước với không phân tập phát dịch vòng (CSTD – Cyclic Shift Transmit Diversity) CSTD phân tập trễ thích nghi hệ thống OFDM Với CSTD, thành phần anten mảng phát phiên symbol miền thời gian OFDM (symbol b), x(n,b) (0≤n≤N-1 ,với N cỡ FFT hệ thống) Ví dụ, có Mb anten truyền trạm gốc, anten gửi phiên không dịch biểu trưng OFDM, anten m truyền biểu trưng OFDM tương tự dịch vòng (m-1)D mẫu theo thời gian Chú ý anten thêm tiền tố vòng sau dịch vòng biểu trưng OFDM bảo vệ trễ dải rộng tiền tố vòng khơng ảnh hưởng CSTD Đồ thị bao phủ MAP Bao phủ ô (Phần trăn di động với điêuf khiển MER < 10X) 4Tx_10W 100 Rep = 95 Rep = 90 Rep = 85 Rep = 80 75 70 65 60 55 Độ trễ CSTD 50 - anten: 1,785 µs 45 - anten: 0,893 µs/anten 40 -3 -2,5 -2 -1,5 -1 -0,5 X Hình 13: Mô hiệu suất vùng phủ kênh điều khiển cho kênh TU Hình 13 hàm phân phối tích luỹ (CDF) vùng phủ kênh điều khiển cho tỉ lệ lặp 1,2,4 anten sử dụng mơ hình truyền sóng định nghĩa Bảng Nó quan sát từ số liệu sử dụng CSTD với anten phát thu, R=1/2CTC với hệ số lặp 6, xấp xỉ 95% vùng phủ ô đạt điểm hoạt động PER 1% Chú ý hiệu suất MAP tăng cao cách sử dụng khử nhiễu máy di động Bản tin MAP có kích thước thay đổi, thay đổi theo số lượng user khung Khi mạng hầu hết lưu lượng FTP HTTP, số lượng user lập lịch khung nhỏ 10 Trong trường hợp này, cấp phát tài nguyên chiếm hiệu tin MAP gần chứa mào đầu MAP cố định Mào đầu MAP trường hợp chiếm khoảng 10% kênh 10 MHz với cỡ khung 5ms Khi mạng sử dụng hầu hết tải VoIP, số lượng user lập lịch khung lớn Mào đầu tin MAP tăng tuyến tính với số lượng user lập lịch Số ký hiệu OFFDMA k+5 SUB-DL-ULMAP Nén DL_MAP nén UL_MAP SUB-DL-UL-MAP Mở đầu Số kênh lôgic FCH k+3 SUB-DL-ULMAP k+1 SUB-DL-UL-MAP k k+7 k+9 k+11 Truyền chuỗi DL #3 k+13 k+15 k+17 k+19 Truyền chuỗi DL #4 Truyền chuỗi DL #5 Truyền chuỗi DL #1 Truyền chuỗi DL #6 Truyền chuỗi DL #2 Truyền chuỗi DL #7 Thứ tự ánh xạ khe cho tin nhắn ánh xạ DL Hình 14: Cụm MAP (Sub – MAP Burst) Để điều khiển mào đầu MAP, WiMAX di động đưa tin sub-MAP multicast cho phép tin gửi tốc độ liệu khác với SINR khác Do đó, tin broadcast gửi với tin cậy cao phải phù hợp với vùng phủ biên cell, tin điều khiển chung cấp phát tải tin nhận cách hiệu tình trạng SINR user Như hình 13, đa số vùng phủ sóng hỗ trợ tỷ lệ tốc độ liệu cao QPSK 1/12 1% PER (và 60% QPSK 1/4) Do đó, với tin sub-MAP multicast mào đầu điều khiển giảm cách đáng kể Thậm chí với số lượng lớn user (20 user DL 20 user UL) khung, mào đầu tin MAP nhỏ 20% Do đó, tin điều khiển WiMAX di động linh hoạt truyền liệu 4.4 Hiệu suất hệ thống WiMAX Mô dựa phương pháp ước lượng 1xEVDV sử dụng để đánh giá hiệu suất WiMAX di động Các thông số hệ thống WiMAX di động miêu tả bảng 7, 8, phần 5.1 Mô hiệu suất cho thấy hỗn hợp người sử dụng với lượng user di động miêu tả bảng 12 13 Bảng 12: Các kiểu kênh đa đường cho mô hiệu suất Kiểu kênh Đường (dB) Đường (dB) Đường (dB) Đường (dB) Đường (dB) Đường (dB) Bộ thu Răng cưa ITU Ped B Ch-103 -3.92 -4.82 -8.82 -11.92 -11.72 -27.82 1,2,3,4,5,6 ITU Veh A Ch-104 -3.14 -4.14 -12.14 -13.14 -18.14 -23.14 1,2,3,4,5,6 Bảng 13: Mơ hình kênh người dùng hỗn hợp để mô hiệu suất Kiểu kênh Số lượng đường Tốc độ Sự giảm âm Xác xuất ấn định ITU Ped B Ch-103 km/h Chấp nhận 0.60 30 km/h Chấp nhận 0.30 120 km/h Chấp nhận 0.10 ITU Veh A Ch-104 Có 10 user sector Lưu lượng giả định toàn tải đệm FTP, giả định tỉ lệ lập lịch hợp lý Mỗi trạm gốc cấu hình với ba sector hệ số sử dụng lại tần số sector Giả định đánh giá kênh lý tưởng, thích nghi đường truyền thực tế Tần số sóng mang cho tính tốn WiMAX di động 2,5 GHz Mào đầu khung (Preamble), MAP OH kênh điều khiển UL symbol OFDMA DL ký hiệu OFDMA UL Một ký