1.3.4.1. Kỹ thuật truyền song công
Kỹ thuật song công nói đến cách mà các đƣờng xuống (downlink - DL) và đƣờng lên (uplink - UL) đƣợc sắp xếp trong quá trình truyền dữ liệu. Mô hình 802.16 sử dụng hai kỹ thuật song công là TDD.
Kỹ thuật TDD
Kỹ thuật TDD cho phép truyền cả hai đƣờng UL và DL trên cùng một băng tần nhƣng trên hai khe thời gian khác nhau. Một Frame TDD gồm một frame UL và một frame DL, với khoảng thời gian của một frame là không đổi đối với mỗi đặc tả lớp vật lý. Mỗi frame đƣợc chia thành một số nguyên lần các khe vật lý, điều này giúp ích cho việc chia sẻ băng thông một cách hợp lý, làm tăng tính linh động của TDD khi có thể thay đổi đƣợc tỷ số DL/UL nên nó đƣợc ứng dụng nhiều trong đƣờng truyền bất đối xứng. Ngoài ra, so với hệ thống FDD, nó có chi phí rẻ hơn, và đƣợc áp dụng trong topo mạng Mesh. Định dạng của một một TDD frame [6]:
35
Hình 1. 9. Định dạng của một TDD frame
1.3.4.2. Kỹ thuật OFDM
Khái niệm
Kỹ thuật ghép kênh theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là một phƣơng pháp điều chế cho phép giảm nhiễu méo tuyến tính do tính phân tan của kênh truyền vô tuyến gây ra. Nhu cầu về các dịch vụ băng rộng tin cậy trong điều kiện truyền không dây bi che chắn (không có đƣờng truyền thẳng- NLOS, đặc biệt bị ảnh hƣởng bởi hiện tƣợng đa đƣờng dẫn và can thiệp từ các nhà cung cấp dịch vụ không dây khác) đã đƣa công nghệ không dây vào triển khai rộng khắp sử dụng công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM trong các chuẩn và sản phẩm.
Công nghệ OFDM chia luồng dữ liệu ra thành nhiều đƣờng truyền băng hẹp trong vùng tần số sử dụng các song mang con trực giao với 1 sóng mang con khác. Những sóng mang con này sau đó ghép thành các kênh tần số để truyền vô tuyến.
Các đƣờng truyền băng hẹp này sử dụng các ký tự có khoảng thời gian dài (long duration symbol) trong miền thời gian để làm cho các ký tự không bị méo do hiện tƣợng đa đƣờng dẫn. Bằng cách sử dụng các khoảng thời gian của ký tự xấp xỉ 100ms với khoảng bảo vệ khoảng 10ms, công nghệ OFDM cho phép khắc phục
36
đƣợc các tác động của hiện tƣợng đa đƣờng dẫn.
Hình 1. 10. Khoảng bảo vệ hạn chế nhiễu
Để đảm bảo khả năng trực giao, khoảng dãn cách giữa các sóng mang con phải đƣợc chọn lựa sao cho nó đảo ngƣợc với khoảng thời gian của ký tự.
Hình 1. 11. Lựa chọn khoảng dãn giữa những sóng mang
Khoảng dãn cách giữa các sóng mang con đƣợc lựa chọn để mỗi sóng mang con trực giao với các sóng mang con khác. Độ dãn cách giữa các sóng mang con phải cân bằng với sự đảo ngƣợc các khoảng thời gian của ký tự. Số lƣợng các sóng mang con phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ độ rộng kênh và mức độ nhiễu. Con số này tƣơng ứng với kích thƣớc FFT (Fast Fourier Transformer). Chuẩn giao tiếp vô tuyến 802.16-2004 xác định rõ 256 sóng mang con, tƣơng ứng với kích cỡ FFT 256 độ rộng kênh độc lập. Theo cách khác, chuẩn 802.16e-2005 cung cấp các kích cỡ FFT từ 512 tới 2048 phù hợp với các độ rộng kênh từ 5 tới 20MHz để duy trì tƣơng đối khoảng thời gian không đổi của ký tự và khoảng dãn cách giữa các sóng mang con độc lập với độ rộng kênh. Vì thế với công nghệ OFDM, sự kết hợp của các sóng
37
mang con trực giao truyền song song với các ký tự có khoảng thời gian dài đảm bảo rằng lƣu lƣợng băng thông rộng không bị hạn chế do môi trƣờng bị che chắn tầm nhìn (NLOS) và nhiễu do hiện tƣợng đa đƣờng dẫn.
