Nghiên cứu tiêu chuẩn 802.16e và ứng dụng triển khai trên mạng nội hạt

Nghiên cứu tiêu chuẩn 802.16e và ứng dụng triển khai trên mạng nội hạt

LỜI MỞ ĐẦU

Trong bối cảnh sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ truyền thông vôtuyến băng rộng qua khoảng cách xa, nhiều công nghệ nổi lên như để chứng tỏ tiềm năngvà tính khả thi của mình như công nghệ DSL, ADSL, WiFi Nhưng cho tới nay tất cảnhững công nghệ này tuy hiện nay rất phổ biến nhưng dường như vẫn không đáp ứngđược nhu cầu ngày càng cao của người dùng về mặt tốc độ, khả năng phủ sóng…WiMAX nói chung và đặc biệt là WiMAX di động nói riêng với những đặc tính vượt trộiđã chứng tỏ mình là một giải pháp tích cực có thể giải quyết các vấn đề đa truy nhập vềmặt chi phí lắp đặt, khoảng cách phủ sóng, tốc độ đường truyền, đồng thời thu hút đượcsự tham gia hợp tác của các tập đoàn điện tử lớn trong việc sản xuất thúc đẩy sự hoànthiện của công nghệ mới này

Đề tài khóa luận tốt nghiệp với tiêu đề: “Nghiên cứu tiêu chuẩn 802.16e và ứngdụng triển khai trên mạng nội hạt” được thực hiện nhằm mục đích tìm hiểu tổng quan

về công nghệ WiMAX di động đồng thời nghiên cứu tình hình triển khai của công nghệmới này trong điều kiện thực tế ở Việt Nam để trả lời các câu hỏi như: “Tại sao công nghệmới này lại hấp dẫn các nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến băng rộng cũng như các kháchhàng như vậy?” và “Quá trình triển khai trên thực tế được thực hiện như thế nào, kết quảthu được là gì?” Đồng thời, việc nghiên cứu tìm hiểu về WiMAX di động trong tình hìnhmạng viễn thông Việt Nam hiện nay là điều cần thiết không chỉ đối với thị trường nóichung cũng như các các nhà quản lý mà quan trọng hơn sẽ giúp trang bị cho sinh viênkhoa điện tử - viễn thông của trường Đại học Công Nghệ những nền tảng kiến thức thựctế cơ bản về việc ứng dụng và phát triển công nghệ mới này.

Trên cơ sở những thông tin có sẵn từ các tài liệu trong và ngoài nước, phần nội dungcủa bài viết được thực hiện thông qua đọc và phân tích đồng thời nêu lên quan điểm củabản thân về những vấn đề cần nghiên cứu Nội dung bài khóa luận bao gồm 2 phần chính:

 Chương 1: Tổng quan về chuẩn 802.16e và WiMAX di động. Chương 2: Các đặc tính kỹ thuật của WiMAX di động.

 Chương 3: Ứng dụng triển khai WiMAX di động trên mạng nội hạt tại Việt Nam

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

MỤC LỤC 2-4DANH MỤC HÌNH VẼ 5-6DANH MỤC BẢNG 7

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 8-11CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHUẨN 802.16e VÀ WiMAX DI ĐỘNG 12

1.1 Giới thiệu chung về WiMAX di động 12

1.2 Mô hình hệ thống 14

1.3 Kiến trúc mạng WiMAX di động 15

1.4 Kỹ thuật truyền thông số 16

1.4.1 Mô tả lớp vật lý 16

1.4.1.1 Các khái niêm cơ bản về OFDM 16

1.4.1.2 Cấu trúc ký hiệu OFDMA và kênh con hóa 19

1.4.1.3 SOFDMA theo tỷ lệ (S-OFDMA) 22

1.4.1.4 So sánh OFDM và OFDMA 23

CHƯƠNG 2: CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA WIMAX DI ĐỘNG 26

2.1 Cấu trúc khung TDD 26

2.2 Các đặc điểm lớp PHY cải tiến khác 28

2.3 Mô tả lớp MAC (Media Access Control) 30

2.3.1 Dịch vụ lập lịch MAC 32

2.3.2 Hỗ trợ QoS 33

2.3.3 Quản lý nguồn 35

2.3.4 Quản lý di động 36

2.3.6 Truy nhập kênh truyền 38

2.4 Các đặc điểm cải tiến của WiMAX di động 39

2.4.1 Công nghệ anten thông minh 39

2.4.1.1 MIMO 39

2.4.1.2 Công nghệ anten thông minh 40

2.4.2 Sử dụng lại tần số phân đoạn 42

2.6.5 Khả năng mở rộng, vùng bao phủ và lựa chọn nhà khai thác 53

2.6.6 Khả năng liên hoạt động của đa nhà sản xuất 54

2.6.7 Chất lượng dịch vụ 54

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG TRIỂN KHAI WiMAX DI ĐỘNG TRÊN MẠNG NỘI HẠT TẠI VIỆT NAM 55

3.1 Tổng quan 55

3.2 Triển khai WIMAX di động của công ty Viễn Thông Hà Nội (HNPT) 56

3.2.1 Mục tiêu triển khai 56

3.2.1.1 Yêu cầu về dịch vụ cho hệ thống truy nhập vô tuyến băng rộng 56

3.2.1.2 Đối tượng khách hàng của hệ thống truy nhập vô tuyến băng rộng .56

3.2.2 Qui mô triển khai WIMAX di động tại Hà Nội 56

3.2.3 Phối hợp thử nghiệm triển khai Wimax giữa Motorola và HNPT 57

3.2.3.1 Mục đích của cuộc Phối hợp Thử nghiệm Công nghệ (PTC) 59

3.2.3.2 Nội dung công việc triển khai 69

3.2.3.3 Sơ đồ chung về mạng của ULAP WiMAX 70

3.2.3.4 Các thành phần hệ thống và thiết bị kiểm tra được yêu cầu 71

3.2.4.1.6 Thử nghiệm VOIP với VOIP Server và Voice Gateway 80

3.2.5 Kết quả thử nghiệm triển khai Wimax di động 82

KẾT LUẬN CHUNG 83

TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Profile hệ thống WiMAX di độngHình 1.2: Lộ trình phát triển công nghệ WiMAXHình 1.3: Mô hình hệ thống WiMAX

Hình 1.4: Kiến trục mạng WiMAX di độngHình 1.5: Phân chia luồng số liệu trong OFDMHình 1.6: Mặt cắt của Cyclic Prefix

Hình 1.7: Mật độ phổ năng lượng của tin hiệu điều chế OFDMHình 1.8: Miền tần số OFDM

Hình 1.9: Mô hình kênh con hóa OFDMHình 1.10: Cấu trúc sóng mang con OFDMA

Hình 1.11: Sự phân bổ pilot và dữ liệu trong các ký hiệu chẵn lẻHình 1.12: Cấu trúc tile của UL PUSC

Hình 2.6 : Kỹ thuật MIMO

Hình 2.7: Chuyển mạch thích ứng cho anten thông minhHình 2.8 Cấu trúc khung đa miền

Hình 2.9: Sử dụng lại tần số

Hình 2.10: Hỗ trợ MBS nhúng với những vùng WiMAX-MBS di độngHình 2.11: Mô hình tham chiếu mạng WIMAX

Hình 2.12: Cấu trúc mạng WiMAX trên nền IP

Hình 3.1: Sơ đồ các khu vực triển khai WiMAX di độngHình 3.2: Cấu hình sản phẩm Ultra Light

Hình 3.3: Cấu hình sản phẩm ULAP

Hình 3.4: Framework quản lý các phần tử ULAPHình 3.5: Cấu hình cell điển hình (4 sector)Hình 3.6: Module thuê bao ngoài trờiHình 3.7: Cấu hình đa sector của ULAPHình 3.8: Cấu hình mạng chung ULAPHình 3.9: Cấu hình mạng

