Các thành phần lõi của hệ thống WiMAX là trạm thuê bao (SS) và trạm gốc
(BS). Một BS và một hoặc nhiều SS có thể tạo thành một cell với cấu trúc điểm tới đa điểm (P2MP). BS điều khiển hoạt động trong cell, bao gồm truy cập đến môi trường bởi SS, sự chỉ định để đạt được chất lượng dịch vụ (QoS) và sự thu vào mạng dựa trên cơ chế bảo mật mạng.
Hệ thống dựa trên 802.16 thường sử dụng anten cố định ở phía trạm thuê bao. Anten được gắn lên nóc nhà hoặc mái chìa.
BS chủ yếu sử dụng anten sector/định hướng hoặc anten đẳng hướng. Một SS cố định chủ yếu sử dụng anten định hướng trong khi SS di động hoặc mang xách thường thường sử dụng anten đẳng hướng. Nhiều BS có thể được cấu hình để tạo thành mạng vô tuyến tế bào. Khi đó ghép kênh phân chia theo tần số trực giao được sử dụng, bán kính cell lý tưởng có thể đạt tới 30 dặm, tuy nhiên điều này đòi hỏi môi trường kênh tốt và chỉ có tốc độ dữ liệu thấp nhất có thể đạt được.
Chuẩn 802.16 cũng có thể được sử dụng trong cấu hình điểm đến điểm (P2P) hoặc mắc lưới (mesh), bằng cách sử dụng đôi anten định hướng. Điều này có thể được sử dụng để gia tăng vùng phủ hiệu quả của hệ thống.
WiMAX hỗ trợ cả hai chế độ song công phân chia theo thời gian (TDD) và song công phân chia theo tần số (FDD), cùng với phạm vi băng thông kênh. Chế độ OFDM PHY, nó cũng được biết như WirelessMAN-OFDM được chỉ rõ cho việc sử dụng giữa 2 và 11 GHz.
3.9.1 Trạm gốc WiMAX (BS)
Một trạm WiMAX bao gồm các thiết bị điện tử nằm trong nhà và một tháp WiMAX. Tiêu biểu một trạm gốc có thể phủ lên đến bán kính 6 dặm (Về
mặt lý thuyết, một trạm gốc có thể phủ bán kính lên đến 50 km hoặc 30 dặm, tuy nhiên xét trên thực tế thì giới hạn nó đến 10 km hoặc 6 dặm). Bất cứ nút vô tuyến nào nằm trong vùng phủ sẽ có thể truy cập Internet.
Trạm gốc WiMAX sẽ sử dụng lớp điều khiển truy cập môi trường được định nghĩa trong chuẩn-một giao tiếp chung tạo ra khả năng tương các các mạng- và sẽ cấp phát băng thông đường lên và đường xuống đến thuê bao theo nhu cầu của chúng trên cơ sở thời gian.
Mỗi trạm gốc cung cấp vùng phủ vô tuyến trên một vùng được gọi là cell. Bán kính lớn nhất của cell theo lý thuyết là 50 km (phụ thuộc vào băng tần số được chọn), tuy nhiên việc triển khai điển hình sẽ sử dụng các cell có bán kính từ 3 đến 10 km.
Với một mạng di động tế bào thông thường, anten trạm gốc có thể là đẳng hướng, cho dạng cell hình tròn, hoặc định hướng để cho vùng phủ dạng tuyến hoặc hình quạt cho sử dụng điểm tới điểm để tăng dung lượng mạng bằng cách chia các cell lớn một cách hiệu quả thành vài vùng sector nhỏ hơn.
Trạm gốc WiMAX có thể đơn giản để hỗ trợ một ít trạm thuê bao đến phức tạp để hỗ trợ hàng ngàn trạm thuê bao và cung cấp nhiều đặc tính lớp sóng mang.
Các loại trạm gốc
Có lẽ có nhiều thay đổi trong thiết bị trạm gốc. Trạm gốc thiết kế thay đổi theo chi phí, hiệu suất và kích thước vật lý, nhưng có thể được chia thành 2 loại phổ biến: Micro và macro.
Trạm gốc Micro hỗ trợ chỉ một vô tuyến đơn và có chi phí và hiệu suất thấp nhất. Chi phí ít khoảng 2000$, chúng có thể được cấu hình cố định, hoặc thiết kế “pizza-box”. Bởi vì chúng thiếu khả năng mở rộng, nên chúng phù hợp nhất cho các liên kết hoặc mạng từ điểm tới điểm với số lượng nhỏ các trạm thuê bao. Trạm gốc micro nhìn chung tích hợp tất cả hoặc một phần của vô tuyến, trong đó các anten ở bên ngoài cho các giá ngoài trời. Cùng với CPE, Ethernet 10/100 là kết nối điển hình đến cơ sở hạ tầng mạng. Giải pháp chi phí
thấp nhất này sẽ là triển khai cho vùng nông thôn, khu tập thể, trong nhà và thay thế. Chúng sẽ sử dụng đơn sóng mang RF và hỗ trợ các cell micro và pico.