Các tham số trong OFDM - Tiền tố vòng (CP)
Tiền tố vòng là một phần dữ liệu của khối trƣớc đƣợc gắn vào trƣớc của ký tự OFDM. Mục đích của nó là loại bỏ nhiễu xuyên ký hiệu ISI miễn là thời lƣợng CP (TG) lâu hơn trễ truyền lan của kênh. Tuy nhiên việc thêm CP lại làm giảm hiệu suất của kênh truyền, vì vậy chọn CP hợp lý cũng là một vấn đề cần đƣợc quan tâm. Tỷ số G=TG/Td gồm các giá trị 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 cho cả kỹ thuật OFDM và OFDMA, tuy nhiên đối với mobile WiMAX, giá trị mày bắt buộc là 1/8. Trong đó, Td là thời gian truyền ký tự OFDM.
Hình 1. 12. Tiền tố vòng CP
- Phân loại sóng mang
Các sóng mang con OFDM thƣờng đƣợc phân làm 3 loại chính:
Sóng mang con dữ liệu: đƣợc sử dụng cho việc mang các symbol dữ liệu. Sóng mang con dẫn đƣờng: đƣợc sử dụng cho việc mang các symbol dẫn đƣờng (pilot). Các symbol dẫn đƣờng đƣợc biết đến nhƣ một sự ƣu tiên và có thể đƣợc sử dụng cho đánh giá kênh và dò kênh
Sóng mang con rỗng: không có công suất đƣợc cấp đến chúng, bao gồm các sóng mang con một chiều DC và các sóng mang con bảo vệ (guard). Các
38
sóng mang con DC không đƣợc điều chế, để đề phòng bất kỳ sự tác động dồn dập hay công suất vƣợt quá giới hạn ở bộ khuyếch đại.
Do vậy, trong tổng số sóng mang (N) chỉ có một phần đƣợc dùng để truyền dữ liệu. Ví dụ : với N=256, ta có 28 sóng mang bảo vệ trái, 27 bên phải , 1 sóng mang DC và 8 sóng mang dẫn đƣờng; do đó chỉ còn 192 sóng mang dữ liệu.
Hình 1. 13. Phân loại sóng mang con
- Tần số lấy mẫu fs
Với B là băng thông kênh, n là chỉ số lấy mẫu, ta có: fs = n*B
Trong đó, giá trị của n phụ thuộc vào băng thông kênh, nó có thể là 8/7, 86/75, 144/125, 316/275 and 57/50 đối với OFDM và 8/7, 28/25 đối với OFDMA [1].