Hình 3.10: Cấu hình thử nghiệm WiMAX di động của HNPTHình 3.11: Thử nghiệm dịch vụ truyền file FTP

Hình 3.12: Thử nghiệm dịch vụ duyệt Web intranetHình 3.13: Thử nghiệm dịch vụ duyệt Web internetHình 3.14: Thử nghiệm dịch vụ VOIP PC-to-PCHình 3.15: Thử nghiệm dịch vụ Game trực tuyếnHình 3.16: Thử nghiệm dịch vụ mạng riêng ảo VPNHình 3.17: SM built-in DHCP Server

Hình 3.18: External DHCP Server

Hình 3.19: Thử nghiệm VOIP với VOIP server (HNPT) và Voice Gateway (HNPT)

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Các tham số tỉ lệ OFDMA

Bảng 2.1: Các kỹ thuật mã hóa và điều chế được hỗ trợ

Bảng 2.2: Tốc độ dữ liệu PHY với các kênh con PUSC trong WiMAX di độngBảng 2.3: Các dịch vụ trong QoS

Bảng 2.4: Các tùy chọn của Anten cao cấp

Bảng 2.5: Các tốc độ dữ liệu cho các cấu hình SIMO/MIMOBảng 3.1: Tổng hợp những đặc tính kỹ thuật chính của ULAPBảng3.2: Đặc tính kỹ thuật vô tuyến của ULAP

Bảng 3.4: Đặc tính kỹ thuật anten của ULAP

Bảng 3.5: Các thông số kỹ thuật Module và Anten thuê bao

Bảng 3.6: Các thông số kỹ thuật Module và Anten thuê bao (tiếp )

CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

AAA Authentication, authorization and Account

Nhận thực, cấp phép và lập tài khoản

ADSL Asymmetric Digital Subcriber Line Đường dây thuê bao bất đối xứng

AES-CCM AES-CCM-based authenticated encryption

Thuật toán bảo mật mã hoã nhật thực

AMC Adaptive Modulation and Coding Điều chế và mã hóa thích ứng

ARPU Average Revenue Per User Chỉ số doanh thu bình quân của một thuê bao/thángASN gateway Access Service Network Mạng dịch vụ truy nhập

CCMP Cipher Block Chaining Message

Authentication Code Protocol Giao thức CCMP

CQI Channel quality indicator Chỉ thị chất lượng kênhCQI Channel quality indicator Một kênh chỉ thị chất lượng

DHCP Dynamic Host Configuration Protocol Giao thức cấu hình Host động

EAP Extensible Authentication Protocol Giao thức xác thực có thể mởrộng

EAP Extensible Authentication Protocol Giao thức xác thực mở rộngFBSS Fast Base Station Switching Chuyển mạch trạm gốc

FDMA Frequence Division Mutiplexing Access

Đa truy nhập phân chia theo tần số

HARQ Hybrid Automatic Retransmission Request

Yêu cầu truyền lại tự động kết nối

HMAC Hashed Message Authentication Code Khóa mã nhận thực bản tin băm

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

Viện các kỹ sư điện và điện tử

MAI Multi Access Interfearence Nhiễu đa truy xuất

MDHO Macro Diversity Handover Handover chuyển giao phân tập vĩ mô

MIMO Multiple-input and multiple-output Kỹ thuật sử dụng nhiều

ăng-ten phát và nhiều ăng-ăng-ten thu để truyền và nhận dữ liệu

NAP Network Access Provider Nhà cung cấp truy nhập mạng

NRM Network Reference Model Mô hình tham chiếu mạngNSP Network Service Provider Nhà cung câp dịch vụ mạngOFDM Orthogonal Frequency Division

PKM Protocal of Key Management Phương thức quản lý khóa

QPSK Quadratura Phase Shift Keying Khóa chuyển pha cầu phươngRTG Receive Transition Gap Khoảng trống chuyển giao

đầu thu

RUIM Removable User Identity Module Mô đun xác nhận người sử dụng có thể di chuyển được

SIM Subscriber Identity Module Mô dun xác nhận thuê baoSNMP Simple Network management Giao thức quản lí mạng

Protocol đơn giản

SOFDMA Scalable Orthogonal Frequency Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tầnsố trực giao theo tỉ lệ

SSCS Specify Services Convergence Sublayer

Lớp con hội tụ các dịch vụ riêng

TDMA Time Division Multiplexing Access

Đa truy nhập phân chia theo thời gian

TTG Transmit Transition Gap Khoảng trống chuyển giao đầu phát

WAC Wireless Access Controlle Điều khiển truy cập không dây

WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access

Khả năng tương tác toàn cầu với truy nhập vi ba

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHUẨN 802.16E VÀ WiMAX DI ĐỘNG1.1 Giới thiệu chung về WiMAX di động

WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access - Khả năng tương táctoàn cầu với truy nhập vi ba) là một công nghệ ra đời dựa trên các chuẩn 802.11 và802.16 của IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers – Viện các kỹ sư điệnvà điện tử) cho phép truy cập vô tuyến đầu cuối như một phương thức thay thế cho cáp,DSL, ADSL hoặc hệ thống cáp quang tốn kém Hệ thống WiMAX, theo như WiMAXForum, cho phép kết nối băng rộng vô tuyến cố định, nomandic - trong đó người sử dụngcó thể di chuyển nhưng cố định trong lúc kết nối, mang xách được trong đó người sửdụng có thể di chuyển ở tốc độ đi bộ, di động với khả năng phủ sóng của một trạm antenphát lên đến 50 km dưới các điều kiện tầm nhìn thẳng (LOS – Line of sight) và bán kínhcell lên tới 8km không theo tầm nhìn thẳng (NLOS – Non line of sight).

Trong họ IEEE 802.16 nổi bật nhất là chuẩn 802.16e – 2005 với khả năng đáp ứngcác ứng dụng cố định và đặc biệt là các dịch vụ di động, nên còn được gọi là WiMAX diđộng Chuẩn này đánh dấu sự phát triển vượt bậc trong khả năng đáp ứng nhu cầu sửdụng ngày càng cao của người dùng Với những thuộc tính vượt trội đặc biệt về tốc độđường truyền số liệu lên tới 64Mbps downlink và 28Mbps uplink khả năng cung ứng diđộng tối đa lên tới 120km/h, và bán kính phủ lên tới 1/5/30km, WiMAX di động đang dầnchứng tỏ mình là một công nghệ quan trọng trong lĩnh vực cung cấp giải pháp Internetbăng rộng di động và là một đối thủ cạnh tranh đáng gờm đối với mạng thông tin di động3G LTE trong việc cung ứng các dịch vụ tương tự như thoại VoIP, Internet di động hayTV di động.

WiMAX di động sẽ là một giải pháp vô tuyến băng rộng cho phép hội tụ mạng băngrộng cố định và di động thông qua công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng trên diện rộngvà kiến trúc mạng mềm dẻo Giao diện vô tuyến WiMAX di động sử dụng phương thứcđa truy nhập chia theo tần số trực giao (OFDMA) để cải thiện vấn đề đa đường trong môitrường NLOS Phương thức OFDMA scalable (SOFDMA) được sử dụng trong bản bổxung IEEE 802.16e để hỗ trợ băng tần kênh thay đổi từ 1.25 tới 20 Mhz Hiện nay, mộtprofile hệ thống WiMAX di động đang được phát triển nhằm xác định các đặc điểm bắtbuộc và tuỳ chọn của chuẩn IEEE để xây dựng các giao diện vô tuyến tuân theo WiMAXdi động Profile hệ thống WiMAX di động này cho phép hệ thống di động được cấu hìnhdựa trên tập hợp các đặc điểm chung do đó đảm bảo các cho đầu cuối và trạm gốc có thểliên hoạt động Một vài đặc điểm tuỳ chọn của profile trạm gốc được đưa ra nhằm tạo nênsự mềm dẻo trong việc triển khai các cấu hình khác nhau với điều kiện hoặc tối ưu về khảnăng hoặc về vùng phủ Profile WiMAX di động sẽ bao gồm độ rộng kênh 5, 6, 8.75 và10 MHz trong băng tần số 2.3 GHz, 2.5 GHz và 3.5 GHz 002E