Trạm gốc Macro giống với trạm gốc được sử dụng trong các mạng tế bào và chi phí hàng ngàn đôla. Để hỗ trợ khả năng cao hơn, các thiết kế này sử dụng nhiều sector. Bởi vì chúng hoạt động một cách độc lập, mỗi sector yêu cầu vô tuyến riêng, băng gốc và MAC. Để hỗ trợ sự mở rộng, trạm gốc macro sử dụng thiết kế dựa trên khung. Radio có thể được gắn trên tháp, trong trường hợp trạm gốc macro tích hợp chỉ chức năng số như MAC/băng tần cơ sở. Trạm gốc dạng tế bào sẽ cho các triển khai thành thị, ngoại ô, mật độ người sử dụng cao, kinh doanh và nhà riêng.
Điều khiển công suất
Ở bất kỳ mạng WiMAX nào, các mức độ công suất cho cả phát và nhận thì quan trọng cho hiệu suất hệ thống. Thuật toán điều khiển công suất được sử dụng để cải thiện toàn bộ công suất hệ thống, nó được thực thi bằng cách trạm gốc gửi thông tin điều khiển công suất đến mỗi CPE để điều chỉnh mức công suất phát để mức công suất thu ở trạm gốc là mức được xác định trước.
Điều khiển công suất giảm toàn bộ công suất tiêu thụ của CPE và nhiễu với các trạm gốc đồng vị trí khác. Đối với LOS, công suất phát của mỗi CPE thì xấp xỉ tỉ lệ với khoảng cách của nó từ trạm gốc, với NLOS nó cũng phụ thuộc mạnh mẽ vào khoảng trống và các chướng ngại. Trong môi trường phađing thay đổi, mức công suất xác định trước này nghĩa là CPE chỉ phát công suất đủ để đáp ứng các yêu cầu này. Cuộc nói chuyện sẽ xãy ra với mức phát CPE dựa trên điều kiện tệ nhất.
Với trạm gốc phát, công suất được phát thực sự phụ thuộc vào khoảng cách thuê bao, đặc tính đường truyền, băng thông kênh và sơ đồ điều chế (BPSK, QPSK,16QAM, hoặc 64QAM). Phương pháp hiệu suất dữ liệu thấp nhất là BPSK. Bởi vì nó được dùng ở nơi trạm thêu bao xa nhất từ trạm gốc, BPSK yêu cầu công suất phát thêm. 64QAM cho hiệu suất dữ liệu cao, nó là tốt nhất khi trạm thuê bao gần trạm gốc.
Bảng 3.2 – Các đặc điểm của 802.16 MAC
Đặc điểm Lợi ích
TDM/TDMA được kế hoạch
Cho khung uplink/downlink • Việc sử dụng băng thông hiệu quả Tỉ lệ từ một đến một trăm thuê bao • Cho phép triển khai hiệu quả
Kết nối định hướng • Trên kết nối QoS
• Định tuyến và chuyển gói nhanh hơn
QoS hỗ trợ tốc độ bit thay đổi thời gian cấp phát liên tục,
tốc độ bit thay đổi không có tính thời gian thực và Best
• Trễ thấp cho các dịch vụ nhạy với trễ (thoại TDM, VoIP) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
• Truyền tải tối ưu cho lưu lượng VBR chẳng hạn video)
Yêu cầu truyền lại tự động (ARQ) • Cải thiện hiệu suất end-to-end bằng cách ẩn lớp RF cảm ứng
lỗi bằng các giao thức lớp trên. Hỗ trợ điều chế thích nghi •
Tốc độ dữ liệu cao hơn được cho phép bởi điều kiện kênh, cải thiện dung lượng hệ thống Bảo mật và mật mã hóa
(Triple DES)
• Bảo vệ bí mật người sử dụng
Điều khiển công suất tự động • Cho phép triển khai mạng tế bào bằng cách tối thiểu hóa tự gây nhiễu
Bảng 3.3 - Đặc điểm 802.16 PHY
Đặc điểm Lợi ích
Dạng sóng FFT OFDM 256 điểm • Xây dựng để hỗ trợ cho đa đường trong môi trường LOS và NLOS ngoài trời. Điều chế thích nghi và mã hoá sửa
lỗi thay đổi trên cụm RF (RF burst)
• Đảm bảo một liên kết mạnh trong khi đó tối đa số bit/giây cho mỗi đơn vị thuê bao.
Hỗ trợ song công TDD and FDD
• Chỉ ra việc thay đổi các hiệu chỉnh rộng khắp, ở nơi mà một hoặc cả hai có thể được
phép. Kích thước kênh linh hoạt (chẳng
hạn 3.5MHz, 5MHz, 10MHz, …)
• Cung cấp sự linh hoạt cần thiết để hoạt động trong nhiều băng tần số khác nhau với yêu cầu
kênh thay đổi quanh thế giới.
Được thiết kế để hỗ trợ các hệ thống anten thông minh.
