Mô hình hóa mạng Wimax cố định

MỤC LỤC I DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG IV BẢNG GIẢI NGHĨA THUẬT NGỮ VI LỜI NÓI ĐẦU IX TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN X CHƯƠNG 1. 1

1.1 Khái niệm chung về WiMAX 1

1.1.1 Khái niệm WiMAX 1

1.1.2 Các đặc điểm của WiMAX 1

1.1.3 Hoạt động của WiMAX 2

1.2 Cấu hình mạng 4

1.2.1 Cấu hình mạng điểm – đa điểm (PMP) 4

1.2.2 Cấu hình mạng mắt lưới (MESH) 5

1.3 Các dịch vụ của WiMAX 7

1.3.1 Các tham số QoS cho luồng dịch vụ 7

1.3.2 Dịch vụ cấp phát không theo yêu cầu (UGS) 8

1.3.3 Dịch vụ kiểm tra vòng theo thời gian thực (rtPS) 8

1.3.4 Dịch vụ kiểm tra vòng không theo thời gian thực (nrtPS) 9

1.3.5 Dịch vụ cố gắng tối đa (Best Effort - BE) 9

1.4 Chuẩn WiMAX 10

1.4.1 Hệ thống chuẩn IEEE 802.16 10

1.4.2 Chuẩn WiMAX cố đinh (IEEE 802.16d) 12

1.4.3 Chuẩn WiMAX di động (IEEE 802.16e) 12

1.4.4 Kiến trúc giao thức WiMAX 13

1.5 Truy nhập vô tuyến 16

1.5.1 Môi trường truyền sóng LOS và NLOS 16

1.5.2 Công nghệ OFDM cho truyền dẫn vô tuyến 17

1.5.3 Đa truy nhập và kênh con hóa 17

1.5.4 Kỹ thuật song công TDD và FDD 19

1.7.2 Bảo mật qua giao diện vô tuyến 26

BÀI TOÁN THIẾT KẾ MẠNG WIMAX 34

CỐ ĐỊNH & DI TRÚ CHO THÀNH PHỐ HÀ NỘI 34

2.1 Mục đích thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú 34

2.2 Bài toán thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú 34

2.2.1 Các tham số hệ thống của mạng WiMAX cố đinh & di trú 34

2.2.2 Các tham số dịch vụ cho WiMAX cố đinh & di trú 37

2.2.3 Phương pháp tính toán lưu lượng 38

2.2.4 Đánh giá khả năng triển khai mạng WiMAX cố đinh & di trú 39

2.2.5 Các bước thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú 40

2.3 Các yêu cầu thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú cho thành phố Hà Nội 41

2.3.1 Chỉ tiêu chất lượng cho mạng WiMAX cố đinh & di trú 41

2.3.2 Các yêu cầu thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú cho thành phố Hà Nội

44

2.3.3 Lựa chọn thiết bị theo yêu cầu thiết kế 52

2.4 Tính toán suy hao 56

2.4.1 Tính toán suy hao đường truyền (path loss) 56

MÔ HÌNH HÓA MẠNG WiMAX CỐ ĐỊNH 79

3.1 Các tham số đầu vào 79

3.2 Mô hình hóa mạng WiMAX cố đinh & di trú trên bản đồ 80

3.2.1 Mô hình mạng trên bản đồ địa lý 80

3.2.2 Mô hình mạng trên bản đồ kiến trúc 83

3.3 Mô hình chi tiết cho một cell 85

3.4 Xác định vị trí đặt trạm gốc 86

Tổng kết chương 3 87

CHƯƠNG 4 88

CÁC CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG 88

4.1 Chương trình tính toán suy hao 88

4.1.1 Tính toán suy hao theo mô hình COST 231 Hata 88

4.1.2 Tính toán suy hao theo mô hình COST 231 Walfish-Ikegami 89

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG

Hình 1.1 Mạng WiMAX 4

Hình 1.2 Cấu hình mạng PMP 5

Hình 1.3 Cấu hình mạng MESH 6

Hình 1.4 Bộ tiêu chuẩn IEEE802.16 10

Hình 1.5 Mô hình kiến trúc giao thức WiMAX 13

Hình 1.6 Cấu trúc khung OFDM với kỹ thuật song công TDD 19

Hình 1.7 Bộ tạo mã giả ngẫu nhiên 20

Hình 1.8 Chòm sao BPSK, QPSK, 16 QAM và 64 QAM 22

Hình 1.10 Lược đồ điều chế thích ứng 23

Hình 1.11 Mô hình bảo mật 25

Hình 1.12 Quá trình nhận thực thuê bao 26

Hình 1.13 Quá trình trao đổi khóa dữ liệu 27

Hình 1.14 Mật mã hóa dữ liệu 28

Hình 1.15 Khả năng mở rộng dung lượng của một trạm gốc BS 31

Bảng 2.1 Bảng các tham số hệ thống tham khảo cho WiMAX cố đinh & di trú 36

Bảng 2.2 Bảng các tham số dịch vụ tham khảo cho WiMAX cố đinh & di trú 38

Hình 2.1 Sơ đồ các bước thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú 40

Hình 2.2 Chỉ tiêu chất lượng cho mạng Internet 42

Bảng 2.3 Bảng tiêu chuẩn chất lượng cho mạng WiMAX cố đinh & di trú 43

Hình 2.3 Khu vực cần phủ sóng chụp từ vệ tinh 45

Hình 2.4 Khu vực cần phủ sóng trên bản đồ địa lý 46

Hình 2.5 Bản đồ kiến trúc Hà Nội chụp từ vệ tinh 49

Bảng 2.4 Tỉ lệ thuê bao trên từng ứng dụng 51

Bảng 2.5 Tổng hợp thông số thiết bị lựa chọn 55

Hình 2.6 Bán kính cell với suy hao đường truyền 56

Hình 2.7 Đồ thị suy hao sử dụng mô hình COST 231 Hata 58

Hình 2.8 Mô hình COST 231 Walfisch-Ikegami môi trường NLOS 60

Hình 2.9 Đồ thị suy hao sử dụng mô hình COST 231 Walfish-Ikegami 63

Bảng 2.6 Các tham số địa hình 65

Hình 2.10 Đồ thị suy hao mô hình SUI 65

Bảng 2.7 Mức suy hao thâm nhập một số loại vật cản 68

Bảng 2.8 Tổng hợp các mức dự trữ suy hao phụ 69

Bảng 2.9 Quỹ đường truyền cho đường xuống 70

Bảng 2.10 Quỹ đường truyền cho đường lên 71

Hình 2.11 Kết quả tính toán phạm vi phủ sóng 72

Hình 2.12 Vùng phủ sóng tối đa của một sector 120o 73

Bảng 2.11 Kết quả định cỡ mạng 75

Hình 2.13 Vùng phủ sóng của một sector 120o 76

Hình 2.14 Mô hình mạng lưới cell lục giác 77

Bảng 2.12 Tổng hợp kết quả tính toán thiết kế mạng 78

Hình 3.1 Mô hình mạng trên bản đồ địa lý (chưa hiệu chỉnh) 80

Hình 3.2 Mô hình mạng trên bản đồ địa lý (đã hiệu chỉnh) 82

Hình 3.3 Mô hình mạng WiMAX trên bản đồ kiến trúc 83

Hình 3.4 Mô hình mạng đường trục (backhaul) 84

Hình 3.5 Chi tiết vùng phủ sóng cell 10 85

CHƯƠNG 1

CÔNG NGHỆ WIMAX

Trước khi xây dựng một mạng WiMAX cố đinh & di trú chúng ta cần tìm hiểu về công nghệ WiMAX, về các đặc điểm và những ứng dụng của công nghệ WiMAX Việc hiểu rõ về công nghệ cũng như các ứng dụng của WiMAX cố đinh & di trú là cơ sở cho việc xây dựng, thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú trong thực tế Chương 1 sẽ trình bày các khái niệm cơ bản và các đặc trưng của công nghệ WiMAX, bộ chuẩn WiMAX, các dịch vụ và mô hình ứng dụng WiMAX

1.1 Khái niệm chung về WiMAX

1.1.1 Khái niệm WiMAX

WiMax (viết tắt từ Worldwide Interoperability for Microwave Access) là một công

nghệ truy cập không dây băng thông rộng (Broadband Wireless Access - BWA) với khả năng cung cấp đường truyền số liệu với tốc độ lên đến 70Mb/s và với bán kính phủ sóng của một trạm anten phát lên đến 50 km

Công nghệ WiMAX dựa trên cơ sở tương thích toàn cầu được kết hợp bởi bộ chuẩn IEEE 802.16 và ETSI HiperMAN Đây là các tiêu chuẩn cho mạng WirelessMAN (mạng đô thị không dây) WiMAX cố đinh & di trú dựa theo chuẩn 802.16d, WiMAX di động theo chuẩn 802.16e Chuẩn WiMAX cố đinh hỗ trợ tốc độ dữ liệu đỉnh 70Mb/s, đảm bảo tốc độ tiêu chuẩn lớn hơn 30Mb/s Chuẩn WiMAX di động cho thuê bao di chuyển ở tốc độ cao hỗ trợ truy nhập tốc độ dữ liệu đỉnh 30Mb/s, đảm bảo tốc độ tiêu chuẩn lớn hơn 5Mb/s WiMAX có thể hoạt động trong tầm nhìn thẳng (Light of Sight – LOS) hay không trong tầm nhìn thẳng (None Light of Sight – NLOS).