Hình 1.1: Profile hệ thống WiMAX di động

Hiện nay, một nhóm làm việc mạng của diễn đàn WiMAX đang phát triển các tiêuchuẩn kỹ thuật mạng “mức cao” cho hệ thống WiMAX di động mà trong chuẩn IEEE802.16 mới chỉ giải quyết các vấn đề đơn giản của các phần giao diện vô tuyến Nhómnày cũng đang nghiên cứu phiên bản khác là 802.16m với mục đích đẩy tốc độ dữ liệucủa WiMAX lên hơn nữa trong khi vẫn tương thích với WiMAX cố định và di động đã vàđang được triển khai Phiên bản này theo dự kiến sẽ được hoàn thiện vào cuối năm 2009,như là một bước tiến để vượt trội hơn 3G LTE và xâm nhập sâu rộng hơn vào thị trườngdi động hiện nay Phiên bản 802.16m sẽ vẫn dựa trên kỹ thuật ăng-ten MIMO trên nềncông nghệ đa truy nhập OFDMA với số lượng ăngten phát và thu nhiều hơn WiMAX diđộng « Wave 2 » 802.16m trang bị 4 ăng-ten phát và 4 ăng-ten thu sẽ có thể đẩy tốc độtruyền lên lớn hơn 350Mbps Theo dự kiến,WiMAX Release 2 với sự hoàn thiện của802.16m sẽ hoàn thành vào cuối năm 2009 và có thể bắt đầu triển khai dịch vụ từ 2010.Hình 1.2 dưới đây thể hiện lộ trình phát triển của công nghệ WiMAX đã, đang và sẽ xuấthiện

Hình 1.2: Lộ trình phát triển công nghệ WiMAX

Hình 1.3: Mô hình hệ thống WiMAX

1.3 Kiến trúc mạng WiMAX di động

Hình 1.4: Kiến trúc mạng WiMAX di động

Ta thấy để thiết lập một mạng WiMAX hay WiMAX di động ta cần có các trạmphát BS (giống BTS của mạng thông tin di động) Nhiều BS sẽ được kết nối, quản lý bởimột ASN (Access Service Network) gateway ASN Gateway này là thực thể miêu tả trongWiMAX Forum, tuy nhiên trong các mạng triển khai thực tế thì người ta hay gọi là WAC(WiMAX hay Wireless Access Controller) Nhiều WAC tập hợp lại tạo thành một ASN.Nhiều ASN của cùng một operator tạo thành một NAP (Network Access Provider) Nhiềunhà cung cấp khác nhau sẽ có thể triển khai nhiều mạng truy nhập khác nhau, rồi chúng sẽcùng kết nối với một hoặc nhiều CSN (Core Service Network).

ASN định nghĩa một đường biên logic và biểu diễn theo một cách thuận lợi để mô tảtập hợp các thực thể chức năng và các luồng bản tin tương ứng kết hợp với các dịch vụtruy cập ASN biểu diễn đường biên cho chức năng liên kết nối với các mạng WiMAXkhách, các chức năng dịch vụ kết nối WiMAX và tập các chức năng của nhiều nhà cungcấp khác nhau CSN được định nghĩa là một tập các chức năng mạng cung cấp các dịchvụ kết nối IP cho các thuê bao WiMAX Một CSN có thể gồm các phần tử mạng nhưrouter (bộ định tuyến), máy chủ/proxy nhận thực AAA, cơ sở dữ liệu người dùng và thiếtbị cổng liên mạng Một CSN có thể được triển khai như một phần của nhà cung cấp dịchvụ mạng WiMAX.

1.4 Kỹ thuật truyền thống số 1.4.1 Mô tả lớp vật lý

1.4.1.1 Các khái niêm cơ bản về OFDM

Công nghệ WiMAX di động chọn phương pháp truy cập đa điểm dựa trên việc phân chia tần số trực giao (Orthogonal Frequency Division Multiple Access - OFDMA) để nâng cao hiệu suất truyền giữa các điểm trong môi trường không phát sóng trực tiếp Tuy nhiên để hiểu rõ về OFDMA thì việc tìm hiểu những nét cơ bản về OFDM là rất cần thiết.OFDM là công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao-một kỹ thuật hấp dẫnsử dụng cho các hệ thống truyền thông số liệu tốc độ cao Nó được phát triển từ 2 kĩ thuậtquan trọng là ghép kênh phân chia theo tần số (FDM) và truyền thông đa sóng mang.OFDM là một kỹ thuật ghép kênh mà chia băng tần thành các tần số sóng mang nhỏ nhưđược chỉ ra trong hình sau :

Hình 1.5: Phân chia luồng số liệu trong OFDM

Trong hệ thống OFDM, luồng số liệu đầu vào được chia ra thành các luồng con songsong với tốc độ số liệu nhỏ hơn và như vậy tăng khoảng thời gian của ký hiệu và mỗiluồng nhỏ được điều chế và truyền trên một sóng mang trực giao Hơn nữa, sự sử dụngtiền tố lặp-CP (cyclic frefix) có thể hoàn toàn loại trừ xuyên nhiễu giữa các ký hiệu (ISI)miễn là thời lượng CP lâu hơn trễ kênh lan truyền CP là một sự lập lại của một đoạn cuốicủa khối số liệu và được gán tới đầu của đoạn tải số liệu như được chỉ ra trong hình:

Hình 1.6: Mặt cắt của Cyclic Prefix

Sử dụng CP để chống lại xuyên nhiễu giữa các ký hiệu và tạo cho kênh “xuất hiện”vòng tròn Một trong những nhược điểm của CP là làm giảm hiệu quả của băng thông dosử dụng thêm ở phần tiêu đề CP làm giảm hiệu quả sử dụng băng thông đi một ít Do phổOFDM có hình rất nhọn giống như “brick-wall”, do đó một phần lớn băng thông kênhđược sử dụng cho truyền số liệu nên giúp giảm ảnh hưởng trong việc sử dụng tiền tố vòngtròn.

Hình 1.7: Mật độ phổ năng lượng của tín hiệu điều chế OFDM

OFDM có thể triển khai trên nhiều dải tần số khác nhau với đa kênh bằng cách sửdụng mã hoá và thông tin tại sóng mang nhỏ trước khi đưa vào truyền dẫn

Hình 1.8: Miền tần số OFDM

Điều chế OFDM có thể hiện thực hoá một cách hiệu quả với chuyển đổi Fourierngược nhanh Điều này cho phép truyền một số lượng lớn các sóng mang nhỏ mà khôngphức tạp trong việc thực hiện Trong một hệ thống OFDM, các tài nguyên trong miền thờigian chính là các ký hiệu OFDM và trong miền tần số là các sóng mang nhỏ Nguồn tàinguyên “tần số” và “thời gian” có thể được tổ chức thành các kênh con dùng cho việcphân bổ tới từng người sử dụng riêng rẽ Mỗi hình chữ nhật là một kênh con độc lập và

Hình 1.9: Mô hình kênh con hóa OFDM

1.4.1.2 Cấu trúc ký hiệu OFDMA và kênh con hóa

OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access) là một phương thức đatruy nhập phân chia theo tần số trực giao, cung cấp hoạt động ghép kênh luồng số liệu chođa người sử dụng vào các kênh con đường xuống và đa truy nhập đường đa đường lênbằng phương tiện kênh con đường lên.