- Khe vật lý (PS)
Đây là đơn vị cơ bản trong thời gian trong chuẩn 802.16.PS tƣơng ứng với 4 ký hiệu sử dụng trên kênh truyền dẫn:
PS = 4/fs - Các mức điều chế
39
OFDM sở hữu các mức điều chế khác nhau cho phù hợp với điều kiện kênh truyền, điều này sẽ đƣợc mô tả chi tiêt ở chƣơng 3, dƣới đây là bảng so sánh tốc độ của hệ thống OFDM 256 với băng thông 7 MHz và chỉ số lấy mẫu 8/7 tƣơng ứng với các mức điều chế khác nhau, đƣợc lấy theo chuẩn IEEE Std 802.16 – 2005 [6]:
Bảng 2. Tốc độ truyền dẫn của hệ thống OFDM
1.3.4.3. Kỹ thuật OFDMA
- Khái niệm
OFDMA về bản chất là sự kết hợp của FDMA và TDMA: Ngƣời dùng đƣợc cấp phát động các sóng mang con (FDMA) trên các khe thời gian khác nhau (TDMA). Những ƣu điểm của OFDMA bắt đầu với những ƣu điểm của OFDM đơn ngƣời dùng trong việc giảm thiểu hiệu ứng đa đƣờng và phân tập tần số. Thêm nữa, OFDM/OFDMA là một kỹ thuật đa truy nhập mềm dẻo có thể phù hợp với nhiều ngƣời dùng trong một dải rộng các ứng dụng, tốc độ dữ liệu và yêu cầu QoS khác nhau. Bởi vì đa truy nhập đƣợc thực hiện trên miền số, trƣớc khi thực hiện biến đổi IFFT nên có thể cho sự cấp phát băng thông động và hiệu quả. Điều này cho phép những thuật toán lập lịch gói phức tạp trên miền thời gian và tần số có thể đƣợc tích hợp vào để phục vụ tốt nhất tập hợp ngƣời dùng.Truy cập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) là công nghệ đa sóng mang phát triển từ công nghệ OFDM, ứng dụng nhƣ một công nghệ đa truy cập. Đƣợc diễn tả nhƣ ở biểu đồ dƣới đây, OFDMA hỗ trợ các nhiệm vụ của các nhóm sóng mang con đối với các thuê bao nhất định. Mỗi một nhóm sóng mang con đƣợc biểu thị nhƣ một kênh con (subchannel), và mỗi thuê bao đƣợc chỉ định một hoặc nhiều kênh con để truyền phát dựa trên mỗi yêu cầu cụ thể về lƣu lƣợng của mỗi thuê bao.
40
định đƣợc cải tiến. Bằng việc ấn đinh các kênh con cho các thuê bao cụ thể, việc truyền phát từ một số thuê bao có thể xảy ra đồng thời mà không cần sự can thiệp nào, do đó sẽ giảm thiểu tác động nhƣ ảnh hƣởng đa truy nhập- MAI (multiple access interference). Hơn nữa, hiện tƣợng các kênh con cho phép tập trung công suất phát qua một số lƣợng các song mang con ít hơn. Kết quả này làm tăng số đƣờng truyền dẫn đến tăng phạm vi và khả năng phủ sóng. Đối với đa truy cập OFDMA, các kênh con có thể đƣợc tạo thành từ cả các sóng mang con liên tục (contiguous subcarriers) cũng nhƣ các songmang con giả ngẫu nhiên (subcarriers pseudorandomly) đƣợc phân phối qua phổ tần số. Các kênh con đƣợc tạo thành sử dụng phân phối sóng mang con cho phép nhiều hơn, điều này rất có lợi cho các ứng dụng di động.
- Chế độ hoán vị trong OFDMA
Có hai chế độ phân bố quen thuộc đáng chú ý:
Chế độ hoán vị phân tán: các sóng mang đƣợc phân bố giả ngẫu nhiên. Hệ thống này gồm có: FUSC, FUSC, OPUSC, OPUSC, TUSC. Lợi thế chính của việc hoán vị phân bố là phân tập tần số và sự trung bình hóa nhiễu liên cell. Nó làm giảm đến mức tối thiểu khả năng sử dụng cùng sóng mang của các phần hay các cell kề nhau. Tuy nhiên việc ƣớc lƣợng kênh lại không đơn giản nhƣ việc các sóng mang đƣợc phân bố trên băng thông cho phép.
Chế độ hoán vị liền kề: Chia thành nhóm các sóng mang kề nhau. Đây chính là hệ thống điều chế và mã hóa thích ứng AMC (Adaptive Modulation and Coding). Việc này cho phép lựa chọn phần điều kiện tốt nhất của băng thông, do việc ƣớc lƣợng kênh là dễ dàng do các sóng mang kề nhau.