Công nghệ này có thể được sử dụng để thay thế các đường truyển DSL, ADSL, đường cáp hữu tuyến bằng truy nhập không dây, làm trạm chuyển tiếp (backhaul) cho mạng Wifi, hỗ trợ và bổ sung cho các dịch vụ điện thoại di động, cung cấp các kết nối băng thông rộng di động với rất nhiều các cấp dịch vụ khác nhau.

1.1.2 Các đặc điểm của WiMAX

- Phạm vi phủ sóng của một BS trên lý thuyết có thể lên tới 50km.

- Tốc độ truyền dữ liệu có thể thay đổi, tối đa 70Mb/s.

- Hoạt động trong cả hai môi trường truyền dẫn: đường truyền tầm nhìn thẳng LOS và đường truyền không trong tầm nhìn thẳng NLOS.

- Dải tần làm việc 2-11GHz cho đường truyền không trong tầm nhìn thẳng NLOS và từ 10-66GHz cho đường truyền trong tầm nhìn thẳng LOS

- Băng thông mềm dẻo, có thể cho phép thay đổi từ 1,75MHz đến 20MHz.

- Kỹ thuật QoS (chất lượng dịch vụ) trong WiMAX cho phép hỗ trợ nhiều loại dịch vụ, đảm bảo chất lượng dịch vụ tối ưu nhất

- Giao diện vô tuyến sử dụng công nghệ OFDM (ghép kênh phân chia theo tần số trực giao) OFDM trong WiMax sử dụng tổng cộng 2048 sóng mang, trong đó có 1536 sóng mang dành cho thông tin được chia thành 32 kênh con mỗi kênh con tương đương với 48 sóng mang, cho phép nhiều thuê bao có thể truy cập đồng thời một hay nhiều kênh một cách linh hoạt để đảm bảo tối ưu hiệu quả sử dụng băng tần

- Trên mỗi sóng mang phụ sử dụng phương thức điều chế nhiều mức thích ứng từ BPSK, QPSK đến 64-QAM kết hợp các phương pháp sửa lỗi dữ liệu như ngẫu nhiên hoá, với mã hoá sửa lỗi Reed Solomon, mã xoắn tỷ lệ mã từ 1/2 đến 7/8 để đảm bảo chất lượng thông tin.

- Đa truy nhập OFDMA, chế độ song công cho phép sử dụng cả hai công nghệ song công phân chia theo thời gian TDD (time division duplex) và song công phân chia theo tần số FDD (frequency division duplex) cho việc phân chia truyền dẫn của đường lên (uplink) và đường xuống (downlink).

- Tính bảo mật cao, hỗ trợ chuẩn mã mật dữ liệu DES (Data Encryption Standard) và chuẩn mã mật tiên tiến AES (Advance Encryption Standard) cho quá trình bảo mật bảo mật

1.1.3 Hoạt động của WiMAX

Một mạng WiMax gồm 2 thành phần:

+ Trạm gốc (BS-Base Station): giống như các trạm BTS trong mạng thông tin di động số tế bào, sử dụng hệ thống anten thông minh AAS (Adaptive Antenna System) và kỹ thuật đa thu đa phát MIMO (Multi input multi output) với bán kính phủ sóng có thể đạt 50km với đường truyền LOS (trên điều kiện thực tế đạt khoảng 10km).

+ Trạm thuê bao (SS-Subscriber Station): có thể là các anten nhỏ nối với thiết bị thu đặt tại nhà thuê bao hoặc các thiết bị truyền thông cá nhân hỗ trợ WiMAX (CPE) hoặc các card PCMCIA gắn bên trong các thiết bị di động

Các trạm gốc BS được kết nối tới mạng Internet thông qua các đường truyền hữu tuyến tốc độ cao (cáp quang) hoặc sử dụng mạng đường trục backhaul với một trạm gốc làm trạm chuyển tiếp lưu lượng Nhờ việc sử dụng các trạm chuyển tiếp, phạm vi phủ sóng rộng và chi phí rẻ nên WiMAX có khả năng phủ sóng đến những vùng hẻo lánh nơi mà các đường cáp hữu tuyến không thể triển khai được.

Các anten thu/phát có thể trao đổi thông tin với nhau qua các đường truyền trong tầm nhìn thẳng LOS hoặc đường truyền không trong tầm nhìn thẳng NLOS Trong trường hợp đường truyền trong tầm nhìn thẳng LOS, các anten được đặt cố đinh & di trú trên các điểm cao, tín hiệu trong trường hợp này ổn định và tốc độ truyền có thể đạt tối đa Băng tần sử dụng có thể dùng ở tần số cao đến 66GHz vì ở tần số này tín hiệu ít bị giao thoa với các kênh tín hiệu khác và băng thông sử dụng cũng lớn hơn Đối với trường hợp đường truyền không trong tầm nhìn thẳng NLOS, WiMax sử dụng băng tần thấp hơn ở khoảng 2-11GHz, ở tần số thấp tín hiệu dễ dàng vượt qua các vật cản, có thể phản xạ, nhiễu xạ, uốn cong, vòng qua các vật thể để đến đích.

WiMAX cố đinh & di trú có thể sử dụng để cung cấp dịch vụ cho các hộ gia đình hoặc các doanh nghiệp, cơ quan tổ chức, trường học, bệnh viện … hoặc làm đường trục cho mạng di động, làm backhaul cho các hotspost của Wifi thay cho các mạng cáp hữu tuyến đắt tiền Mạng nomadic cho phép người dùng đầu cuối có thể di chuyển vị trí trong vùng phủ sóng, khi kết nối vẫn phải cố đinh tương tự Wifi WiMAX di động là triển vọng lớn nhất của WiMAX với khả năng cung cấp đường truyền tốc độ cao ở tốc độ di chuyển lớn, có khả năng bổ sung các di vụ di động mới ngoài các dịch vụ được cung cấp bởi mạng di động truyền thống

Hình 1.1 mô tả các mô hình ứng dụng mạng WiMAX bao gồm mạng WiMAX cố đinh, mạng WiMAX di trú (nomadic) và mạng WiMAX di động Riêng WiMAX di động có thể tương thích với WiMAX cố đinh và di trú, điều này có nghĩa là một mạng WiMAX di động với lưu lượng mạng đủ lớn có thể cung cấp cho cả nhu cầu mạng cố đinh, di trú và di động

Hình 1.1 Mạng WiMAX

1.2 Cấu hình mạng

WiMAX hỗ trợ hai cấu hình mạng là cấu hình mạng điểm – đa điểm (PMP – point to multipoint) và mạng mắt lưới (MESH)

1.2.1 Cấu hình mạng điểm – đa điểm (PMP)

Cấu hình mạng điểm – đa điểm PMP tương tự mạng thông tin di động tế bào Mạng điểm – đa điểm PMP bao gồm một trạm gốc BS kết nối với mạng công cộng và một số lượng lớn các trạm thuê bao SS xung quanh Trạm gốc BS sử dụng hệ

thống các anten chia theo cung (sectoral antennas) là các anten chảo có độ định

hướng cao, được hướng theo từng cung và được sắp xếp xung quanh cột anten.

Trong mạng điểm – đa điểm PMP các trạm thuê bao SS chỉ trao đổi thông tin trực tiếp với trạm gốc BS Đường xuống (Down link) là quảng bá và đa điểm Các trạm thuê bao SS chia sẻ đường lên (up link) tới trạm gốc BS trên cơ sở yêu cầu băng thông Kết nối từ trạm thuê bao SS đến trạm gốc BS thông qua nhận dạng kết nối CID (connection ID), trạm thuê bao SS sẽ kiểm tra CID trong các PDU nhận được và chỉ giữ các PDU có địa chỉ tới chúng Tùy thuộc loại dịch vụ sử dụng mà trạm thuê

bao SS được phép tiến hành truyền dữ liệu ngay hoặc chờ sự cho phép của trạm gốc BS sau khi đã chấp nhận một yêu cầu từ trạm thuê bao SS

Mạng điểm – đa điểm PMP được thiết kế để cho phép số lượng người sử dụng lớn với chi phí thấp, lắp đặt đơn giản và giới hạn được số lượng router, switch cần thiết Tần số sử dụng ở dải tần thấp dưới 6GHz để có phạm vi phủ sóng lớn

Cấu hình mạng điểm – đa điểm PMP là cấu hình mạng cơ bản cho mạng WiMAX.