OFDMA là một công nghệ đa sóng mang phát triển trên nền kỹ thuật OFDM TrongOFDMA, một số sóng mang con, không nhất thiết là phải nằm kề nhau được gộp lại thànhmột kênh con (sub-channel) và các user khi truy cập vào tài nguyên sẽ được cấp cho mộthay nhiều kênh con để truyền nhận tùy theo yêu cầu lưu lượng cụ thể.

OFDMA có một số ưu điểm như là tăng khả năng linh hoạt, thông lượng và tính ổnđịnh được cải thiện Việc ấn định các kênh con cho các thuê bao cụ thể, việc truyền nhậntừ một số thuê bao có thể xảy ra đồng thời mà không cần sự can thiệp nào, do đó sẽ giảmnhững tác động như nhiễu đa truy xuất (Multi Access Interfearence-MAI).

OFDMA cho phép nhiều người dùng truy nhập các sóng mang con cùng một lúc Ởmỗi đơn vị thời gian, tất cả các người dùng có thể truy nhập Việc ấn định các sóng mangcon cho một người dùng có thể thay đổi ở mỗi đơn vị thời gian.

Cấu trúc ký hiệu OFDMA bao gồm 3 kiểu sóng mang con như được chỉ ra tronghình sau:

 Sóng mang con số liệu cho truyền dẫn số liệu

 Sóng mang con dẫn đường cho mục đích ước lượng và đồng bộ hoá

 Sóng mang con Null không để truyền dẫn truyền, được sử dụng cho phần băngthông an toàn và tải mang DC.

Hình 1.10: Cấu trúc sóng mang con OFDMA

Sóng mang con (số liệu và pilot), được nhóm thành từng nhóm sóng mang con đượcgọi là kênh con WiMAX OFDMA lớp vật lý hỗ trợ kênh con hoá trong cả DL và UL.Khối nguồn tài nguyên thời gian-tần số tối ưu cho kênh con hoá là một khe, bằng 48 tonesố liệu (sóng mang con).

Có 2 kiểu hoán vị sóng mang con cho kênh con hoá: phân tán và kề nhau Sự hoán vịphân tán dẫn đến các sóng mang con giả ngẫu nhiên để hình thành một kênh con Sự hoánvị này mang đến tính đa dạng tần số và trung bình xuyên nhiễu giữa các cell Sự hoán vịphân tán bao gồm DL FUSC (Sóng mang con sử dụng hoàn toàn), DL PUSC (Sóng mangcon sử dụng một phần), UL PUSC và các hoán vị tuỳ chọn thêm Với DL PUSC, mỗi cặpký hiệu OFDM, các sóng mang con có thể sử dụng hoặc khả dụng được nhóm thành cáccluster chứa 14 sóng mang liền kề trên một ký hiệu, với sự phân bổ pilot và số liệu trênmỗi nhóm trong các ký hiệu chẵn và lẽ như hình sau

Một nguyên lý sắp xếp lại được sử dụng để hình thành nhóm các cluster Một kênhcon trong nhóm chứa 2 cluster và được được tạo bởi 48 sóng mang con số liệu và 8 sóngmang con pilot Các sóng mang con số liệu trong mỗi nhóm được tiếp tục hoán vị để tạothành các kênh con trong phạm vi nhóm Vì vậy, chỉ các vị trí dẫn đường trong cluster làđược biểu thị trong hình trên.Các song mang con dữ liệu trong cluster được phân bổ chonhiều kênh con.

Tương tự với cấu trúc nhóm cho DL, một cấu trúc tile được xác định cho UL PUSCcó định dạng như hình 1.12

Hình 1.12: Cấu trúc tile của UL PUSC

Không gian sóng mang con hiệu dụng được chia thành các tile, được chọn từ phổbằng sơ đồ hoán vị/ sắp xếp lại, được nhóm cùng nhau để hình thành một khe Khe baogồm 48 sóng mang số liệu và 24 sóng mang pilot trong 3 ký hiệu OFDM.

Hoán vị liền kề nhóm một khối các sóng mang con liền kề để hình thành kênh con.Hoán vị liền kề bao gồm DL AMC và UL AMC, và có cùng một cấu trúc Một “thùng”(bin) bao gồm 9 sóng mang con trong một ký hiệu, với 8 được gán cho số liệu và mộtđược gán cho pilot Một khe (slot) trong AMC được xác định như là một tập hợp cácthùng với kiểu (N*M=6), trong đó N là số thùng liền kề và M là số ký hiệu liền kề Do đó,các kiểu hoán vị này có thể là (6 bin, 1 ký hiệu, 3 bin, 2 ký hiệu, 1 bin 6 ký hiệu) Hoán vịAMC cho phép nhiều người sử dụng bằng cách chọn kênh con với sự phản hồi tần số tốtnhất.

Nói chung, kiểu hoán vị sóng mang con đa dạng thực hiện tốt trong các ứng dụng diđộng trong khi đó hoán vị sóng mang con liền kề lại phù hợp tốt cho môi trường di độngthấp, hoặc có thể lưu động hoặc cố định Những tuỳ chọn này cho phép người thiết kế hệthống lựa chọn ra kiểu hoán vị phù hợp với hệ thống của mình.

1.4.1.3 S-OFDMA theo tỷ lệ

Đây là một đặc điểm bổ xung cho IEEE 802.16e để hỗ trợ chuyển giao dễ dàng.Trong OFDM-TDMA và OFDMA, số lượng sóng mang con thường được giữ bằngnhau với phổ có sẵn Số sóng mang con không thay đổi dẫn đến không gian sóng mangcon thay đổi trong các hệ thống khác nhau Điều này làm cho việc chuyển giao giữa cáchệ thống gặp khó khăn Ngoài ra, mỗi hệ thống cần một thiết kế riêng và chi phí cao.

OFDMA theo tỉ lệ (S-OFDMA) giải quyết các vấn đề này bằng cách giữ cho khônggian sóng mang con không thay đổi Nói cách khác, số sóng mang con có thể tăng hoặcgiảm với những thay đổi trong một băng tần cho trước Ví dụ, nếu một băng tần 5MHzđược chia thành 512 sóng mang con, một băng tần 10MHz sẽ được chia thành 1024 sóngmang con.

Bởi vì không gian sóng mang con là giữ nguyên trong S-OFDMA nên một máy diđộng có thể chuyển giao giữa các hệ thống một cách suôn sẻ Ngoài ra, với không giansóng mang con không thay đổi, một thiết kế là phù hợp cho nhiều hệ thống và có thể táisử dụng Chi phí cho thiết kế và sản phẩm sẽ thấp hơn.

Cụ thể hơn thì S-OFDMA hỗ trợ một khoảng rộng băng thông để giải quyết mộtcách mềm dẻo việc phân chia phổ thay đổi và đáp ứng các yêu cầu khác hữu ích.Scalability thực hiện được do điều chỉnh kích thước FFT trong khi vẫn cố định khoảngcách tần số cho một sóng mang là 10.94 kHz Do băng thông sóng mang con và độ dàicủa ký tự là cố định, tác động tới lớp cao hơn là nhỏ khi thay đổi băng tần Các tham số S-OFDMA được mô tả trong bảng Băng tần hệ thống của profile ban đầu được phát triểnbởi nhóm làm việc về kỹ thuật với phiên bản-1 là 5 và 10 MHz (được tô sáng trong bảng)

Bảng 1.1: Các tham số tỉ lệ OFDMA

1.4.1.4 So sánh OFDM và OFDMA

Theo kỹ thuật ghép kênh cơ bản thì OFDM được sử dụng cho định dạng 802.16 –2004 rất phù hợp với các ứng dụng cố định, trong khi chuẩn 802.16e lại sử dụng OFDMAlại đặc biệt thích hợp với mục đích ứng dụng trong di dộng và về bản chất OFDM ít phứctạp hơn so với SOFDMA