hiệu định cho TTG tổng 11 symbol mào đầu 37 biểu trưng liệu cho DL UL Cấu hình cụ thể yếu tố giả định Bảng 14 Hiệu suất tính tốn Bảng 15 cho thực TDD với dải thơng kênh truyền 10 MHZ, cấu hình anten SIMO, MIMO tỉ lệ DL/UL tương ứng 28:9 22:15 Các kết hệ thống WiMAX di động có hiệu suất phổ cao Với hai anten thu, hiệu suất phổ sector DL khoảng 1,2 bit/sec/Hec sector UL 0,55 bit/sec/Hz Với 2x2 MIMO hiệu suất phổ cải thiện tới 50% đến 60% DL khoảng 35% UL Hiệu suất phổ cảo bao gồm dải thông kênh truyền lớn, cung cấp thông lượng sector cao cho hệ thống WiMAX di động Với 2x2 MIMO tỉ lệ DL/UL 3:1, thông lượng sector DL 13,60 Mbps thông lượng sector UL 1,83 Mbps; với tỉ lệ DL/UL 3:2 thông lượng sector 10,63 Mbps 3,05 Mbps tương ứng với DL UL Thông lượng liệu sector cao cần thiết cho dịch vụ liệu băng thông rộng bao gồm video VoIP Cũng lưu ý 11 symbol mào đầu ước tính vừa phải cho mào đầu Đối với hầu hết ứng dụng liệu, lưu lượng tập trung WiMAX hoạt động hiệu với mào đầu 11 biểu trưng Hơn nữa, kênh xem xét cho trường hợp kênh hoá phân tập PUSC gia tăng hoạch định lựa chọn tần số khơng tính tốn đến mơ phỏng, Với kênh hố lựa chọn tần số AMC, hiệu suất phổ tăng thêm 15 đến 25% Do đó, với hệ thống WiMAX di động tối ưu hiệu suất phổ thơng lượng cải thiện 20 đến 30% so với kết bảng 15 Sự cải tiến hiệu suất phổ trường hợp minh hoạ hình 15 với cấu hình anten 2x2 MIMO Bảng 14: Các giả định cấu hình WiMAX Di động Các thơng số Giá trị Cấu hình ô vùng/Ô Sử dụng lại tần số 1/3/1 Người dùng/Vùng 10 Kiểu đường truyền Bộ đệm đầy đủ Đánh giá kênh Ý tưởng Trừu tượng hóa PHY EESM Bộ lập chương trình Có tỷ lệ hợp lý thuộc quyền sở hữu riêng Sự thích ứng liên kết Hiện thực với phản hồi trễ Cấu hình anten 1x2, 2x2 Hỗ trợ MIMO DL Alamouti STC, VSM UL Cộng tác SÓNG MANG Chuyển mạch MIMO Chuyển mạch STC/VSM thích ứng HARQ CC, chuyển tiếp Mã hóa CTC Duy trì khung 11 ký hiệu OFDM (7 DL, UL, TTG) Ký hiệu liệu/khung Sự phân chia DL/UL 37 A 28:9 B 22:15 Bảng 15: Hiệu suất hệ thống di động WiMAX Các trường hợp Anten DL: 28 ký hiệu liệu DL: 22 ký hiệu liệu UL: ký hiệu liệu UL: 15 ký hiệu liệu Liên kết Thông lượng vùng Hiêu suất quang phổ Thông lượng vùng Hiệu suất quang phổ DL 8.8 Mbps 1.21 bps/Hz 6.6 Mbps 1.09 bps/Hz UL 1.38 Mbps 0.55 bps/Hz 2.20 Mbps 0.59 bps/Hz DL 13.60 Mbps 1.87 bps/Hz 10.63 Mbps 1.76 bps/Hz UL 1.83 Mbps 0.73 bps/Hz 2.74 Mbps 0.83 bps/Hz SIMO MIMO MIMO hiệu quang phố DL (2x2) MIMO hiệu quang phố UL (2x2) + 20% Mbps Mbps + 30% Tỷ lệ DL/UL Đường sở Tỷ lệ DL/UL Hình 15: Cải thiện hiệu suất phổ với WiMAX tối ưu Một thuận lợi khác hệ thống WiMAX khả cấu hình lại cách tự động tỉ số DL/UL để đáp ứng lưu lượng mạng với tận dụng phổ tối đa, thơng lượng séctơ đường xuống DL tối đa lớn 20Mbs thông lượng sector đường lên UL tối đa lớn 8Mbs Với tỉ lệ DL/UL định thuộc dải từ 3:1 đến 1:1, thơng lượng sector đường xuống biến thiên từ 10 – 17 Mbs; thơng lượng sector đường lên biến thiên từ – Mbs Kết dựa cấu hình MIMO WiMAX di động, cải tiến hiệu suất tốt thực với đặc tính cao cấp WiMAX chẳng hạn AAS (Còn tiếp) 10 ... với vùng WiMAX- MBS Di động Tính tốn hiệu suất hệ thống di động Wimax 4.1 Các thông số hệ thống di động Wimax Khi WiMAX di động dựa OFDMA theo mức, cấu hình linh hoạt để hoạt động băng thông khác... điều khiển WiMAX di động linh hoạt truyền liệu 4.4 Hiệu suất hệ thống WiMAX Mô dựa phương pháp ước lượng 1xEVDV sử dụng để đánh giá hiệu suất WiMAX di động Các thông số hệ thống WiMAX di động miêu... nhờ điều chỉnh thông số hệ thống Chúng ta xem xét hệ thống WiMAX di động với đặc tính sau tốn cho tính tốn hiệu suất hệ thống di động Wimax Bảng cung cấp thông số hệ thống, Bảng thông số OFDMA