b. Quá trình xây dựng MAC PDU trong 802.16
1.4.1.Mạng dịch vụ truy nhập ASN
ASN bao gồm một hay nhiều cổng ASN và các trạm gốc, bao phủ vô tuyến WiMAX được cung cấp đến một vùng địa lí. Một ASN quản lí truy nhập MAC về
mặt chức năng nhưđệm, định vị, quản lí nguồn vô tuyến RRM và tính di động giữa các BS.
ASN quản lí các liên kết vô tuyến WiMAX, đưa ra nhiều mức quản lí cao đến CSN. ASN có thể cũng được dùng như một sựủy quyền, như trong trường hợp của IP di động ủy quyền (MIP).
ASN được triển khai bởi một thực thể kinh doanh đuợc gọi là nhà cung cấp truy nhập mạng (NAP), cung cấp một SS/MSS với kết nối L2 đến một mạng vô tuyến WiMAX và kết nối các người dùng đến các nhà cung cấp dịch vụ mạng (NSP) quản lí một CSN. Cổng ASN cung cấp các liên kết giữa ASN và CSN.
ASN trình bày một ranh giới cho tính tương tác về chức năng với một máy khách WiMAX, các chức năng dịch vụ kết nối WiMAX và việc tập hợp các chức năng được bao gồm bởi nhiều nhà cung cấp khác nhau.
1.4.2. Mạng dịch vụ kết nối CSN
Một CSN là một tập hợp các chức năng mạng mà cung cấp kết nối IP đến các trạm thuê bao WiMAX. CSN chứa các cổng để truy nhập Internet, các bộ định tuyến, các máy chủ hay các ủy quyền cho AAA, phân phối IP, cơ sở dữ liệu của người dùng và các thiết bị tương tác mạng. Nó cũng quản lí việc cấp phát và chính sách điều khiển, tính di động giữa ASN và các dịch vụ WiMAX cụ thể như các dịch vụ trên cơ sởđịnh vị hay các dịch vụ tuân theo quy luật.
CSN được triển khai bởi một thực thể kinh doanh gọi là NSP, các thuê bao WiMAX gia nhập các hợp đồng theo thỏa thuận trên các dịch vụ với NSP ví dụ như
QoS, băng tần…vv, và truy nhập các dịch vụ này thông qua ASN mà nó hiện đang
được đặt trong đó.
Người dùng sau đó có thể sử dụng mạng các nhà cung cấp dịch vụ hay vươn
đến các mạng được triển khai bởi các công ty khác ngay khi mạng nhà có một hợp
đồng roaming với mạng khách. ASN ngoài sử dụng các chức năng quản lí của CSN ngoài thuộc sở hữu của nó và ủy quyền chúng đến mạng nhà hay liên lạc trực tiếp với CSN mạng nhà.
1.4.3. Cấu hình mạng
Công nghệ WiMAX hỗ trợ mạng PMP và một dạng của cấu hình mạng phân tán là mạng lưới MESH
1.4.4. Cấu hình điểm – đa điểm PMP
PMP là một mạng truy nhập với một hoặc nhiều BS có công suất lớn và nhiều SS nhỏ hơn. Người dùng có thể ngay lập tức truy nhập mạng chỉ sau khi lắp đặt thiết bị người dùng. SS có thể sử dụng các anten tính hướng đến các BS, ở các BS có thể có nhiều anten có hướng tác dụng theo mọi hướng hay một cung.
Với cấu hình này trạm gốc BS là điểm trung tâm cho các trạm thuê bao SS. Ở
hướng DL có thể là quảng bá, đa điểm hay đơn điểm. Kết nối của một SS đến BS
được đặc trưng qua nhận dạng kết nối CID.
1.4.5. Cấu hình mắt lưới MESH
Với cấu hình này SS có thể liên lạc trực tiếp với nhau. Trạm gốc Mesh BS kết nối với một mạng ở bên ngoài mạng MESH. Một sốđiểm phân biệt như sau:
Neighbor: Kết nối trực tiếp đến một node mạng
Neighborhood : Tất cả các neighbor của một node tạo ra neighorhood.
Extended neighborhood: Tất cả các neighbor của một neighborhood.