• Các anten thông minh trở nên có khả năng nhanh chóng, và chi phí giảm xuống, khả năng chống nhiễu và gia tăng độ lợi hệ thống sẽ trở nên quan trọng đến các triển khai BWA.
3.9.2 Thiết bị nhận WiMAX
Một bộ thu WiMAX, cũng được đề cập như thiết bị phía khách hàng (CPE- customer premise equipment), có thể có một anten riêng biệt (tức là các thiết bị điện tử và anten là các modul riêng biệt) hoặc có thể là một hộp đứng một mình hoặc card PCMCIA gắn vào laptop hoặc máy tính. Truy cập đến trạm gốc WiMAX thì tương tự như truy cập một điểm truy cập vô tuyến trong mạng Wi-Fi, nhưng vùng phủ lớn hơn.
Phụ thuộc vào nhu cầu người sử dụng, WiMAX có thể có dự trữ sẵn các loại CPE khác nhau.
• Một modem được gắn lên anten trên nóc nhà bên ngoài. • Một modem với anten bên trong nhà.
giữ, các CPE có thể được tích hợp và trong laptop, điện thoại và thiết bị khác. Một vài mong muốn cho CPE WiMAX
• Chi phí thấp hơn • Plug and play
• Thông lượng lớn hơn
• Chất lượng dịch vụ (QoS) cho các dịch vụ gia tăng 3.9.3 Đường trục (backhual)
Đường trục đề cập là kết nối từ điểm truy cập trở về nhà cung cấp và kết nối từ nhà cung cấp đến mạng lõi. Một backhual được sử dụng để kết nối hệ thống đến backbone (xương sống). Trong hầu hết các dự án triển khai WiMAX, nó cũng có khả năng kết nối vài trạm gốc với một cái khác bằng cách sử dụng liên kết sóng vi ba đường trục tốc độ cao. Điều này cũng sẽ cho phép chuyển vùng bởi một thuê bao WiMAX từ một vùng phủ trạm gốc đến một vùng phủ trạm gốc khác, tương tự như chuyển vùng được cho phép bởi các công ty điện thoại tế bào.
3.9.4 Cơ chế làm việc (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Cơ chế cơ bản của kết nối giữa thuê bao và trạm gốc trong một mạng WiMAX như bên dưới.
Bảng 3.4 - Cơ chế làm việc cho kết nối WiMAX
Trạm thuê bao (SS) Trạm gốc
SS SS đi vào vùng phục vụ BS
BS Phát quảng bá DL-MAP: Trường đồng bộ PHY (Phy Synchronisation field), Operator ID, Sector ID, độ dài thông điệp MAP.
SS SS quét kênh DL : DL được đồng bộ
SS Thu các thông số UL
điều chế, FEC, đồng bộ Phy.
BS Phát quảng bá BSID + UCD: trường đồng bộ PHY, BSID, chi tiết kỹ thuậtPHY
SS Ranging và điều chỉnh các thông số
BS Range-Yêu cầu: DL burst profile được yêu cầu, địa chỉ SS MAC, Sự không bình thường Ranging , khả năng quản bá SS.
BS Range-Đáp ứng: Điều chỉnh định thời, điều chỉnh mức công suất phát, điều chỉnh dịch Freq, trạng thái ranging, DL freq override, UL freq override, burst profile, địa chỉ MAC SS Mac, CID,
SS Negotiate Basic Capabilities
BS SS BC-Yêu cầu: CID, các thông số PHY được hỗ trợ, Cấp phát băng thông được hỗ trợ.
BS SS BC-Đáp ứng: CID, Các thông số PHY được hỗ trợ, Cấp phát băng thông được hỗ trợ
SS Đăng ký với BS
BS Đăng ký-Yêu cầu: CID, Hashed Message Auth Code, phiên bản IP, ID người bán, khả năng CS, Các thông số ARQ
BS Đăng ký-Đáp ứng: CID, Ok/Not, HMAC tuple, phiên bản IP, ID người bán, khả năng CS, các thông số ARQ
SS Thiết lập kết nối IP
BS DHCP-Yêu cầu: loại H/W = Ethernet, địa chỉ MAC, các thông số đựoc yêu cầu: mặt nạ mạng con (Subnet mask), bù thời gian (Time offset), BS lựa chọn Router, lựa chọn Timeserver, Nhận dạng loại người bán
SS Thiết lập ToD
BS DHCP-yêu cầu: địa chỉ IP, TFTP provisioning server name, Time offset, danh sách Router,
BS ToD Request/Response
SS Truyền các thông số hoạt động
TFTP Complete: CID BS TFTP RSP: CID, OK/Not
SS Thiết lập kết nối được chuẩn bị
BS DSA-Request (SS or BS initiated): Service flow parameters, CS parameter encodings (802.3, 802.1p, 1q, ATM)
BS DSA-Response): CID, Transaction ID, Confirmation Code, Service flow parameters, CS parameters encodings, Service flow error set,