Hình 1.2 Cấu hình mạng PMP 1.2.2 Cấu hình mạng mắt lưới (MESH)

Cấu hình mạng mắt lưới MESH gồm các trạm gốc MESH BS là các trạm gốc BS được kết nối với mạng bên ngoài và các MESH SS là các thành phần còn lại trong mạng mà chỉ có các kết nối bên trong mạng MESH (có thể là các trạm thuê bao SS hoặc trạm gốc BS) Mạng MESH thường được gọi là mạng mắt lưới, mỗi mắt lưới là một node mà trong đó các node đều có thể liên lạc được với nhau trực tiếp hoặc gián tiếp bên trong mạng Đường lên và đường xuống trong mạng MESH là theo hướng dữ liệu tới và ra khỏi MESH BS Kết nối trong mạng MESH cũng thông qua nhận

dạng kết nối CID, MESH SS sẽ kiểm tra CID trong các PDU nhận được và chỉ giữ các PDU có địa chỉ tới chúng

Trong mạng MESH mỗi node có một router do đó lưu lượng có thể được định tuyến qua các MESH SS Nhờ đặc điểm này các MESH SS có thể trao đổi dữ liệu với nhau ngoài trao đổi dữ liệu trực tiếp với MESH BS, đây là khác biệt cơ bản so với cấu hình PMP

Do mỗi node đều có liên kết đa đường đến các node khác nên mỗi node có khả năng lựa chọn liên kết tốt nhất từ node khác và tránh được node ẩn (node không nhận được tín hiệu Ngoài ra khả năng mở rộng của mạng mắt lưới MESH cho phép lớn hơn nhiều so với mạng điểm – đa điểm PMP nên chi phí bao phủ mạng trên một đơn vị diện tích là thấp hơn điểm – đa điểm PMP Ngoài ra chất lượng kết nối cũng được đảm bảo hơn mạng điểm – đa điểm PMP.

Cấu hình mạng mắt lưới MESH là tùy chọn cho WiMAX do chi phí cho thiết bị đầu cuối lớn và quản lý mạng phức tạp Mạng mắt lưới MESH chỉ thích hợp cho các dịch vụ cố đinh & di trú

Hình 1.3 Cấu hình mạng MESH

1.3 Các dịch vụ của WiMAX

WiMAX hỗ trợ chất lượng dịch vụ QoS (Quality of Service) cho các dịch vụ được cung cấp, chủ yếu để hỗ trợ các dịch vụ thời gian thực Mỗi loại dịch vụ có một tập các tham số QoS và kỹ thuật quản lý chất lượng dịch vụ cho phép đảm bảo chất lượng cho từng kết nối (connection) Đối với mạng Internet truyền thống thì dịch vụ phổ biến là Best Effort và không hỗ trợ QoS do đó không đáp ứng được các dịch vụ đòi hỏi độ trễ thấp, yêu cầu về thời gian thực Để hỗ trợ các dịch vụ này cần phải xây dựng thêm các bộ giao thức mới cũng như cần nâng cấp mạng Với kỹ thuật quản lý chất lượng dịch vụ QoS, WiMAX hỗ trợ được nhiều loại dịch vụ khác nhau và có khả năng đảm bảo chất lượng cho các ứng dụng trên từng loại dịch vụ.

WiMAX hỗ trợ 4 loại hình dịch vụ là dịch vụ cấp phát không theo yêu cầu (Unsolicited Grant Service - UGS), dịch vụ kiểm tra vòng theo thời gian thực (Real-Time Polling Service - rtPS), dịch vụ kiểm tra vòng không theo thời gian thực (Non-

Real-Time Polling Service - nrtPS), dịch vụ cố gắng tối đa (Best Effort - BE) 1.3.1 Các tham số QoS cho luồng dịch vụ

 Tốc độ lưu lượng dự trự tối thiểu

Là giới hạn dưới của tốc độ truyền dữ liệu Tốc độ dữ liệu được đảm bảo luôn lớn hơn giới hạn dưới này

 Tốc độ lưu lượng cho phép tối đa

Là giới hạn trên cho phép của tốc độ truyền dữ liệu Tốc độ dữ liệu không được lớn hơn giới hạn trên này.

 Độ trễ tối đa

Là độ trễ toàn trình trong quá trình truyền dẫn Tham số này được yêu cầu đối với các dịch vụ có hỗ trợ thời gian thực Độ trễ tối đa không được phép vượt quá mức ngưỡng cho trước để đảm bảo chất lượng dịch vụ.

 Độ trễ pha ”Jitter”

Là độ trễ của từng gói khi đến đích khiến cho dữ liệu bị đứt quãng (không liên tục) Tham số này được yêu cầu với dịch vụ cấp phát không theo yêu cầu (Unsolicited Grant Service) dùng cho ứng dụng thoại VoIP hoặc T1/E1 vì nếu Jitter lớn chất lượng đàm thoại sẽ bị giảm nghiêm trọng.

 Mức ưu tiên của tải lưu lượng

Xác định tải lưu lượng nào được ưu tiên phục vụ trước Tham số này được sử dụng cho dịch vụ phi thời gian thực (none-realtime Polling Service) và dịch vụ cố gắng tối đa (Best Effort) trong đó băng thông được yêu cầu trên cơ sở tranh chấp.

 Cách thức yêu cầu / truyền dẫn

Chỉ ra cách thức đưa các bản tin yêu cầu (request) và cách thức truyền dẫn dữ liệu

Tham số này có mặt ở tất cả các loại dịch vụ

1.3.2 Dịch vụ cấp phát không theo yêu cầu (UGS)

Đối với dịch vụ cấp phát không theo yêu cầu, tài nguyên vô tuyến được cấp phát bởi trạm gốc BS theo một khoảng thời gian định kỳ, băng thông cố đinh & di trú đồng thời loại bỏ yêu cầu băng thông từ trạm thuê bao SS (các trạm thuê bao SS sử dụng dịch vụ cấp phát không theo yêu cầu sẽ không được trạm gốc BS kiểm tra yêu cầu băng thông).

UGS được thiết kế để hỗ trợ cho các ứng dụng yêu cầu thời gian thực, gói có kích thước cố đinh & di trú, phát định kỳ Chủ yếu là các ứng dụng cho thoại như T1/E1 và VoIP (Voice over IP)

Các tham số QoS cho luồng dịch vụ này là tốc độ lưu lượng cho phép tối đa, độ trễ tối đa, độ trễ pha (Jitter), cách thức yêu cầu / truyền dẫn Băng thông được cấp phát phụ thuộc tham số tốc độ lưu lượng cho phép tối đa và được đảm bảo luôn cố đinh & di trú Độ trễ tối đa, độ trễ pha (Jitter) là hai tham số quan trọng có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng thoại, hai tham số này chỉ ra mức giới hạn cho phép của độ trễ toàn trình và Jitter

1.3.3 Dịch vụ kiểm tra vòng theo thời gian thực (rtPS)

Đối với dịch vụ kiểm tra vòng theo thời gian thực, băng thông được cung cấp dựa trên sự cấp phát các cơ hội yêu cầu băng thông từ trạm gốc BS và kiểm tra vòng các yêu cầu băng thông từ các trạm thuê bao SS Trạm BS phát định kỳ các bản tin đơn điểm unicast cấp phát cơ hội yêu cầu đến từng trạm thuê bao SS, các trạm thuê bao sẽ sử dụng các bản tin unicast cấp phát cơ hội yêu cầu để yêu cầu được cấp phát băng thông đường lên Trạm gốc BS sẽ kiểm tra lần lượt từng trạm thuê bao xem trạm thuê bao nào có yêu cầu băng thông đường lên Các trạm thuê bao không được phép yêu cầu băng thông trên cơ sở tranh chấp (không được tranh chấp băng thông

đường lên) Điều đó đảm bảo băng thông cho các trạm thuê bao là ổn định, tránh xung đột, cho phép hỗ trợ các ứng dụng thời gian thực

Dịch vụ kiểm tra vòng theo thời gian thực rtPS được thiết kế để hỗ trợ các ứng dụng yêu cầu thời gian thực, gói có độ dài thay đổi, phát định kỳ như MPEG video Nói chung là cho các ứng dụng video trực tuyến như xem phim trực tuyến, hội nghị từ xa, truyền hình

Các tham số QoS cho luồng dịch vụ này là tốc độ lưu lượng dự trữ tối thiểu, tốc độ lưu lượng cho phép tối đa, độ trễ tối đa, cách thức yêu cầu / truyền dẫn Trong đó tốc độ dữ liệu luôn được đảm bảo ở mức lớn hơn tốc độ lưu lượng dự trữ tối thiểu và độ trễ nhỏ hơn độ trễ tối đa để hỗ trợ tốt các ứng dụng thời gian thực.