Kiểu MESH khác PMP là trong kiểu PMP các SS chỉ liên hệ với BS và tất cả
lưu lượng đi qua BS trong khi trong kiểu MESH tất cả các node có thể liên lạc với mỗi node khác một cách trưc tiếp hoặc bằng định tuyến nhiều bước thông qua các SS khác.
Một hệ thống với truy nhập đến một kết nối backhaul được gọi là Mesh BS, trong khi các hệ thống còn lại được gọi là Mesh SS. Dù cho MESH có một hệ thống
được gọi là Mesh BS, hệ thống này cũng phải phối hợp quảng bá với các node khác.
Backhaul là các anten điểm-điểm được dùng để kết nối các BS được định vị qua khoảng cách xa.
Một mạng MESH có thể sử dụng hai loại lập lịch quảng bá. Với kiểu lập lịch phân tán, các hệ thống trong phạm vi hai bước của mỗi node khác nhau chia sẻ các danh mục và hợp tác đểđảm bảo tránh xung đột và chấp nhận tài nguyên. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
MESH lập lịch tập trung dựa vào Mesh BS để tập hợp các yêu cầu tài nguyên từ các Mesh SS trong một dải bất kì và phân phối các yêu cầu này với khả năng cụ
thể. Khả năng này được chia sẻ với các Mesh SS khác mà dữ liệu của người dùng
được chuyển tiếp thông qua các Mesh SS đó trao đổi với Mesh BS.
Trong kiểu MESH, phân loại QoS được thực hiện trên nền tảng từng gói hơn là được kết hợp với các liên kết như trong kiểu PMP. Do đó chỉ có một liên kết giữa giữa hai node Mesh liên lạc với nhau.
1.4.6. Quá trình vào mạng
Một trạm thuê bao WiMAX phải hoàn thành thủ tục vào mạng để liên lạc được với mạng. Trạng thái vào mạng thay đổi để thiết lập lại nếu nó bị lỗi để tiếp tục từ
bất kì trạng thái nào.
¾ Đồng bộ kênh đường xuống
Khi SS muốn vào mạng, nó quét một kênh trong danh sách tần số đã định nghĩa. Thông thường một SS được cấu hình để sử dụng một BS cụ thể với một tổ
hợp cho trước các tham số vận hành, khi hoạt động trong băng tần được cấp phép. Nếu SS tìm thấy một kênh đường xuống và có thể đồng bộ ở mức vật lí sử dụng mào đầu chu kì khung. Thông tin về điều chế và các tham số UL và DL khác giành
được bằng cách quan sát DCD và UCD của kênh đường xuống.
¾ Initial Ranging
Khi một SS đã được đồng bộ với kênh DL và nhận DL và UL-MAP cho một khung, nó bắt đầu thủ tục Initial Ranging bằng cách gửi một bản tin MAC yêu cầu Ranging sử dụng công suất truyền dẫn cực tiểu. Nếu không nhận được trả lời từ BS, SS gửi lại bản tin đó trên một khung kế tiếp sử dụng công suất truyền dẫn cao hơn. Cuối cùng là SS nhận một trả lời Ranging.Trả lời thể hiện công suất và những hiệu chỉnh định thời mà SS phải làm hoặc thể hiện sự thành công. Nếu trả lời chỉ thị hiệu chỉnh, SS phải làm các hiệu chỉnh này và gửi một yêu cầu Ranging khác. Nếu trả lời chỉ thị thành công, SS sẵn sàng để gửi dữ liệu ởđường lên.
¾ Trao đổi các khả năng
Sau khi hoàng thành bước Initial Ranging thành công, SS gửi bản tin yêu cầu khả năng cho BS miêu tả khả năng của nó về mức điều chế, lược đồ mã hóa và tốc
độ, phương pháp song công được hỗ trợ. BS chấp nhận hoặc từ chối SS dựa vào khả
năng của nó.
Sau khi thương lượng khả năng, BS nhận thực SS, và cung cấp vật liệu khóa để
cho phép mật mã dữ liệu. SS gửi chứng nhận X.509 của nhà sản xuất SS và miêu tả
các thuật toán mật mã hóa được hỗ trợ cho BS của nó. BS phê chuẩn nhận dạng của SS, quyết định thuật toán mật mã và giao thức được sử dụng sau đó gửi một bản tin trả lời nhận thực cho SS. Trả lời chứa vật liệu khóa được sử dụng bởi SS. SS được yêu cầu để thực hiện định kì thủ tục nhận thực và trao đổi khóa để làm mới vật liệu khóa của nó.