Hình 1.13: Tương quan so sánh giữa OFDM và SOFDMA

OFDMA tạo cho các định dạng 802.16e linh hoạt hơn rất nhiều trong việc quản lýcác dịch vụ người dùng khác nhau với nhiều kiểu anten và yếu tố hình dạng khác nhau.Nó đem lại sự giảm bớt can nhiễu cho các thiết bị khách hàng có anten toàn hướng và khảnăng truyền NLOS được cai thiện – những yếu tố rất cần thiết khi hỗ trợ các thuê bao diđộng Việc tạo kênh phụ thuộc sẽ xác định các kênh con để có thể gán cho các thuê baokhác nhau tùy thuộc vào các trạng thái kênh và các yêu cầu dữ liệu của chúng Điều nàytạo điều kiện cho các nhà khai thác linh hoạt hơn trong việc quản lý băng thông và côngsuất phát, từ đó dẫn đến việc sử dụng tài nguyên hiệu quả hơn

Hình 1.14: So sánh OFDM và OFDMA

Trong OFDM, tất cả các sóng mang đều được phát đi một cách song song với cùngmột biên độ trong khi OFDMA chia không gian sóng mang thành NG nhóm mỗi nhóm cóNE sóng mang và NE kênh con, mỗi kênh con này mang một sóng mang cho mỗi nhóm.Việc tạo kênh con này giúp cải thiện hiệu năng khi công suất phát từ một thiết bị ngườidùng bị hạn chế Chẳng hạn trong OFDMA có 2048 sóng mang biến đổi thành NE = 32 vàNG = 48 trong tuyến xuống và NG = 53, NE =32 trong tuyến lên với các sóng mang còn lạiđược dùng cho các băng bảo vệ và báo hiệu.

Trong OFDM, các thiết bị người dùng phát đi bằng cách sử dụng toàn bộ một kênhcùng một lúc như hình vẽ bên dưới Trong khi đó, OFDMA hỗ trợ đa truy nhập cho phépngười dùng chỉ phát đi qua các kênh con được gán cho chúng Như ví dụ trên, nếu 2048sóng mang và 32 kênh con, nếu chỉ một kênh con được gán cho một thiết bị thì toàn bộcông suất phát ra sẽ được tập trung trong 1/32 phổ khả dụng và có thể đem lại một độ lợi15dB so với OFDM Hơn thế nữa, hình thức đa truy nhập này là đặc biệt có lợi khi sửdụng các kênh rộng.

Hình 1.15: Tuyến lên trong OFDM và OFDMA

Trong OFDM, các thiết bị người dùng được gán các khe thời gian để phát, nhưngchỉ một thiết bị người dùng có thể phát trong một khe thời gian duy nhất Trong OFDMA,việc tạo kênh con cho phép một số thiết bị được phát trong cùng một thời gian qua cáckênh con được gán cho chúng

CHƯƠNG 2: CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA WiMAX DI ĐỘNG2.1 Cấu trúc khung TDD

PHY 802.16e hỗ trợ TDD, FDD và hoạt động FDD half-duplex Tuy nhiên, phiênbản ban đầu của profile chứng chỉ WiMAX di động chỉ có với chế độ TDD Với phiênbản đang được nghiên cứu, profile FDD sẽ được xem xét bởi diễn đàn WiMAX để tạo racác cơ hội kinh doanh mới cho những nơi có các yêu cầu về phổ nội hạt hoặc cấm đối vớiTDD hoặc là phù hợp hơn với triển khai FDD

TDD là một ứng dụng của Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA (TimeDevision Multiple Acces) để phân tách tín hiệu đi và tín hiệu về TDD có một tiện ích lớntrong trường hợp sự không đối xứng giữa tốc độ uplink và và downlink dữ liệu là thayđổi Khi số liệu uplink tăng lên thì sẽ có một dải thông rộng hơn có thể phân phối cho nónhư trước khi nó được co lại để có thể truyền đi Một tiện ích khác khiến TDD được sửdụng trong WiMAX di động thế hệ đầu là đường tín hiệu radio uplink và downlink là rấtgiống trong hệ thống di chuyển chậm điều đó có nghĩa là công nghệ như beamforminglàm việc rất tốt với hệ thống TDD Sự sắp xếp có hệ thống của TDD có thể cấp phát mộtcách linh hoạt số lượng khe thời gian cho hai chiều truyền và nhận dữ liệu, điều này đặcbiệt quan trọng trong các đường truyền Internet với tỉ lệ UL/DL không bị bắt buộc phải là50/50 Xét một cách tổng quát thì TDD có thể mang lại sự linh hoạt cũng như giúp nângcao năng lực của hệ thống lên rất nhiều Tuy nhiên, việc sử dụng TDD trong phiên bảnđầu này của WiMAX di động gặp phải một nhược điểm đó là bị hạn chết bởi dài tần nhỏ

Để hiệu quả TDD chia dòng dữ liệu ra thành nhiều khung và với mỗi khung này lạichia thành các khe thời gian để truyền đi và nhận về.

Đối với vấn đề xuyên nhiễu, TDD không yêu cầu sự đồng bộ hệ thống ở diện rộng,trái lại TDD sẽ ưu tiên chế độ song công vì những lý do sau:

 TDD cho phép điều chỉnh tỷ số đường xuống/đường lên để hỗ trợ lưu lượng đườngxuống/đường lên một cách hiệu quả, trong khi đó với FDD, đường xuống và đườnglên luôn luôn bị cố định và nói chung là bằng với băng thông DL và UL.

 TDD đảm bảo sự trao đổi kênh để: hỗ trợ khả năng điều chỉnh đường truyền,MIMO và các công nghệ anten cải vòng kín cao cấp khác.

 Không giống như FDD với việc yêu cầu một cặp kênh, TDD chỉ yêu cầu một kênhđơn cho cả đường xuống và đường lên, điều này dẫn đến mềm dẻo hơn đối với sựphân chia phổ thay đổi.

 Thiết kế bộ thu phát để triển khai TDD là ít phức tạp hơn và do đó sẽ tốn kém hơn.Hình vẽ dưới đây minh hoạ cấu trúc khung OFDM với phương thức song công chiatheo thời gian (TDD) Mỗi khung được chia thành khung con DL và UL riêng rẽ bởi cácbộ chuyển dịch phát/thu và thu/phát (TTG và RTG tương ứng) để chống lại sự xung độttrong truyền dẫn DL và UL Trong một khung, thông tin điều khiển sau được sử dụng đểđảm bảo hoạt động hệ thống tối ưu:

 Phần đầu khung (preamble): Được sử dụng cho đồng bộ, là ký hiệu OFDM đầu

tiên của khung.

 Tiêu đề điều khiển khung (FCH):FCH được đặt ngay sau phần mở đầu

(preamble) Nó cung cấp các thông tin cấu hình khung như độ dài bản tin MAP, sơđồ mã hoá và kênh con hiệu dụng.

 DL-MAP và UL-MAP: Cung cấp sự phân bổ kênh con và thông tin điều khiển

khác cho khung con DL và UL một cách tương ứng.

 Khoảng UL: Kênh con UL được sử dụng cho trạm gốc di động (MS) để thực hiện

thời gian vòng kín, tần số và sự điều chỉnh công xuất cũng như yêu cầu băng tần. UL CQICH: Kênh UL CQICH được phân bổ cho MS để trả lời lại các thông tin

về trạng thái kênh.

 UL ACK: Được sử dụng cho MS để trả lời lại thông báo DL HARQ.

Hình 2.1: Cấu trúc khung WiMAX OFDMA

2.2 Các đặc điểm lớp PHY cải tiến khác

WiMAX di động đã đưa ra các kỹ thuật: điều chế thích nghi và mã hóa (AMC), yêu cầu lập lại tự động lại kiểu kết hợp (HARQ), và phản hồi kênh nhanh (CQICH), để tăng cường khả năng phủ sóng và khả năng của WiMAX trong các ứng dụng di động.

Trong WiMAX di động ở đường xuống, bắt buộc phải có các hỗ trợ điều chế QPSK,16 QAM và 64 QAM, còn ở đường lên 64 QAM là tùy chọn.