1.3.4 Dịch vụ kiểm tra vòng không theo thời gian thực (nrtPS)

Đối với dịch vụ kiểm tra vòng không theo thời gian thực, băng thông được cung cấp dựa trên sự cấp phát các cơ hội yêu cầu băng thông từ trạm gốc BS và kiểm tra vòng các yêu cầu băng thông từ các trạm thuê bao SS Trạm BS phát các bản tin đơn điểm unicast cấp phát cơ hội yêu cầu một cách bình thường, không nhất thiết theo chu kỳ (định kỳ) Khi đó các trạm SS có thể sử dụng các bản tin unicast cấp phát cơ hội yêu cầu băng thông hoặc trên cơ sở tranh chấp để được cấp phát băng thông đường lên Điều đó có nghĩa là băng thông sẽ được đảm bảo ở mức tốt nhất có thể và vẫn có tranh chấp trong yêu cầu băng thông đường lên do đó sẽ có trễ đáng kể

Dịch vụ kiểm tra vòng không theo thời gian thực nrtPS được thiết kế để hỗ trợ các ứng dụng chấp nhận độ trễ (không yêu cầu thời gian thực), có độ dài gói thay đổi và có yêu cầu về tốc độ dữ liệu tối thiểu như FTP (giao thức truyền file)

Các tham số QoS cho luồng dịch vụ này là tốc độ lưu lượng dự trữ tối thiểu, tốc độ lưu lượng cho phép tối đa, mức ưu tiên của tải lưu lượng, cách thức yêu cầu / truyền dẫn Dịch vụ này vẫn đảm bảo tốc độ dữ liệu tối thiểu nhưng không đảm bảo về trễ như dịch vụ kiểm tra vòng theo thời gian thực (rtPS) Tuy nhiên thay vào đó có thêm tham số mức ưu tiên của tải lưu lượng cho phép phục vụ trước tải lưu lượng có mức ưu tiên lớn hơn.

1.3.5 Dịch vụ cố gắng tối đa (Best Effort - BE)

Dịch vụ cố gắng tối đa là dịch vụ phổ biến nhất trên mạng Internet, cung cấp khả năng đáp ứng cho lưu lượng best effort Lưu lượng best effort dựa trên nguyên tắc gói thông tin đến trước được phục vụ trước, các luồng best effort sẽ phải tranh

chấp băng thông chia sẻ mà không có sự đảm bảo về băng thông tối thiểu Các trạm thuê bao SS đưa yêu cầu băng thông trên cơ sở tranh chấp hoặc cũng có thể sử dụng các bản tin đơn điểm unicast cung cấp cơ hội yêu cầu băng thông từ trạm gốc BS.Dịch vụ BE được thiết kế để hỗ trợ các ứng dụng mà không yêu cầu mức chất lượng dịch vụ tối thiểu Dùng cho các ứng dụng phổ biến trên mạng Internet như HTTP, SMTP, Web

Các tham số QoS cho luồng dịch vụ này là tốc độ lưu lượng cho phép tối đa, mức ưu tiên của tải lưu lượng, cách thức yêu cầu / truyền dẫn Dịch vụ cố gắng tối đa không có sự đảm bảo về tốc độ lưu lượng tối thiểu tuy nhiên vẫn được hỗ trợ mức ưu tiên của tải lưu lượng.

1.4 Chuẩn WiMAX

1.4.1 Hệ thống chuẩn IEEE 802.16

Chuẩn WiMAX dựa trên bộ chuẩn 802.16 của IEEE kết hợp với chuẩn HiperMAN của ETSI (chuẩn cho mạng MAN không dây của Châu Âu) Về cơ bản mô hình 256-OFDM PHY trong chuẩn IEEE 802.16 so với chuẩn ETSI HiperMAN là giống nhau về lớp vật lý và lớp MAC Mô hình 256-OFDM PHY trong chuẩn IEEE 802.16 đã được lựa chọn cho WiMAX Hệ thống chuẩn IEEE 802.16 được xây dựng cho các mạng truy nhập vô tuyến băng thông rộng BWA (Broadband Wireless Access) Bao gồm các chuẩn IEEE 802.16–2001 (chuẩn cơ bản), 802.16a, 802.16b, 802.16c, 802.16d, 802.16e.

Hình 1.4 Bộ tiêu chuẩn IEEE802.16

 Chuẩn IEEE 802.16–2001 là bộ chuẩn cơ bản, mô tả sự chuẩn hóa các lớp PHY và MAC cho truy nhập vô tuyến băng rộng

- Sử dụng kỹ thuật điều chế dơn sóng mang SC (Single Carrier) trong dải tần 10-66 GHz

- Đường truyền trong tầm nhìn thẳng LOS

- Hỗ trợ song công phân chia theo thời gian TDD (Time Division Duplex) và song công phân chia theo tần số FDD (Frequecy Division Duplex)

- Cấu hinh mạng điểm-điểm hoặc điểm-đa điểm - Hỗ trợ truy nhập không dây cố đinh & di trú

- Hỗ trợ QoS (Quality of Service) để đảm bảo chất lượng dịch vụ - Sử dụng kỹ thuật điều chế thích ứng

- Kiến trúc bảo mật được xây dựng trong lớp con MAC-PS

 Chuẩn IEEE 802.16a được sửa đổi, bổ sung từ chuẩn 802.16-2001 để hỗ trợ đường truyền không trong tầm nhìn thẳng NLOS

- Bổ sung kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM và đa truy nhập OFDMA

 Chuẩn IEEE 802.16e (802.16-2005) bổ sung tính di động cho các chuẩn hiện tại, sử dụng kỹ thuật OFDM theo tỉ lệ S-OFDM (Scalabe-OFDM) thay OFDM, hỗ trợ chuyển giao ở tốc độ di chuyển cao Chuẩn 802.16e được sử dụng cho chuẩn WiMAX di động

1.4.2 Chuẩn WiMAX cố đinh (IEEE 802.16d)

Chuẩn WiMAX cố đinh dựa trên chuẩn IEEE 802.16d được chứng nhận vào tháng 6-2004 Các đặc điểm cơ bản của WiMAX cố đinh:

- Kỹ thuật đa truy nhập OFDM-TDMA hoặc sử dụng kỹ thuật đa truy nhập OFDMA, lớp vật lý vô tuyến MAN-OFDM

- Dải tần dưới 11GHz Các băng tần đang được xem xét cho WiMAX cố đinh: băng tần cấp phép 5,8GHz và không cấp phép 2,5GHz, 3,5GHz.

- Đường truyền không trong tầm nhìn thẳng NLOS- Kỹ thuật song công TDD và FDD

- Hỗ trợ truy nhập không dây cố đinh và nomadic (thiết bị đầu cuối như laptop, PDA có thể di chuyển vị trí nhưng cố đinh khi kết nối).

- Độ rộng băng tần có thể lựa chọn từ 1,25 đến 20 MHz- Tốc độ dữ liệu tối đa 75Mb/s với độ rộng băng tần 20 MHz- Kỹ thuật điều chế thích ứng từ BPSK/QPSK đến 64QAM

- Kỹ thuật điều chế đa sóng mang FFT 256-OFDM (256 sóng mang phụ)- Cấu hình mạng điểm-đa điểm PMP và mạng mắt lưới MESH

- Hỗ trợ QoS

1.4.3 Chuẩn WiMAX di động (IEEE 802.16e)

Chuẩn WiMAX di động dựa trên chuẩn IEEE 802.16e được chứng nhận vào tháng 12-2005 Chuẩn WiMAX di động có thay đổi và bổ sung so với chuẩn cố đinh để hỗ trợ tính di động và chuyển giao Các đặc điểm cơ bản của WiMAX di động:

- Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao theo tỉ lệ S-OFDMA, lớp vật lý vô tuyến MAN-OFDMA

- Dải tần dưới 11GHz Các băng tần đang được xem xét cho WiMAX di động: băng tần không cấp phép 2,5GHz, 3,5GHz.

- Đường truyền không trong tầm nhìn thẳng NLOS- Kỹ thuật song công TDD và FDD

- Hỗ trợ truy nhập di động, chuyển giao ở tốc độ di chuyển cao- Độ rộng băng tần có thể lựa chọn từ 1,25 đến 20 MHz

- Tốc độ dữ liệu tối đa 15Mb/s với độ rộng băng tần 5 MHz (khi di chuyển) và tối đa 75Mb/s với độ rộng băng tần 20 MHz (khi đứng yên)

- Kỹ thuật điều chế thích ứng từ BPSK/QPSK đến 64QAM- Kỹ thuật điều chế đa sóng mang theo tỉ lệ FFT S-OFDMA - Cấu hình mạng điểm-đa điểm PMP

- Hỗ trợ QoS

1.4.4 Kiến trúc giao thức WiMAX

Hình 1.5 Mô hình kiến trúc giao thức WiMAX

Mô hình kiến trúc giao thức WiMAX mô tả cho lớp vật lý PHY và lớp lớp điều khiển truy nhập môi trường MAC (Media Access Control ) Trong đó lớp MAC được chia thành 3 lớp con bao gồm lớp con bảo mật (Privacy Sublayer – PS), lớp con phần chung điều khiển truy nhập môi trường (MAC Common Part Sublayer – MAC

CPS), lớp con hội tụ dịch vụ đặc trưng (Service Specific Convergence Sublayer – CS)

a Lớp PHY

 Lớp vật lý vô tuyến MAN-OFDM

- Sử dụng công nghệ OFDM thiết kế cho đường truyền không trong tầm nhìn thẳng NLOS trong dải tần dưới 11GHz.