Các chế độ hoán vị đƣợc định nghĩa cho cấu hình WiMAX [6]: Cho DL: PUSC, FUSC, TUSC and AMC.
41
Hình 1. 14. Các vùng hoán vị trong OFDMA frame
Các dạng Slot đƣợc định nghĩa theo các chế độ hoán vị khác nhau nhƣ bảng dƣới đây [6]:
Hình 1. 15. Các dạng Slot theo các chế độ hoán vị
- Tạo kênh con
Đối với đa truy cập OFDMA, các kênh con có thể đƣợc tạo thành từ cả các sóng mang con liên tục (contiguous subcarriers) cũng nhƣ các sóngmang con giả ngẫu nhiên (subcarriers pseudorandomly) đƣợc phân phối qua phổ tần số. Các kênh con đƣợc tạo thành sử dụng phân phối sóng mang con cho phép nhiều hơn, điều này rất có lợi cho các ứng dụng di động.
WiMAX định nghĩa các cơ chế kênh con hóa dựa trên các sóng mang đã đƣợc phân phối cho cả đƣờng lên và đƣờng xuống. Trong đó, một cơ chế có tên partial usage of subcarriers (PUSC) là bắt buộc đối với tất cả các triển khai cho WiMAX di
42
động. Những quy định ban đầu của chuẩn WiMAX định nghĩa 15 và 17 kênh con riêng rẽ cho đƣờng lên và đƣờng xuống, đối với cơ chế PUSC băng thông 5MHz. Đối với băng thông 10 MHz là 30 và 35 kênh riêng rẽ.
Cơ chế kênh con hóa dựa trên các sóng mang con liên tục trong WiMAX đƣợc gọi là dải điều chế và mã hóa thích nghi (AMC - band adaptive modulation and coding). Mặc dù phân tập tần số bị mất đi, band AMC cho phép ngƣời thiết kế hệ thống khai thác phân tập đa ngƣời dùng (multiuser diversity), cấp phát các kênh con cho ngƣời sử dụng dựa trên đáp ứng tần số của họ. Phân tập đa ngƣời dùng có thể cho phép tăng dung lƣợng hệ thống rõ rệt nếu hệ thống cố gắng cung cấp cho mỗi ngƣời dùng một kênh con tối ƣu với tỉ số tín hiệu trên nhiễu SINR của họ nhận đƣợc. Nhìn chung, các kênh con liên tục phù hợp hơn với các ứng dụng cố định và ít di chuyển.
- Cấu trúc khe khung, khe trong OFDMA Khe(Slot)
Tài nguyên thời gian và tần số nhỏ nhất có thể đƣợc cấp phát bởi một hệ thống WiMAX cho một liên kết nhất định đƣợc gọi là một khe. Mỗi khe bao gồm một kênh con trên 1, 2, hoặc 3 từ mã OFDM (OFDM symbol), dựa vào cơ chế kênh con hóa đƣợc sử dụng.
Khung OFDMA
Cấu trúc khung OFDMA đƣợc mô tả nhƣ hình (2.11) [6], khung đƣợc chia làm 2 khung, một khung cho đƣờng xuống (downlink subframe) và một khung cho đƣờng xuống (uplink subframe) đƣợc ngăn cách bởi một khoảng bảo vệ nhỏ. Tỉ số downlink-to-uplink có thể thay đổi từ 3:1 đến 1:1 để hỗ trợ các traffic cấu hình khác nhau. Cũng tƣơng tƣ nhƣ trong OFDM, nó có trƣờng mở đầu Preamble dung để đồng bộ khung và trƣờng FCH chứa DLFP, ULFP để định rõ độ dài các bản tin sau nó và nguyên lý mã hóa. FCH là một symbol OFDM và đƣợc truyền sử dụng BPSK tốc độ 1/2 với sơ đồ mã hóa bắt buộc. Các bản tin UL ACK cấp phát cho MS để xác nhận phản hồi từ DL HARQ; các bản tin UL CQICH là kênh fast feedback để phản hồi trang thái kênh truyền.
