WiMAX di động: Tổng quan kỹ thuật - đánh giá hoạt động (phần 2)

1 WiMAX di động: Tổng quan kỹ thuật - đánh giá hoạt động (phần 2) Đỗ Ngọc Anh 3. Các đặc tính cao cấp của WiMAX di động 3.1. Các công nghệ Anten thông minh Các công nghệ anten thông minh bao gồm các toán tử véctơ hoặc ma trận phức tạp tác động lên các tín hiệu do hệ thống nhiều anten. OFDMA cho phép các hoạt động anten thông minh được thực hiện trên các sóng mang con véctơ phẳng. Các bộ cân bằng phức tạp không phải bù fading lựa chọn tần số. Vì vậy OFDMA rất thích hợp hỗ trợ các công nghệ anten thông minh. Trong thực tế, MIMO-OFDM/OFDMA được hình dung như là cơ sở nền tảng cho các hệ thống truyền thông băng rộng th ế hệ mới. WiMAX di động hỗ trợ một dải rộng các công nghệ anten thông minh để nâng cao hiệu suất hệ thống. Các công nghệ anten thông minh được hỗ trợ gồm: - Tạo chum (beamforming): Nhờ khả năng tạo chùm, hệ thống sử dụng nhiều anten để truyền các tín hiệu quan trọng để nâng cao dung lượng và khả năng phủ sóng của hệ thống cũng như giảm khả năng m ất dịch vụ. - Mã không gian - thời gian (Space Time Code – STC): Hỗ trợ phân tập truyền như mã Alamouti để cung cấp khả năng phân tập không gian và giảm dự trữ suy hao tín hiệu. - Ghép kênh không gian (SM): Hỗ trợ ghép kênh không gian để tận dụng tốc độ đỉnh cao hơn và giảm thông lượng. Nhờ ghép kênh không gian, nhiều luồng sẽ được truyền trên hệ thống nhiều anten. Nếu phía thu cũng có hệ thống nhiều anten, nó có thể phân tách các luồng khác nhau để đạt được thông lượng cao hơn so với các hệ thống đơn anten. Với hệ thống MIMO 2x2, SM tăng tốc đốc độ dữ liệu đỉnh gấp 2 lần. Ở đường lên (UL), mỗi người dùng chỉ có một anten phát, 2 người dùng có thể truyền cùng với nhau trong cùng một khe thời gian giống như hai luồng được ghép kênh không gian từ hai anten của cùng một người dùng. Quá trình như vậy gọi là SM cùng UL. Các đặc tính hỗ trợ trong WiMAX di động được liệt kê trong bảng 5. Bảng 5: Các tuỳ chọn của Anten cao cấp Liên kết Dạng tia Mã hóa Không gian-Thời gian Đa phương DL Nt≥2, Nr≥1 3 Nt=2, Nr≥1 Ma trận A Nt=2, Nr≥2 Ma trận B, Mã hóa dọc UL Nt≥1, Nr≥2 N/A Nt=1, Nr≥2 Hai người dùng cộng tác SM WiMAX di động hỗ trợ khả năng chuyển đổi lựa chọn thích nghi để khai thác tối đa lợi ích của các công nghệ anten thông minh trong các tình trạng kênh truyền khác nhau. Ví dụ, SM cải thiện thông lượng đỉnh. Mặc dù, điều kiện kênh không tốt, tỉ lệ lỗi gói tin PER có thể cao và do vậy vùng phủ sóng với tỉ lệ PER yêu cầu sẽ bị hạn chế. Ngoài ra STC còn cung cấp khả năng phủ sóng rộng bất ch ấp tình trạng kênh truyền nhưng lại không cải thiện được tốc độ dữ liệu gói. WiMAX di động còn hỗ trợ lựa chọn MIMO thích nghi (Adaptive MIMO Switching – ÁM) giữa các chế độ đa MIMO để sử dụng tối đa hiệu suất phổ mà vùng phủ sõng không bị giảm. Hình 9 chỉ ra cấu trúc hỗ trợ các đặc tính anten