Cả mã hóa vòng và mã hóa Turbo vòng với tốc độ mã thay đổi và mã lặp cũng đượchỗ trợ Ngoài ra, mã Turbo và mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp (LDPC) cũng được hỗ trợtùy chọn Bảng sau tổng kết các nguyên lý mã hóa và điều chế được hỗ trợ trong profileWiMAX di dộng (với mã UL tuỳ chọn được chỉ ra với chữ in nghiêng).

Bảng 2.1: Các kỹ thuật mã hóa và điều chế được hỗ trợ

Sự tổ hợp các kỹ thuật điều chế và các tốc độ mã đem lại sự tinh phân giải tốc độ dữliệu như minh họa trong bảng 1.3 (với độ rộng kênh là 5 và 10 MHz với các kênh conPUSC) Độ dài khung là 5ms Mỗi khung có 48 biểu trưng OFDM gồm 44 biểu trưng sẵnsàng để truyền dữ liệu Các giá trị đánh dấu màu là để chỉ các tốc độ cho kỹ thuật 64QAMtùy chọn ở đường lên

Bảng 2.2: Tốc độ dữ liệu PHY với các kênh con PUSC trong WiMAX di động

Bộ lâp lịch trạm gốc xác định tốc độ dữ liệu phù hợp mỗi cấp phát cụm (burts) dựatrên kích thước bộ đệm và điều kiện truyền song ở phía thu Một kênh chỉ thị chất lượngkênh (CQI-channel quality indicator) được sử dụng để cung cấp thông tin trạng thái kênhtừ thiết bị đầu cuối người sử dùng đến bộ lập lịch trạm gốc Thông tin trạng thái kênh cóthể được phản hồi bởi CQICH bao gồm: CINR vật lý, CINR hiệu quả, sự lựa chọn chế độMIMO và sự lựa chọn kênh con Với kỹ thuật TDD, thích ứng đường truyền cũng có thểtận dụng ưu điểm của việc đảo kênh để cung cấp việc đo chính xác hơn (như là âm thanh).WiMAX di động cũng hỗ trợ HARQ HARQ cho phép sử dụng giao thức “dừng vàđợi” N kênh cung cấp khả năng đáp ứng nhanh để đóng gói lỗi và cải tiến khả năng phủsóng đường biên cell Sự dư thừa tăng được hỗ trợ để cải tiến hơn về độ tin cậy của việctruyền lại Một kênh ACK cũng được cung cấp trong đường uplink cho tín hiệu HARQACK/NACK HARQ kết hợp với CQICH và AMC cung cấp sự tương thích liên kết manhtrong môi trường tại tốc độ phương tiện quá 120Km/giờ.

2.3 Mô tả lớp MAC

Chuẩn 802.16 được phát triển từ yêu cầu về việc cung cấp đa dạng dịch vụ băngrộng bao gồm thoại, dữ liệu, và video Lớp MAC là hướng kết nối bao gồm ba phân lớpcon Lớp con hội tụ dịch vụ riêng (SSCS) cung cấp mọi sự biến đổi hay ánh xạ dữ liệumạng ngoài, nhận dữ liệu mạng ngoài qua điểm truy nhập dịch vụ CS SAP, các MAC SDU(đơn vị dữ liệu dịch vụ) được nhận bởi lớp con phần chung MAC CPS thông qua MACSAP.

Bao gồm việc phân loại các SDU mạng ngoài và kết hợp chúng với nhận dạng luồngdịch vụ MAC thích hợp (SFID) và nhận dạng kết nối (CID) Nó có thể cũng bao gồm cácchức năng như nén tiêu đề tải trọng (PHS) Nhiều chi tiết kĩ thuật CS được cung cấp chogiao diện với nhiều loại giao thức Định dạng bên trong của tải trọng CS là duy nhất vớimỗi CS, và các MAC CPS không yêu cầu hiểu dược định dạng của nó hay phân tích bất kìthông tin nào từ tải trọng CS.

MAC CPS cung cấp các chức năng MAC chính của việc truy nhập hệ thống, cấp phátđộ rộng dải tần, thiết lập và duy trì kết nối Nó nhận dữ liệu từ nhiều CS thông qua MACSAP, phân loại thành các kết nối MAC cụ thể QoS được áp dụng cho việc truyền và lậplịch dữ liệu thông qua lớp PHY sử dụng 4 loại dịch vụ cơ bản.

Có hai loại kết nối đó là các kết nối quản lý và kết nối truyền tải dữ liệu Các kết nốiquản lí có ba loại: cơ bản, sơ cấp và thứ cấp Một kết nối cơ bản được tạo ra cho mỗi MSkhi nó gia nhập vào mạng Kết nối sơ cấp cũng được tạo ra cho mỗi MS ở thời điểm vàomạng nhưng đuợc dùng cho các bản tin quản lí dung sai trễ Loại kết nối quản lí thứ ba,loại thứ cấp được dùng cho các bản tin quản lí IP tóm lược (như DHCP, SNMP, TFP).Các kết nối truyền tải dữ liệu có thể được cung cấp hoặc được thiết lập theo yêu cầu.Chúng được dùng cho các luồng lưu lượng người dùng Đơn điểm hoặc đa điểm có thểđược dùng cho truyền dẫn.

Thực thể quản lí Lớp con phần chung MAC

Lớp con bảo mật

Thực thể quản líPHY Thực thể quản lí

Lớp con phần chung MAC (MAC CPS)

Lớp con bảo mật (MAC SS)

Lớp vật lí (PHY)

Lớp con hội tụ dịch vụ đặc biệt (MAC SSCS)

Mặt bằng quản líQuy mô chuẩn hóa

Hình 2.3: Phân lớp MAC và các chức năng

chúng ta sẽ không đi sâu vào cấu trúc của từng phân lớp con mà sẽ xem xét các đặc tínhcủa lớp MAC nói chung theo cách phân chia như sau:

2.3.1 Dịch vụ lập lịch MAC

Dịch vụ lập lịch MAC WiMAX di động được thiết kế để phân phát hiệu quả các dịchvụ số liệu băng rộng bao gồm thoại, dự liệu, và video với kênh vô tuyến băng rộng thayđổi theo thời gian Dịch vụ lập lịch MAC có các thuộc tính sau:

 Bộ lập lịch số liệu nhanh: Bộ lập lịch MAC phải phân bổ hiệu quả nguồn tài

nguyên khả dụng đáp ứng lại với lưu lượng số liệu bursty và điều kiện kênh thayđổi theo thời gian Bộ lập lịch ngồi tại mỗi trạm gốc cho phép phản hồi nhanh hơnvới yêu cầu lưu lượng và điều kiện kênh Gói số liệu được đưa vào các luồng dịchvụ với tham số QoS trong lớp MAC để người lập lịch có thể quyết định trật tựtruyền gói qua giao diện vô tuyến Kênh CQICH cung cấp phản hồi thông tin kênhnhanh để cho phép bộ lập lịch lựa chọn mã hoá thích hợp và điều chế cho mỗi trạmgốc Điều chế/ mã hoá thích ứng kết hợp với HARQ cung cấp truyền dẫn mạnh quakênh thay đổi theo thời gian.

 Lập lịch cho cả DL và UL: Dịch vụ lập lịch được cung cấp cho cả lưu lượng DL

và UL Để bộ lập lịch MAC phân bổ nguồn tài nguyên hiệu quả và cung cấp QoSmong muốn trong UL, UL phải phản hồi chính xác và thông tin kịp thời đối vớikhía cạch điều kiện lưu lượng và yêu cầu về QoS Các cơ chế yêu cầu băng tần đađường lên như là yêu cầu băng tần thông qua một khoảng kênh, yêu cầu“piggyback” và “polling” được thiết kế để hỗ trợ yêu cầu băng tần UL Luồng dịchvụ UL xác định cơ chế phản hồi cho mỗi kết nối đường lên để đảm bảo bộ lập lịchUL có thể tiên đoán được Hơn nữa, với kênh con UL trực giao, không có xuyênnhiễu từ cell ngoài Lập lịch UL có thể phân bổ nguồn tài nguyên hiệu quả hơn vàtham số QoS tốt hơn.