- Kỹ thuật điều chế thích ứng

- Sử dụng hệ thống anten định hướng - Kỹ thuật kênh con hóa

- Kỹ thuật song công TDD và FDD

 WiMAX di động sử dụng công nghệ S-OFDMA nhằm mục đích: - Bổ sung khả năng di động

- Cho phép chuyển giao ở tốc độ di chuyển cao Kỹ thuật ở lớp vật lý

+ Nhận dữ liệu từ các lớp cao hơn

+ Phân loại dữ liệu ra các tế bào ATM (ATM cell) hoặc gói dữ liệu (packet) + Chuyển các khung đến lớp con phần chung CPS

- Phân chia lớp con hội tụ CS cho các giao thức của ATM và gói dữ liệu

+ Lớp con hội tụ gói dữ liệu (Packet CS): hỗ trợ Ethernet, VLAN, IPv4 và IPv6; chặn lấy tiêu đề tải dữ liệu (payload header); hỗ trợ QoS đầy đủ.

+ Lớp con hội tụ ATM (ATM CS): hỗ trợ kết nối chuyển mạch đường ảo kênh ảo VP/VC (Virtual Path/Virtual Channel); hỗ trợ báo hiệu đầu cuối tới đầu cuối (end to end) của kết nối động; chặn lấy tiêu đề ATM (ATM header); hỗ trợ QoS đầy đủ

 Lớp con phần chung điều khiển truy nhập môi trường MAC-CPS

- Thực hiện các chức năng điều khiển truy nhập môi trường điển hình như đánh địa chỉ

+ Mỗi trạm thuê bao SS được chỉ định một địa chỉ MAC 48 bỉt

+ Xác nhận kết nối được sử dụng như là địa chỉ sơ cấp sau khi khởi tạo- Cách thức truy nhập môi trường được xác định theo hướng truyền dữ liệu

+ Hướng lên là đa truy nhập chỉ định theo yêu cầu – ghép kênh phân chia theo thời gian DAMA-TDM (Demand Assigned Multiple Access – Time Division Multiplexing)

+ Hướng xuống là ghép kênh phân chia theo thời gian TDM- Dữ liệu được đóng gói theo định dạng chung

 Lớp con bảo mật MAC-PS

- Chức năng chính của lớp con bảo mật:

+ Cung cấp sự bảo mật kết nối bằng cách mật mã hóa dữ liệu với chuẩn mã mật dữ liệu DES trong mô hình chuỗi liên kết khối mật mã CBC (Cipher Block Chaining).

+ Chống ăn cắp dịch vụ bằng cách sử dụng giao thức quản lý khóa bảo mật để xác nhận trạm thuê bao SS.

Tiêu đề MAC (6 byte) Tải trọng (tùy chọn) CRC (tùy chọn)+ Tiêu đề MAC 6 byte chứa thông tin điều khiển khung

+ Tải trọng (payload) có độ dài tùy biến chứa thông tin đặc trưng theo loại khung MAC PDU Có 3 loại MAC PDU

+ Phần kiểm tra thứ tự khung chứa mã kiểm tra độ dư vòng CRC (tùy chọn)- Các loại MAC PDU

+ MAC PDU dữ liệu: tải trọng là các đơn vị dữ liệu dịch vụ MAC SDU (Service Data Unit), được truyền trong kết nối dữ liệu (data connection).

+ MAC PDU quản lý: tải trọng là các bản tin quản lý MAC, được truyền trong kết nối quản lý (management connection)

+ MAC PDU yêu cầu băng thông: không có tải trọng mà chỉ có tiên đề

1.5 Truy nhập vô tuyến

1.5.1 Môi trường truyền sóng LOS và NLOS

WiMAX cho phép truyền tín hiệu trong môi trường trong tầm nhìn thẳng LOS (Light of Sight) với dải tần 10-66GHz và không trong tầm nhìn thẳng NLOS (None Light of Sight) với dải tần 2-11GHz.

 Truyền sóng trong tầm nhìn thẳng LOS yêu cầu anten phát và thu phải nhìn thấy nhau, đồng thời khoảng hở phải lớn hơn 0,6F1 (F1 là bán kính miền Fresnel thứ nhất) Giá trị F1 phụ thuộc vào tần số sử dụng và khoảng cách truyền sóng Nếu khoảng hở nhỏ hơn 0,6F1do có vật cản trên đường truyền thì tín hiệu sẽ bị suy giảm nghiêm trọng Đường truyền trong tầm nhìn thẳng được sử dụng cho các trạm chuyển tiếp với phạm vi phủ sóng tối đa 50km.

 Truyền sóng không trong tầm nhìn thẳng NLOS không yêu cầu anten thu và phát phải nhìn thấy nhau Tín hiệu được truyền đến thông qua phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ Tín hiệu tại đầu thu là các tín hiệu đa đường, khác nhau về độ trễ, cường độ tín hiệu, độ ổn định… Ưu điểm của truyền sóng không trong tầm nhìn thẳng NLOS là đáp ứng được các điều kiện khác nhau về đường truyền, quy hoạch mạng, giảm được chiều cao anten, cho phép đặt các thiết bị WiMAX ở trong nhà… Để tận dụng ưu thế của truyền sóng không trong tầm nhìn thẳng và khắc phục các hạn chế của nó, WiMAX

đã sử dụng công nghệ OFDM, kênh con hóa, kỹ thuật điều chế thích ứng, hệ thống anten thông minh, thu phát đa đầu vào đa đầu ra (MIMO-multi input multi output)

1.5.2 Công nghệ OFDM cho truyền dẫn vô tuyến

WiMAX sử dụng công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM ở giao diện vô tuyến Công nghệ OFDM có nhiều ưu điểm so với FDM, CDM về tốc độ truyền dữ liệu, tỷ lệ lỗi bit, hiệu quả sử dụng phổ tần.

+ Kỹ thuật điều chế OFDM là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau Băng tần của hệ thống được chia thành nhiều băng con với các sóng mang phụ cho mỗi băng con Các sóng mang con thỏa mãn điều kiện trực giao cho phép chúng giữ được khoảng cách rất gần nhau mà không cần dải chắn như trong FDMA, không cần ghép kênh theo thời gian như TDMA, điều này làm tăng hiệu quả sử dụng phổ tần

+ Dữ liệu sẽ được chia thành nhiều luồng song song và được đưa vào từng sóng mang phụ để truyền đi Mỗi sóng mang trong các tín hiệu OFDM có một băng thông rất hẹp, do đó tốc độ ký tự thấp nên thời gian truyền ký tự dài Ngoài ra giữa các ký tự OFDM còn được chèn một khoảng thời gian bảo vệ lớn hơn thời gian trễ tối đa của kênh truyền Nhờ vậy hệ thống sử dụng OFDM có khả năng chống lại nhiễu xuyên ký tự ISI

+ Hệ thống sử dụng OFDM có khả năng khôi phục hàm truyền kênh vô tuyến thông qua bản tin dẫn đường pilot

+ Công nghệ OFDM cho phép sử dụng kỹ thuật điều chế thích ứng để đảm bảo chất lượng kênh truyền.

1.5.3 Đa truy nhập và kênh con hóa

 Đa truy nhập OFDM-TDMA

Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian trên cơ sở ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM-TDMA) Kỹ thuật này chia băng tần thành các băng con, mỗi băng con có một sóng mang phụ Mỗi thuê cao được cấp phát một khe thời gian Trạm thuê bao SS sẽ sử dụng toàn bộ không gian sóng mang con trong khe thời gian được cấp phát Ngoài ra các khe thời gian có thể co giãn cho phép chế độ truyền dẫn vẫn hoạt động ổn định ngay cả khi mạng quá tải (co hẹp khe thời gian cho mỗi trạm thuê bao)

 Đa truy nhập OFDMA

Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA chia băng tần thành các băng con, mỗi băng con có một sóng mang phụ Khác với OFDM-TDMA, trong OFDMA mỗi trạm thuê bao không sử dụng toàn bộ không gian sóng mang phụ mà không gian sóng mang phụ được chia cho nhiều thuê bao cùng sử dụng một lúc Mỗi trạm thuê bao sẽ được cấp một hoặc vài sóng mang phụ Kỹ thuật kênh con hóa cho phép ánh xạ các sóng mang phụ cấp cho một trạm thuê bao vào một kênh con Khi các trạm thuê bao không sử dụng hết không gian sóng mang phụ thì tất cả công suất phát của trạm gốc sẽ chỉ tập trung vào số sóng mang con được sử dụng Trong quá trình truyền dẫn mỗi trạm thuê bao được cấp phát một kênh con riêng. Đa truy nhập S-OFDMA (kỹ thuật bổ sung cho WiMAX di động)