thông minh. 2 Bảng dưới đây tổng kết tốc độ dữ liệu đỉnh lý thuyết với các tỉ lệ DL/UL khác nhau giả định băng thông kênh la 10MHz, độ rộng khung là 5ms gồm 44 biểu trưng dữ liệu OFDM (trong tổng số 48 biểu trưng OFDM) và kênh con hoá kiểu PUSC. Với hệ thống MIMO 2x2, hướng xuống của người dùng và tốc độ dữ liệu đỉnh sector có thể gấp đôi (theo lý thuyết). Tốc độ dữ li ệu đỉnh tối đa hướng xuống (DL) là 63.36 Mbps khi tất cả biểu trưng dữ liệu chỉ dành cho hướng xuống (DL). Với đường lên UL cùng SM, tốc độ dữ liệu đỉnh sector được nhân đôi trong khi tốc độ dữ liệu đỉnh người dùng không đổi. Tốc độ dữ liệu đỉnh người dùng hướng lên và tốc độ dữ liệu đỉnh sector lần lượt là 14.11 Mbps và 28.22 Mbps khi tất cả các biểu trư ng dữ liệu chỉ dành rcho hướng lên (UL). Bằng cách áp dụng các tỉ lệ DL/UL khác nhau, băng thông có thể được điều chỉnh giữa DL và UL để cung cấp các mẫu lưu lượng khác nhau. Cần chú ý là hiếm khi có Bảng 6: Các tốc độ dữ liệu cho các cấu hình SIMO/MIMO (Cho kênh 10MHz, độ dài khung 5ms, kênh con PUSC, 44 biểu trưng OFDM dữ liệu) Tỷ số DL/UL 1:0 3:1 2:1 3:2 1:1 0:1 DL 31.68 23.04 20.16 18.72 15.84 0 SIMO (1x2) UL 0 4.03 5.04 6.05 7.06 17.11 DL 63.36 46.08 40.32 37.44 31.68 0 Tỷ lệ tối đa người dùng (Mbps) MIMO (2x2) UL 0 4.03 5.04 6.05 7.06 16.11 DL 31.68 23.04 20.16 18.72 15.84 0 SIMO (1x2) UL 0 4.03 5.04 6.05 7.06 14.11 DL 63.36 46.08 40.32 37.44 31.68 0 Tỷ lệ tối đa vùng (Mbps) MIMO (2x2) UL 0 8.06 10.08 12.10 14.12 28.22 Hình 9: Chuyển mạch thích ứng cho anten thông minh S 8 S 7 S 6 S 5 S 4 S 3 S 2 S 1 Bộ mã hóa Bộ giải mã Ánh xạ ký hiệu Bộ mã hóa STC VSM Ánh xạ Sub-CH IFFT IFFT IFFT IFFT IFFT IFFT IFFT IFFT IFFT Ánh xạ bộ giải mã Ánh xạ Sub-CH Ánh xạ Sub-CH W -S* 4 S 3 -S* 2 S 1 S* 3 S 4 S* 1 S 2 S 7 S 5 S 3 S 1 S 8 S 6 S 4 S 2 AMS Tải trọng dạng sóng 3 3.2. Sử dụng lại tần số WiMAX di động hỗ trợ sử dụng lại một tần số trên tất cả các cell (sector) trên cùng một kênh tần số để tận dụng tối đa hiệu quả sử dụng phổ. Tuy nhiên, do nhiễu đồng kênh lớn (CCI) trong việc triển khai sử dụng lại một tần số, người dùng ở các vùng biên cell sẽ bị suy giảm chất lượng kết nối. Nhưng với WiMAX di động, người dùng hoạ t động trên các kênh con mà chỉ chiếm một phần nhỏ trên toàn bộ băng thông kênh truyền; vấn đề nhiễu đường biên ô có thể dễ dàng đánh địa chỉ bởi sự sử dụng kênh con cấu hình thích hợp mà không sử dụng đến kế hoạch tần số truyền thống. Trong di động Wimax, việc sử dụng kênh con linh hoạt được thực hiện dễ dàng bởi phân đoạn kênh con và vùng hoán vị. Một phân đoạ n là một sự phân mảnh của các kênh con OFDMA sẵn có (một đoạn có thể gồm toàn bộ các kênh con). Một đoạn được sử dụng để triển khai một trường hợp đơn lẻ của MAC. Vùng hoán vị là một số lượng các ký hiệu OFDMA liền kề trong DL hoặc UL mà sử dụng cùng hoán vị. Khung con DL hoặc UL bao gồm nhiều hơn một vùng