 Sự phân bổ nguồn tài nguyên động: MAC hỗ trợ sự phân bổ nguồn tài nguyên

đối với DL và UL trên mỗi khung Sự phân bổ nguồn tài nguyên được phân pháttrong bản tin MAP tại bắt đầu mỗi khung Do đó, sự phân bổ nguồn tài nguyên cóthể được thay đổi từ khung–khung theo các điều kiện về kênh và lưu lượng Hơn

đến toàn bộ khung Sự phân bổ nguồn tài nguyên hạt tốt và nhanh cho phép QoStốt hơn cho lưu lượng số liệu.

 QoS oriented: Bộ lập lịch MAC xử lý truyền tải số liệu trên mỗi kết nối-kết nối.

Mỗi kết nối được kết hợp với dịch vụ số liệu đơn với một tập hợp các tham sốQoS Với khả năng nguồn tài nguyên được phân bổ động trong cả DL và UL, bộlập lịch có thể hỗ trợ QoS cho cả lưu lượng DL và UL Cụ thể với lập lịch kênhlên-nguồn tài nguyên đường lên được phân bổ hiệu quả, QoS là tốt hơn.

 Lập lịch lựa chọn tần: Bộ lập lịch có thể hoạt động trên các kiểu khác nhau của

kênh con Kênh con đảo tần số như là hoán vị PUSC, nơi mà sóng mang con trongcác kênh con được phân bố giả ngẫu nhiên trên băng tần, kênh con có chất lượngtương tự Lập lịch đa dạng tần số có thể hỗ trợ QoS với tính hạt tốt và nguồn tàinguyên thời gian tần số mềm dẻo Với sự hoán vị liền kề như hoán vị AMC, kênhcon có thể trải qua các cường độ khác nhau Lập lịch lựa chọn tần số có thể phânbổ các thuê bao di động tới kênh con mạnh nhất Lập lịch lựa chọn tần số có thểtăng cường khả năng hệ thống với sự tăng lên vừa phải trong tiêu đề CQI trongUL

2.3.2 Hỗ trợ QoS

Với tốc độ đường truyền vô tuyến cao, khả năng truyền tải bất đối xứng đườnglên/đường xuống và một cơ chế cấp phát tài nguyên linh hoạt, WiMAX di động hoàn toàncó thể đap ứng được các yêu cầu QoS cho nhiều loại hình dịch vụ và ứng dụng dữ liệu.

Trong lớp MAC của WiMAX di động, QoS được cung cấp qua luồng dịch vụ nhưđược mô tả trong hình bên dưới Đây là luồng gói có duy nhất một hướng mà được cungcấp với một tập các tham số QoS cụ thể Trước khi cung cấp một loại dịch vụ số liệu cụthể, trạm gốc và đầu cuối người sử dụng đầu tiên thiết lập một kết nối logic một hướnggiữa các MAC Sau đó, MAC kết hợp các gói qua giao diện MAC vào một luồng dịch vụđể được phân phát qua kết nối Tham số QoS được kết hợp với luồng dịch vụ xác định thứtự truyền dẫn qua môi trường vô tuyến Do đó, QoS định hướng kết nối có thể cung cấpđiều khiển chính xác qua giao diện vô tuyến Do giao diện vô tuyến thường là nút cổ chai,QoS định hướng kết nối có thể cho phép hiệu quả qua điều khiển QoS end-to-end

Hình 2.4: QoS hỗ trợ WiMAX di động

Tham số luồng dịch vụ có thể được quản lý động thông qua bản tin MAC để thoả mãn các yêu cầu dịch vụ động Luồng dịch vụ được dựa trên cơ chế QoS áp dụng cho cả DL và UL để cung cấp QoS cải thiện trong cả 2 hướng WiMAX di động hỗ trợ một khoảng rộng các dịch vụ số liệu và ứng dụng với yêu cầu QoS thay đổi Chúng được tổng kết trong bảng sau:

Bảng 2.3: Các dịch vụ trong QoS

2.3.3 Quản lý nguồn

WiMAX di động hỗ trợ 2 chế độ cho hoạt động hiệu quả nguồn: chế độ sleep và chếđộ idle Chế độ “sleep” là một trạng thái trong đó MS điều khiển một giai đoạn tiền thoảthuận về sự vắng mặt sự phục vụ của giao diện vô tuyến trạm gốc Giai đoạn này đượcđặc trưng hoá bởi tính không khả dụng của MS, như được quan sát từ sự phục vụ của trạmgốc, lưu lượng DL hoặc UL Chế độ sleep cho phép tối ưu công suất MS và tối ưu sự sửdụng của nguồn giao diện vô tuyến trạm gốc Chế độ sleep cũng cung cấp sự mềm dẻocho MS để quét các trạm gốc khác để thu thập thông tin để hỗ trợ handoff qua chế độsleep.

Chế độ Idle cung cấp cơ chế cho MS để trở thành khả dụng tuần hoàn cho bản tinlưu lượng quảng bá mà không đăng ký tại một trạm gốc cụ thể nào như khi MS nằm trongmôi trường liên kết vô tuyến được chiếm giữa bởi nhiều trạm gốc Chế độ idle mang lạilợi ích cho MS bởi việc không cần yêu cầu cho handoff và hoạt động bình thường khác vàlợi ích cho mạng và trạm gốc bởi sự loại bỏ giao diện vô tuyến và lưu lượng handoffmạng từ sự không hoạt động của MS trong khi vẫn cung cấp một phương pháp đơn giảnvà kịp thời cho cảnh báo MS về pending lưu lượng DL.

2.3.4 Quản lý di động

Có 3 phương pháp handoff được hỗ trợ trong chuẩn 802.16e: handoff cứng (hard)(HHO-Hard Handoff), chuyển mạch trạm gốc nhanh (FBSS- Fast Base Station Switching)và handover chuyển giao phân tập vĩ mô (MDHO - Macro Diversity Handover).

Trong những phương pháp handoff trên, HHO là bắt buộc trong khi FBSS vàMDHO là 2 chế độ tuỳ chọn Diễn đàn WiMAX đang phát triển các yêu cầu kỹ thuật choviệc tối ưu handoff cứng trong khung của chuẩn 802.16e Những cải tiến này được pháttriển với mục tiêu là giữ cho độ trễ lớp 2 của handoff là bé hơn 50 ms

Chuyển giao nhanh trong Wimax chỉ có thể thực hiện giữa các BS nằm trong cái gọilà Diversity Set – là tập hợp các BS hoạt động trong cùng tần số, có SINR đủ lớn để MScó thể kết nối được và đặc biệt là chúng phải đồng bộ Trong Diversity Set này thì chỉ có1 BS được gọi là anchor (BS chủ lực, hay còn gọi là điểm kết nối, khớp) Sự khác nhaugiữa MDHO và FBSS là ở chổ: đối với FBSS, MS chỉ trao đổi thông tin dữ liệu thông quaBS anchor thôi, còn MDHO thì MS truyền lưu lượng dữ liệu qua tất cả các BS nằm trongDiversity Set

Khi FBSS được hỗ trợ, MS và BS duy trì một danh sách các BS mà nó liên quan đếnFBSS với MS Tập hợp này được gọi là tập hợp tích cực Trong FBSS, MS tiếp tục giámsát trạm gốc trong tập hợp tích cực Giữa MS trong tập hợp tích cực, một BS “anchor”được xác định Khi hoạt động trong FBSS, MS chỉ truyền thông với BS “anchor” cho bảntin đường lên và đường xuống bao gồm quản lý và kết nối lưu lượng Chuyển dịch từ mộtBS “Anchor” tới một BS khác (ví dụ chuyển mạch BS) được thực hiện mà không cần đềbản tin báo hiệu HO bắt buộc Thủ tục cập nhập “Anchor” được thực hiện bởi độ dài tínhiệu truyền thông của BS phục vụ thông qua kênh CQI Chuyển giao FBSS bắt đầu với