Kỹ thuật đa truy nhập OFDMA theo tỉ lệ (S-OFDMA) được bổ sung cho WiMAX di động để hỗ trợ quá trình chuyển giao Kỹ thuật OFDMA chia băng tần ra nhiều băng con với số băng con cố đinh là 2048 băng con Với các hệ thống (trạm gốc) có độ rộng băng tần khác nhau, thay đổi từ 5MHz đến 20MHz thì độ rộng phổ mỗi băng con của các hệ thống đó cũng khác nhau gây khó khăn cho việc chuyển giao giữa các hệ thống Kỹ thuật S-OFDMA cho phép phân chia số băng con một cách tỉ lệ theo độ rộng băng tần Ví dụ độ rộng băng tần 20MHz chia ra 2048 băng con thì độ rộng băng tần 5MHz chia ra 512 băng con Như vậy độ rộng phổ của các băng con là như nhau trong các hệ thống khác nhau, giúp quá trình chuyển giao thuận lợi hơn Ngoài ra việc tương thích giữa các hệ thống sẽ làm giảm chi phí thiết kế, xây dựng mạng

 Kênh con hóa

Kỹ thuật kênh con hóa cho phép ánh xạ một số sóng mang phụ vào một kênh con Mỗi kênh con sẽ được cấp cho một trạm thuê bao Các sóng mang phụ của một kênh con không kề nhau mà được lựa chọn nhờ thuật toán lập lịch trình Ví dụ các sóng mang phụ số 1, 3, 5 gán cho kênh con 1; các sóng mang phụ 2, 4, 6 gán cho kênh con 2 Thuật toán lập lịch trình sẽ cho phép lựa chọn các sóng mang phụ tốt nhất cho từng trạm thuê bao thông qua việc đo chất lượng tín hiệu trên từng sóng mang phụ của kênh con được cấp cho trạm thuê bao

Trong đường xuống một kênh con có thể được chia cho các máy thu khác nhau, trong đường lên các trạm thuê bao có thể được gán một hoặc vài kênh con để phát lên.

1.5.4 Kỹ thuật song công TDD và FDD

WiMAX hỗ trợ hai phương thức song công TDD và FDD Trong băng tần được cấp phép, phương thức song công có thể là TDD hoặc FDD Trong băng tần không cấp phép phương thức song công là TDD.

 Song công phân chia theo thời gian TDD (Time Division Duplex)

Các khung dữ liệu đường lên và đường xuống chia sẻ cùng một kênh tần số và được ghép luân phiên theo thời gian Các khung TDD có độ dài cố đinh, chứa một khung đường lên và một khung đường xuống Việc chia khung TDD có tính chất thích nghi, các khoảng thời gian cho một khung TDD có thể là 0,5ms, 1ms hoặc 2ms Khung đường lên lại được chia thành nhiều khe thời gian con nhờ công nghệ OFDM, mỗi khe dành cho một trạm thuê bao SS gửi các khung PHY PDU của mình, mỗi khung PHY PDU có một burst dữ liệu đường lên Khung dữ liệu đường xuống chỉ có một khung PHY PDU, trong đó bao gồm nhiều burst dữ liệu đường xuống

Hình 1.6 Cấu trúc khung OFDM với kỹ thuật song công TDD

Các tham số trong cấu trúc khung OFDM

+ Preamble: tiền đồng bộ, được dùng để thiết lập tính đồng bộ + FCH (Frame Control Header): tiêu đề điều khiển khung+ PDU: đơn vị dữ liệu giao thức

+ Ranging: thiết lập các thông số truyền dẫn chính trong dải cho phép giữa SS và BS để có thể liên lạc được với BS, ví dụ như độ lệch thời gian, mức công suất phát.

 Song công phân chia theo tần số FDD (Frequency Division Duplex)

Đường xuống và đường lên sử dụng hai tần số khác nhau Đường xuống cho phép song công hoàn toàn, đường lên có thể là song công hoàn toàn (SS thu phát đồng thời) hoặc bán song công (SS thu hoặc phát tại một thời điểm).

1.6 Điều chế và mã hóa

Lớp vật lý vô tuyến của WiMAX dựa theo lớp vật lý vô tuyến MAN-OFDM mô tả trong chuẩn 802.16, trên cơ sở kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM

1.6.1 Mã hóa kênh

Mã hóa kênh bao gồm 3 quá trình: ngẫu nhiên hóa, mã hóa FEC, cài xen

a Ngẫu nhiên hóa

Ngẫu nhiên hóa dữ liệu được thực hiện trên mỗi burst dữ liệu cả đường lên và đường xuống Ngẫu nhiên hóa được thực hiện trên từng đường lên hoặc xuống, nghĩa là với một khối dữ liệu (được xác định bởi các kênh con trên miền tần số và các ký hiệu OFDM trên miền thời gian) của mỗi đường sẽ được dùng một cách độc lập.

Mã giả ngẫu nhiên có đa thức sinh 1 + x14 + x15 Mỗi byte dữ liệu được phát sẽ đi vào bộ tạo mã giả ngẫu nhiên một cách tuần tự từ bit già nhất MSB Ngẫu nhiên hóa chỉ áp dụng cho các bit thông tin, không dùng cho bit tiêu đề Các bit sau ngẫu nhiên hóa sẽ được đưa vào bộ mã hóa sửa lỗi trước FEC (Forward Error Correction).

Hình 1.7 Bộ tạo mã giả ngẫu nhiên

b Mã hóa sửa lỗi trước FEC (Forward error correction)

Mã hóa sửa lỗi trước FEC bao gồm việc kết hợp mã Reed-Solomon (RS) bên ngoài và mã xoắn Convolutional code với tỉ lệ phù hợp bên trong, hỗ trợ trên cả đường lên và đường xuống Ngoài ra có thể hỗ trợ mã hóa Turbo khối BTC (Block Turbo Coding) và mã Turbo xoắn CTC (Convolutional Turbo Codes) như các tùy chọn Mã Reed-Solomon – Convolutional coding tỉ lệ ½ luôn được dùng làm chế độ mã hóa khi yêu cầu truy nhập mạng (ngoại trừ trong các chế độ tạo kênh con chỉ sử dụng mã xoắn tỉ lệ ½) và trong burst tiêu đề điều khiển khung FCH (Frame Control Header).

Mã hóa được thực hiện bằng cách biến đổi dữ liệu theo định dạng khối thông qua mã hóa RS và sau đó đưa qua một mã xoắn tận cùng 0 (zero-terminating).

c Cài xen

Tất cả các bit dữ liệu sau khi đã mã hóa sẽ được cài xen bởi một bộ cài xen khối với kích thước tương ứng với số bit đã mã hóa trên các kênh con được cung cấp trên mỗi ký tự OFDM Hàm cài xen được định nghĩa bởi một phép hoán vị 2 bước Bước đầu tiên đảm bảo các bit đã mã hóa gần nhau được ánh xạ vào một sóng mang phụ không kề nhau Phép hoán vị thứ hai đảm bảo các bit đã mã hóa gần nhau được ánh xạ luân phiên vào các bit ít hay nhiều ý nghĩa hơn của chùm ký hiệu, do đó tránh được việc xảy ra các bit có độ tin cậy thấp trong thời gian dài.

1.6.2 Điều chế

a Điều chế số

Sau quá trình đan xen bit, các bit dữ liệu được đưa vào theo thứ tự tới bộ tạo ánh xạ chùm Các kỹ thuật điều chế được hỗ trợ bao gồm BPSK, QPSK ánh xạ Gray, 16 QAM và 64 QAM Các chùm ánh xạ sẽ được khôi phục lại bằng cách ghép chùm

điểm với hệ số chỉ thị c để đạt được công suất trung bình là như nhau.

Hình 1.8 Chòm sao BPSK, QPSK, 16 QAM và 64 QAM

b Điều chế pilot

Sóng mang phụ chứa pilot (mẫu tin dẫn đường) sẽ được chèn vào mỗi burst (nhóm bit) dữ liệu để cấu thành ký tự và được điều chế theo sóng mang xác định bên trong ký tự OFDM Pilot được sử dụng để khôi phục hàm truyền kênh vô tuyến và được lấy ra sau khi giải điều chế OFDM.

c Mã hóa chỉ thị tốc độ

Chỉ thị tốc độ (Rate_ID) được dùng để chỉ thị loại điều chế Chỉ thị tốc độ được mã hóa ở burts đầu tiên ở đường xuống ngay sau tiêu đề điều khiển khung (Frame Control Header – FCH) Chỉ thị tốc độ được mã hóa cố đinh và không thể thay đổi.

d Kỹ thuật điều chế thích ứng

Một trong những đặc điểm nổi bật trong công nghệ WiMAX là việc sử dụng kỹ thuật điều chế thích ứng từ BPSK, QPSK đến 64-QAM để tối ưu hóa quá trình truyền dẫn Mức điều chế phụ thuộc vào chất lượng tín hiệu thông qua tỉ số tí hiệu trên nhiễu SNR Với kênh truyền tốt (có SNR cao) có thể điều chế 64 QAM, khi SNR giảm thì giảm mức điều chế xuống để duy trì chất lượng kết nối và độ ổn định của liên kết Mức điều chế càng cao thì hiệu suất sử dụng băng thông (tính theo số bit/s/Hz) càng lớn nhưng đòi hỏi tỉ số công suất sóng mang trên công suất tạp âm CNR lớn hơn do đó đòi hỏi tỉ số SNR cao hơn, nếu không sẽ làm tăng tỉ lệ lỗi bit

BER Với mức điều chế thấp cho phép với tỉ số SNR thấp mà vẫn có thể đảm bảo BER< 10-3 (giới hạn trên cho tỉ lệ lỗi bit)

Để quyết định lựa chọn mức điều chế hệ thống sẽ dựa trên kết quả đo SNR tại đầu cuối thu và trên cơ sở đảm bảo một tỉ lệ lỗi bit BER cho trước Cụ thể hệ thống sẽ sử dụng lược đồ điều chế thích ứng và đảm bảo BER thấp hơn 10-3 sẽ cho hiệu suất phổ là cao nhất Với SNR<10dB thì phải sử phương pháp điều chế BPSK Với SNR trong khoảng 10dB<SNR<17dB sử dụng phương pháp điều chế BPSK hoặc QPSK, 17dB<SNR<23dB sử dụng điều chế 16 QAM, với SNR>23dB có thể sử dụng mức điều chế 64 QAM.