hoán vị được chỉ ra như hình 9. Mẫu sử dụng lại tần số kênh con được cấu hình để người dung gần trạm gốc hoạt động trong khu vực sẵn có các kênh con. Còn đối với người dùng ở đường biên, mỗi cell hoạt động trên vùng chỉ có một phần kênh con sẵn có. Trong hình 11, F1, F2 và F3 biểu thị các tập kênh con khác nhau trong cùng một kênh tần số. Với cấu hình như vậy, một mẫu sử dụng lại tần số đủ tải sẽ được duy trì cho ngườ i dùng ở trung tâm để tối đa hiệu suất phổ và sử dụng lại tần số một phần được thực hiện cho các thuê bao ở đường biên để đảm bảo thông lượng và chất lượng kết nối. Kế hoạch sử dụng lại kênh con có thể được tối ưu theo cell trên cơ sở tải mạng và tình trạng nhiễu khung. Do vậy tất cả các cell có thể hoạt động trên cùng kênh t ần số mà không cần hoạch định tần số. Dịch vụ Multicast và Broadcast – MBS Dịch vụ MBS trong WiMAX di động kết hợp các đặc tính tốt nhất của DVB-H, MediaFLO và 3GPP E-UTRA, thoả mãn những yêu cầu sau: - Tốc độ dữ liệu cao và khả năng phủ sóng sử dụng mạng một tần số (SFN) - Cấp phát tài nguyên vô tuyến linh động - MS tiêu thụ năng lượng thấp - Hỗ trợ dữ liệu ngang hàng bao gồm các luồng audio và video - Thời gian chuyển mạch kênh nhỏ Hồ sơ WiMAX di động phát hành lầ n 1 định nghĩa một hộp công cụ để phân phối các dịch vụ MBS. Dịch vụ MBS này có thể được hỗ trở bởi sự xây dựng một vùng MBS tách biệt ở khung đường xuống có kèm dịch vụ unicast (nhúng MBS) hoặc toàn bộ khung có thể được dành riêng cho MBS (chỉ đường xuống) cho riêng dịch vụ quảng bá. Hình 12 chỉ ra cấu trúc vùng DL/UL khi kết hợp cả dịch vụ unicast và broadcast. Vùng MBS hỗ trợ chế độ multi-BS MBS sử dụ ng mạng một tần số (SFN) và khoảng thời gian linh động của các vùng MBS cho phép ấn định mềm dẻo tài nguyên vô tuyến cho MBS. Cần chú ý là các vùng đa MBS cũng khả thi. Chỉ có một ký hiệu MAP IE cho mỗi vùng MBS. MS sẽ truy nhập DL MAP để nhận diện các vùng MBS và các vị trí của các MAP của MBS ở mỗi vùng. MS có thể lần lượt đọc MAP của MBS mà không cần tham chiếu đến DL MAP trừ khi mất đồng bộ với MAP của MBS. MAP IE của MBS xác định cấ u hình PHY vùng MBS và xác định vị trí của mỗi vùng MBS thông qua tham số Offset của biểu trưng OFDM. MAP của MBS được đặt ở kênh con đầu tiên của biểu trưng OFDM thứ nhất của vùng MBS tương ứng. MBS nhiều BS không yêu cầu MS phải đăng ký với bất kỳ trạm gốc nào. MBS có thể được truy nhập khi MS ở trạng thái rỗi (Idle) cho phép MS tiêu thụ công suất 4 thấp. Sự linh hoạt của WiMAX di động cũng hỗ trợ tích hợp MBS và các dịch vụ unicast đem lại nhiều ứng dụng hơn. (Còn tiếp) . 1 WiMAX di động: Tổng quan kỹ thuật - đánh giá hoạt động (phần 2) Đỗ Ngọc Anh 3. Các đặc tính cao cấp của WiMAX di động 3.1. Các công. linh động - MS tiêu thụ năng lượng thấp - Hỗ trợ dữ liệu ngang hàng bao gồm các luồng audio và video - Thời gian chuyển mạch kênh nhỏ Hồ sơ WiMAX di động