đổi trong một tập hợp tích cực MS thông báo NS được lựa chọn và thủ tục cập nhập tậphợp tích cực MS quét các BS lân cận và lựa chọn từ những BS này ra các BS phù hợp vàthủ tục cập nhập tập hợp tích cực được thực hiện bởi BS và MS MS tiếp tục giám sát độdài tín hiệu của BS mà trong tập hợp tích cực và lựa chọn một BS từ một tập hợp để trởthành BS “anchor” MS thông báo BS “anchor” được lựa chọn trên CQICH hoặc MS bắtđầu bản tin yêu cầu HO Một yêu cầu quan trọng của FBSS là các số liệu được truyềnđồng thời tới tất cả các thành viên của tập hợp tích cực của BS mà cho phép phục vụ MS.

Với MS và BS mà hỗ trợ MDHO, MS và BS duy trì một tập tích cực các BS mà liênquan đến MDHO trong MS Giữa các BS trong tập hợp tích cực, BS “anchor” được xácđịnh Khi hoạt động trong chế độ MDHO, MS truyền thông với tất cả BS trong tập hợptích cực của bản tin unicast đường lên và đường xuống và lưu lượng MDHO bắt đầu khiMS quyết định truyền hoặc nhận bản tin unicast và lưu lượng từ nhiều BS trong cùng mộtkhoảng thời gian Cho MDHO đường xuống, 2 hoặc nhiều BS cung cấp truyền dẫn đồngbộ cho số liệu đường xuống MS mà kết hợp đa dạng được thực hiện tại MS Cho MDHOđường lên, truyền dẫn từ một MS được nhận bởi đa BS trong khi sự đa dạng lựa chọntrong thông tin nhận được được thực hiện.

2.3.5 Bảo mật

WiMAX di động hỗ trợ tốt nhất các đặc điểm an ninh bằng cách sử dụng các côngnghệ tốt nhất hiện có hiện nay Hỗ trợ sự nhật thực thiết bị/ người sử dụng, giao thức quảnlý chìa khoá mềm dẻo, mã hoá lưu lượng mạnh, bảo vệ bản tin mặt phẳng quản lý và điềukhiển, và các tối ưu giao thức an ninh cho chuyển vùng nhanh.

Các khía cạnh sử dụng cho các đặc điểm an ninh là:

 Giao thức quản lý chìa khoá: giao thức quản lý chìa khoá phiên bản 2 (PKM v2)

là thành phần cơ bản trong an ninh WiMAX di động được xác định trong 802.16e.Giao thức này quản lý an ninh MAC sử dụng bản tin PMK-REQ/RSP, nhật thựcPMK EAP, điều khiển mã hoá lưu lượng, trao đổi chìa khoá handover và tất cả bảntin an ninh multicast/broadcast được dựa trên giao thức này.

 Nhật thực thiết bị/ người sử dụng: WiMAX di động hỗ trợ nhật thực thiết bị và

người sử dụng sử dụng giao thức IETF EAP bằng việc cung cấp hỗ trợ“credentials” được dựa trên SIM, hoặc dựa trên USIM hoặc chứng nhận số hoặcdựa trên tên người sử dụng/mật khẩu Tương ứng với phương pháp nhật thực EAP-

SIM, EAP-AKA, EAP-TLS, EAP-MSCHAPv2 được hỗ trợ thông qua giao thứcEAP

 Mã hoá lưu lượng: AES-CCM là một mã hoá được sử dụng để bảo vệ tất cả số

liệu người sử dụng qua giao diện WiMAX MAC di động “Chìa khoá” được sửdụng cho mã hoá được tạo ra từ việc nhật thực EAP.

 Bảo vệ bản tin điều khiển: số liệu điều khiển được bảo vệ bằng việc sử dụng AES

hoặc sử dụng CMAC hoặc sơ đồ HMAC dựa trên MD5.

 Hỗ trợ chuyển vùng nhanh: Một sơ đồ bắt tay 3 bước được hỗ trợ bởi WiMAX

di động để tối ưu cơ chế nhật thực lại cho hỗ trợ chuyển vùng nhanh Cơ chế nàycũng hữu ích trong việc chống lại việc tấn công giữa chừng bởi “con người”“hacker”.

2.3.6 Truy nhập kênh truyền

Khi một MS mở máy nó sẽ tiến hành các bước sau để kết nối với trạm BS như đượcmô tả ở hình dưới đây.

 Thực hiện quá trình tìm kiếm và đồng bộ hóa với các BS mà nó thu được sóngradio Để thực hiện được điều này, các MS sẽ tiến hành scan các tần số DL (đã biếttrước), lắng nghe các DL preamble phát ra từ các BS và đồng bộ hóa dựa vào cácthông điệp điều khiển.

 Tiếp theo MS nhận biết các thông số uplink bằng cách lắng nghe các UL-MAP  MS thực hiện quá trình ranging Cái này giống như power control trong mạng

thông tin di động tế bào.

 MS thỏa thuận về việc thuê nhận băng thông với BS cũng như các thông tin về profile

 MS thực hiện quá trình nhận thực, trao đổi khóa và tiến hành đăng ký truy nhậpvào mạng Kết nối IP được thiết lập

 Luồng dịch vụ có thể bắt đầu được trao đổi.

Hình 2.5: Các bước kết nối với trạm BS

2.4 Các đặc điểm cải tiến của WiMAX di động2.4.1 Công nghệ anten thông minh

2.4.1.1 MIMO

Kỹ thuật MIMO trong lĩnh vực truyền thông là kỹ thuật sử dụng nhiều anten phát vànhiều anten thu để truyền dữ liệu MIMO technique tận dụng sự phân cực (không gian,thời gian, mã hóa ) nhằm nâng cao chất lượng tín hiệu, tốc độ dữ liệu Kỹ thuật MIMOngày nay đang được ứng dụng rất rộng rãi: MIMO-Wifi, MIMO-UMTS nhờ tính tối ưutrong việc sử dụng hiệu quả băng thông, tốc dộ dữ liệu cao, robust với kênh truyền fading.

Hình 2.6 : Kỹ thuật MIMO

Kỹ thuật MIMO tương đối đa dạng và phức tạp Trong WiMAX, người ta sử dụngmã hóa thời gian không gian nhằm làm giảm quỹ dự trữ yêu cầu và tránh nhiễu Đối vớiphân tập phát, rất nhiều các phương pháp đã được kết hợp nhằm cải thiện khả năng của hệthống.

2.4.1.2 Công nghệ Anten thông minh

Công nghệ an ten thông minh điển hình liên quan đến véc tơ phức hoặc hoạt động matrận của tín hiệu bởi nhiều an ten OFDMA cho phép các hoạt động an ten thông minhđược thực hiện trên các sóng mang con véc tơ phẳng Sự cân bằng phức không được yêucầu để bù cho fading theo tần số Do đó, OFDMA là phù hợp tốt với sự hỗ trợ công nghệan ten thông minh Thực tế, MIMO-OFDM/OFDMA được xem như là một nền móng chohệ thống truyền thông băng rộng thế hệ tiếp theo WiMAX di động hỗ trợ một khoảngrộng các công nghệ an ten thông minh để tăng cường khả năng thực hiện của hệ thống.Công nghệ an ten thông minh hỗ trợ bao gồm:

 Beamforming: với beamforming, hệ thống sử dụng nhiều ăn ten để truyền tín hiệu

với mục đích cải thiện vùng phủ và khả năng của hệ thống.