Hình 1.10 Lược đồ điều chế thích ứng

Các điểm gần trạm gốc BS (trong phạm vi 5km) có tỉ số SNR>23dB nên sẽ sử dụng loại điều chế 64QAM Nhìn chung càng ra xa trạm gốc tỉ số SNR càng giảm do đó mức điều chế giảm Tại rìa vùng phủ sóng khi SNR xuống thấp (khoảng 10dB) sẽ phải sử dụng điều chế BPSK Ngoài ra với các điểm ở gần trạm gốc nhưng bị che khuất bởi nhiều vật cản làm tỉ số SNR giảm cũng có thể sử dụng phương pháp điều chế mức thấp.

1.7 Bảo mật

1.7.1 Kiến trúc bảo mật trong WiMAX

 Bảo mật trong trong WiMAX bao gồm:

- Bảo mật dữ liệu người dùng qua đường truyền không dây

- Chống các truy nhập không cho phép (unauthorized) vào luồng dịch vụ (chống đánh cắp dịch vụ) bằng cách mật mã hóa trên các luồng dịch vụ.

- Mật mã hóa kết nối giữa trạm gốc BS và trạm thuê bao SS.- Cơ cấu bảo mật

+ Nhận thực

+ Điều khiển truy nhập + Mật mã hóa bản tin

+ Phát hiện sự thay đổi trong bản tin (đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu)

+ Quản lý khóa bảo mật: tạo khóa, vận chuyển khóa, bảo vệ khóa, sử dụng khóa. Trong kiến trúc giao thức WiMAX, kiến trúc bảo mật được định nghĩa trong lớp con bảo mật MAC-PS Kiến trúc bảo mật trong WiMAX gồm có hai giao thức thành phần là:

- Giao thức mã mật hóa dữ liệu sử dụng chuẩn mã mật dữ liệu DES (Data Encryption Standard) và có thể sử dụng thêm chuẩn mã mật tiên tiến AES (Advance Encryption Standard)

- Giao thức quản lý khóa bảo mật PKM (Privacy Key Management)

 Giao thức bảo mật của WiMAX dựa trên các liên kết bảo mật SA (security association) Một liên kết bảo mật bao gồm các thông số bảo mật của một kết nối đó là các khóa và các thuật toán mật mã hóa được lựa chọn

Các liên kết bảo mật được chia thành các liên kết bảo mật dữ liệu và các liên kết bảo mật nhận thực

- Liên kết bảo mật dữ liệu (Data SA) bao gồm: + Bộ nhận dạng SA 16 bit.

+ Mật mã bảo vệ dữ liệu sử dụng chuẩn DES.

+ Hai khóa mã mật lưu lượng TEK (Traffic Encryption Key) + Bộ nhận dạng khóa TEK

+ Thời gian sống của TEK.

+ Vector khởi tạo 64bit (vector khởi tạo cho mỗi TEK)- Liên kết bảo mật nhận thực (Authorization SA) bao gồm: + Chứng nhận X.509 của từng trạm thuê bao SS.

+ Khóa nhận thực AK (authorization key) 160 bit + Nhãn nhận dạng AK 4 bit.

+ Thời gian sống của AK.

+ Khóa mã mật khóa KEK (Key Encryption Key).

+ Khóa mã xác nhận bản tin HMAC (Hashed Message Authentication Code) đường xuống và đường lên

+ Danh sách các liên kết bảo mật dữ liệu đã nhận thực.

Hình 1.11 Mô hình bảo mật

Có 3 loại liên kết bảo mật SA là SA cơ bản, SA tĩnh, SA động Mỗi SS được quản lý sẽ được thiết lập một SA sơ cấp trong quá trính khởi tạo liên kết, SA tĩnh được cấp trong BS, SA động được tạo ra và hủy đi theo đáp ứng với quá trình khởi tạo và kết thúc một luồng dịch vụ cụ thể SA tĩnh và SA động có thể chia sẻ với nhiều SS Các SA được xác định bởi nhận dạng liên kết bảo mật SAID (Security Association Identifier).

Các kết nối vận chuyển lưu lượng đều phải ánh xạ đến một SA Các kết nối quản lý thứ cấp phải ánh xạ đến SA cơ bản Các kết nối quản lý cơ bản không cần ánh xạ đến SA.

 Quá trình bảo mật bao gồm 3 quá trình- Nhận thực

- Trao đổi khóa dữ liệu- Mật mã hóa dữ liệu

1.7.2 Bảo mật qua giao diện vô tuyến

a Nhận thực

Hình 1.12 Quá trình nhận thực thuê bao

Trạm thuê bao SS đưa yêu cầu nhận thực tới trạm gốc BS Trạm gốc BS sẽ tiến hành xác nhận thuê bao và trả lời nhận thực Trạm thuê bao SS nhận được khóa nhận

thực AK Toàn bộ quá trình nhận thực được bảo mật bởi các liên kết bảo mật nhận thực Điều này nhằm chống ăn cắp dịch vụ

b Trao đổi khóa dữ liệu

Hình 1.13 Quá trình trao đổi khóa dữ liệu

Trao đổi khóa dữ liệu nhằm ngăn chặn việc đánh cắp thông tin qua giao diện vô tuyến Được thực hiện thông qua việc trao đổi khóa mã mật lưu lượng TEK Trạm thuê bao SS đưa yêu cầu khóa TEK đến trạm gốc BS Trạm gốc BS sẽ tạo khóa TEK và trả lời lại trạm thuê bao SS.

Để bảo mật cho quá trình trao đổi khóa TEK, BS sẽ tạo khóa TEK một cách ngẫu nhiên và mật mã hóa khóa TEK với mã DES gấp 3 (Triple-DES) hoặc mã AES, đều sử dụng khóa mã mật khóa KEK 128 bit Bản tin trao đổi khóa được xác nhận bởi khóa mã xác nhận bản tin HMAC-SHA1.

c Quản lý khóa

Bản tin 1:

BS →SS: Số thứ tự | SAID | HMAC(1)Bản tin 2:

SS →BS: Số thứ tự | SAID | HMAC(2)Bản tin 3:

BS →SS: Số thứ tự | SAID | khóa TEK cũ | khóa TEK mới | HMAC(3)Bản tin 1 dùng trong quá trình tạo một liên kết bảo mật SA mới

Bản tin 3 dùng trong quá trình tạo khóa mã mật lưu lượng TEK mớiKhóa TEK được mã mật hóa với mã DES-ECB gấp ba (Triple-DES-ECB)

Mật mã hóa dữ liệu sử dụng tiêu chuẩn mã mật dữ liệu DES ở chế độ chuỗi liên kết khối mã mật CBC (Cipher Block Chaining):

- Khóa DES 56 bit

- Không có sự phát hiện sự toàn vẹn bản tin

Ngoài ra có thể sử dụng tiêu chuẩn mã mật tiên tiến AES cho quá trình mật mã hóa dữ liệu

Sự mật mã hóa chỉ thực hiện với các bản tin dữ liệu (mật mã hóa dữ liệu tải lưu lượng), không thực hiện với các bản tin mang thông tin quản lý

+ Mạng đường trục cho các nhà cung cấp dịch vụ di động thay thế đường cáp hữu tuyến

+ Mạng đường trục cho mạng truy nhập vô tuyến băng rộng BWA, ví dụ các nhà cung cấp dịch vụ Wifi, WiMAX đồng thời cho phép phủ sóng đến những vùng hẻo lánh mà đường truyền Internet không thể lắp đặt.

+ Mạng ngân hàng: phục vụ việc kết nối các chi nhánh ngân hàng và các điểm đặt máy rút tiền tự động tới trụ sở chính Ưu điểm khi sử dụng WiMAX là khả năng bảo mật cao và có tính linh hoạt cho phép tái lập mạng nhanh chóng khi có sự thay đổi vị trí của các điểm kết nối

+ Mạng giáo dục: kết nối các trường học, tăng cường được công tác quản lý

+ Mạng an toàn công cộng được thiết lập và quản lý bởi các ngành công an, an ninh, giao thông, cứu hỏa, cấp cứu, tìm kiếm cứu nạn Mạng an toàn công cộng cung cấp các thông tin về các vấn đề khẩn cấp WiMAX cho phép thiết lập các mạng vô tuyến tạm thời ngay cả ở nơi đang xảy ra thảm họa (nơi mà mạng hữu tuyến không thể triển khai được), cho phép cung cấp những thông tin cập nhật nhất

+ Mạng thông tin xa bờ kết nối các trung tâm trên bờ với các trạm ngoài biển, sử dụng đường truyền LOS với khoảng cách lên tới 50km.