43
Khung OFDMA chứa nhiều vùng (PUSC, FUSC, PUSC với tất cả các Sub- channel, và tùy chọn với FUSC, AMC, TUSC1 and TUSC2). Việc truyền dữ liệu giữa các vùng đƣợc chỉ định trong DL_MAP bởi STC_DL_Zone hoặc ASS_DL_IE.
Hình 1. 16. Cấu trúc khung của OFDMA
Trong DL có 4 thành phần mà nó mang thông tin cho phép máy thu giải điều chế tín hiệu: preamble, FCH, DL-MAP và UL-MAP.
Bốn thành phần này trong cấu trúc 802.16-2005 đƣợc sử dụng cho việc truyền thêm thông tin tín hiệu cần thiết trong tín hiệu OFDMA:
Preamble
Ô preamble là ô bắt đầu của mỗi khung downlink. Nó bao gồm các sóng mang điều chế-BPSK và có độ dài 1 symbol OFDMA.
Preamble đƣợc sửdụng vào hai mục đích:
- Bố trí tuần tự pilot vào trong ô preamble để làm cho nó dễ dàng hơn cho máy thu trong việc đánh giá lỗi tần số và pha và để đồng bộ với máy phát. Chúng đƣợc sử dụng để đánh giá và cân bằng kênh.
44
- Số sóng mang preamble sử dụng để chỉ ra 3 segment đƣợc sử dụng. Các Sóng mang 0, 3, 6...chỉ ra rằng segment 0 là đƣợc sử dụng, các sóng mang 1,4,7 ... chỉ ra segment 1 đƣợc dùng, và các sóng mang 2, 5, 8, chỉ ra segment 3 đƣợc dùng.
FCH
Frame control header (FCH) đƣợc điều chế QPSK và có độ dài 2 symbol OFDMA. Vị trí vật lý của trƣờng FCH là cố định, để khi trong preamble không có thông tin thì nó sẽ mô tả địa chỉ. Nội dung của FCH mô tả Subchannel sử dụng, độ dài của DL-MAP và các tham số truyền dẫn khác sẽ đƣợc cho dƣới đây:
DL-MAP /UL-MAP
DL-MAP (downlink map) mô tả vị trí của các burst chứa trong Downlink Zones. Nó gồm số các downlink burst, độ dài của chúng theo cả hƣớng thời gian (=symbol) và tần số (= subchannel).
UL-MAP (uplink map) đƣợc truyền nhƣ burst đầu tiên trong đƣờng xuống (downlink) và gồm các thông tin về vị trí của UL burst cho các ngƣời sử dụng khác nhau.
1.3.4.4. Kỹ thuật điều chế thích ứng
Điều chế thích nghi cho phép hệ thống WiMAX điều chỉnh sơ đồ điều chế tín hiệu phụ thuộc vào điều kiện SNR của liên kết vô tuyến. Khi liên kết vô tuyến chất lƣợng cao, sơ đồ điều chế cao nhất đƣợc sử dụng, đƣa ra hệ thống dung lƣợng lớn hơn. WiMAX hỗ trợ một số các phƣơng thức điều chế và mã hóa và cho phép các phƣơng thức đó thay đổi dựa trên một cơ sở cụm-nối-cụm (burst-by- burst) trên mỗi liên kết, phụ thuộc vào các điều kiện kênh truyền. Sử dụng chỉ thị phản hồi chất lƣợng kênh truyền, thiết bị di động có thể cung cấp cho trạm gốc BS những phản hồi về chất lƣợng kênh trên đƣờng xuống. Bộ lập lịch (scheduler) của BS có thể sử dụng thông tin về chất lƣợng kênh của mỗi đƣờng lên và xuống của ngƣời dùng và đƣa ra một phƣơng thức điều chế và mã hóa phù hợp để có thể tối đa thông lƣợng cho tỉ số tín hiệu trên nhiễu hiện thời.Điều chế và mã hóa thích ứng làm tăng đáng
45