 Các mạng công cộng được cung cấp cho các đối tượng người dùng riêng lẻ như các hộ gia đình, trung tâm dịch vụ internet, văn phòng, doanh nghiệp, trường học Các dịch vụ được cung cấp phục vụ chủ yếu cho truy nhập internet băng rộng, VoIP, nghe nhạc, xem phim trực tuyến… Khác với mạng riêng, tài nguyên vô tuyến trong mạng công cộng được chia sẻ giữa những người sử dụng Mạng WiMAX cho phép cung cấp các mạng công cộng cho nhiều người sử dụng thỏa mãn được các điều kiện về bảo mật dữ liệu người dùng, chi phí thấp và vùng phủ sóng rộng

1.9 Các ưu điểm của mạng WiMAX

So với việc triển khai các mạng số liệu có dây và không dây khác, mạng WiMAX có những ưu điểm nổi bật sau

► Triển khai nhanh hơn nhưng đầu tư ít hơn

Thời gian lắp đặt và triển khai hệ thống mạng WiMAX ngắn hơn các hệ thống khác So sánh với mạng cáp, hệ thống này sẽ giúp nhà khai thác đưa dịch vụ đến khách hàng nhanh hơn rất nhiều Nói cách khác, chi phí đầu tư sẽ thấp hơn mạng cáp hữu tuyến Ngoài ra mạng WiMAX cho phép triển khai được ở những vùng mà mạng cáp hữu tuyến không thể triển khai được Còn các mạng di động yêu cầu quản lý mạng phức tạp do đó quá trình triển khai chậm hơn cũng như chi phí cao hơn.

► Dung lượng mạng lớn hơn

Tốc độ dữ liệu của trạm gốc WiMAX có thể đạt được 75Mbps trong một sector và cho phép lên đến 300Mbps trong một cell Trong trường hợp làm mạng đường trục (backhaul) tốc độ dữ liệu có thể lên tới vài Gbps (mạng WiMAX cố đinh, đường truyền LOS) Mạng WiMAX có thể cung cấp tốc độ dữ liệu cao nhiều hơn các hệ thống khác như Dial-up, ADSL, DSL và 3G Mạng Wifi về lý thuyết có thể cung cấp tốc độ dữ liệu 54 Mbps nhưng tốc độ dữ liệu thực phụ thuộc kết nối giữa hotpost với đường ADSL hoặc cáp Trạm gốc WiMAX có thể kết nối thông qua đường cáp quang hoặc qua các backhaul WiMAX, trong đó khả năng lớn nhất là sử dụng các backhaul

► Độ bảo mật cao

Hệ thống WiMAX có sử dụng bộ lọc địa chỉ IP/MAC, mật khẩu, trên các giao diện vô tuyến sử dụng các phương thức bảo mật tiên tiến Toàn bộ các quá trình nhận thực, thiết lập kết nối được quản lý bởi giao thức quản lý khóa bảo mật và các liên kết bảo mật đi kèm từng kết nối Dữ liệu được mã hóa bảo mật theo chuẩn DES, AES.

► Kỹ thuật OFDM

Kỹ thuật OFDM cho phép giảm nhiễu ISI, tăng hiệu suất sử dụng phổ, giảm lỗi đường truyền cho phép đảm bảo tốt chất lượng tín hiệu thu OFDM đặc biệt hiệu quả trong truyền dẫn đa đường trong môi trường NLOS.

► Kỹ thuật điều chế thích ứng

Kỹ thuật điều chế thích ứng cho phép hệ thống phản ứng linh hoạt với chất lượng đường truyền, khi tỉ số SNR giảm thì mức điều chế giảm để đảm bảo tỉ lệ lỗi bit đạt mức tiêu chuẩn (tỉ lệ lỗi bit BER không vượt quá 10-3).

►Khả năng điều chỉnh dung lượng dễ dàng

Công nghệ WiMAX cho phép việc sử dụng băng thông một cách mềm dẻo Tùy theo điều kiện sử dụng mà có thể lựa chọn các băng thông từ 3.5 MHz, 5 MHz, 10 MHz và tối đa 20 MHz Khi đó có thể tăng dung lượng mạng theo yêu cầu Đối với Wifi thì băng thông cố đinh là 20 MHz.

Hình 1.15 Khả năng mở rộng dung lượng của một trạm gốc BS(nguồn nhà cung cấp thiết bị WiMAX Alvarion)

Xét một ví dụ một trạm phát WiMAX sử dụng các modun kết nối số liệu, mỗi modun sử dụng băng thông 3.5 MHz Trong giai đoạn đầu tiên, số lượng thuê bao ít, dung lượng mạng yêu cầu thấp ta có thể sử dụng một modun thu phát sử dụng băng

thông 3.5 MHz, mỗi modun cho phép tốc độ dữ liệu 18 Mbps Khi số thuê bao tăng lên, khi đó chỉ cần lắp thêm modun và tăng băng thông lên để tăng dung lượng mạng Với 4 modun có thể đạt được dung lượng tối đa 72 Mbps

►Hiện nay công nghệ WiMAX đang được hỗ trợ bởi nhiều nhà sản xuất thiết bị viễn thông Với phiên bản thiết bị (Multiple vendors) sẽ cho phép giảm rủi ro cho các công ty kinh doanh dịch vụ WiMAX nhờ khả năng lựa chọn thiết bị và sự cạnh tranh

giữa các nhà cung cấp Ngoài ra hệ thống WiMAX có nhiều cơ sở về công nghệ và

kỹ thuật cho các giải pháp hiệu quả và cạnh tranh.+ Chipset theo tiêu chuẩn.

+ Công nghệ mới giúp giảm sản xuất chi phí dẫn đến giá thành thiết bị giảm

+ Khả năng tích hợp chip tương thích WiMAX bên trong laptops và PDA cũng như các thiết bị di động khác (tương tự Wifi) do đó chi phí thiết bị đầu cuối CPE sẽ giảm rất nhiều (người dùng không cần mua các anten hoặc card chuyên dụng)

► Dịch vụ phong phú

Mạng WiMAX cho phép cung cấp nhiều loại hình dịch vụ khác nhau cho các tổ chức, doanh nghiệp, hộ gia đình và cá nhân Tất cả các dịch vụ đều được đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS.

+ Dịch vụ thoại truyền thống hoặc thoại qua internet (VoIP)+ Truy cập internet tốc độ cao

+ Hội nghị truyền hình+ Mạng riêng ảo+ Truyền hình di động

+ Giải trí trực tuyến và nhiều dịch vụ gia tăng khác

Các dich vụ phong phú và chất lượng dịch vụ cao với mức cước không quá lớn là điểm hấp dẫn của công nghệ WiMAX

Tổng kết chương 1

Qua sự tìm hiểu, phân tích các khái niệm và đặc điểm của công nghệ WiMAX chúng ta đã thấy được WiMAX là một công nghệ tiên tiến, là bước đột phá trong công nghệ truy nhập vô tuyến băng thông rộng hiện nay Việc tìm hiểu các công nghệ

và khả năng ứng dụng của mạng WiMAX cố đinh là cơ sở để tiến hành việc xây dựng thiết kế một mạng WiMAX cố đinh & di trú trong thực tế Thêm vào đó nhu cầu sử dụng các dịch vụ số liệu không dây ngày càng tăng, cho phép tin tưởng vào sự thành công của WiMAX

2.1 Mục đích thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú

Bài toán thiết kế mạng WiMAX cố đinh nhằm thực hiện các mục đích chính

► Đáp ứng nhu cầu sử dụng dịch vụ số liệu không dây tốc độ cao (truy nhập vô tuyến băng thông rộng) ngày càng tăng

► Cung cấp một dải rộng các ứng dụng đa dịch vụ, tốc độ cao với chất lượng đảm bảo, đặc biệt là các ứng dụng đòi hỏi thời gian thực

► Thỏa mãn tính đa dạng trong công nghệ truy nhập vô tuyến và hỗ trợ các mạng truy nhập vô tuyến hiện tại như mạng di động, các hotspot của Wifi

► Theo xu hướng phát triển và ứng dụng công nghệ mới

► Thành phố Hà Nội luôn là nơi được triển khai sớm các công nghệ mới, gần đây nhất là truyền hình di động, dịch vụ điện thoại cố đinh & di trú không dây

2.2 Bài toán thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú

2.2.1 Các tham số hệ thống của mạng WiMAX cố đinh & di trú

Trước khi thực hiện bài toán thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú chúng ta phải biết các tham số hệ thống cho một mạng WiMAX cố đinh & di trú Các tham số hệ thống này được xác định theo yêu cầu thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú và phụ thuộc vào chính sách của từng quốc gia Ví dụ băng tần hoạt động có thể là 2.3