¾ Đăng kí
Sau khi nhận thực, SS gửi một bản tin yêu cầu đăng kí cho BS và BS gửi trả
lời đăng kí tới SS. Trao đổi đăng kí bao gồm hỗ trợ phiên bản IP, hỗ trợ SS được quản lí hoặc không được quản lí, hỗ trợ các tham số ARQ, hỗ trợ các tùy chọn phân loại, hỗ trợ CRC và điều khiển luồng.
¾ Kết nối IP
Sau khi đăng kí, SS khởi động DHCP (IETF RFC 2131) để nhận được địa chỉ
IP và các tham số khác để thiết lập kết nối IP. BS và SS duy trì ngày giờ hiện tại sử
dụng giao thức the time of the day (IETF RFC 868). SS cũng tải về các tham số sẵn sàng cho việc hoạt động sử dụng TFTP (IETF RFC 1350).
¾ Tạo kết nối truyền tải
Sau khi hoàn thành đăng kí và trao đổi các tham số vận hành, các kết nối truyền tải được tạo ra. Với các luồng dịch vụđược dự trữ trước, thủ tục tạo kết nối
được khởi đầu bởi BS. BS gửi một bản tin yêu cầu thêm luồng dịch vụđộng cho SS và SS xác nhận việc tạo kết nối. Với các luồng dịch vụ không dự trữ trước, tạo kết nối được khởi tạo bởi SS bằng cách gửi một bản tin yêu cầu thêm luồng dịch vụ động cho BS. BS trả lời với một xác nhận. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 1. 23. Quy trình vào mạng Kết luận chương I:
Chương một cho ta cái nhìn tổng quát về công nghệ WiMAX. Những thuộc tính và khả năng hiệu suất hệ thống của WiMAX làm cho nó trở thành một giải pháp hấp dẫn cho các dịch vụ băng rộng giá thấp và hiệu năng cao. WiMAX đang trên con đường hướng tới một thị trường toàn cầu thông qua công nghệ truy cập băng rộng và một kiến trúc mạng linh hoạt.
Trong chương tiếp theo chúng ta sẽ tìm hiểu về công nghệ MIMO, một trong những kỹ thuật được tích hợp sử dụng trong WiMAX để hỗ trợ nâng cao tốc độ
truyền dẫn cũng như tăng cường độ tin cậy của hệ thống.
Quét kênh đường xuống Đạt được các tham số Khởi tạo Initial Ranging Trao đổi các khả năng Kết nối IP Đăng kí Nhận thực Đồng bộ Không đồng bộ Nhận thực bị lỗi Nhận thực xong Ấn định tranh chấp để Initial Ranging Đợi cho đến khi UL MAP nhận được khe thời gian tranh chấp Đăng kí lỗi Tạo các kết nối đăng kí xong Ranging xong Trao đổi bị lỗi
Kết nối lỗi Kết nối IP xong Tạo kết nối lỗi Các kết nối đã được tạo Periodic Ranging Các khả năng được thỏa thuận
CHƯƠNG 2. KỸ THUẬT MIMO 2.1. Giới thiệu chung
Truyền thông không dây ngày càng được ứng dụng rộng rãi, tạo ra yêu cầu phải nâng cao tốc độ và chất lượng truyền dẫn. Trong khi đó, phổ tần và băng thông ngày càng bị hạn chế. Giải pháp đưa ra là sử dụng hệ thống MIMO với nhiều anten
ở cả phía phát và phía thu để cải thiện dung lượng và độ tin cậy của hệ thống mà không yêu cầu mở rộng băng tần và công suất tín hiệu. Để hiểu rõ về điều này, chúng ta sẽ nghiên cứu mô hình hệ thống MIMO và thực hiện các phân tích toán học cần thiết để tính toán dung lượng đạt được của hệ thống MIMO trong điều kiện kênh được biết và không được biết ở phía phát. Những kết quả này cũng được xem xét trong cả trường hợp kênh xác định và kênh ngẫu nhiên. Sau đó chúng ta nghiên cứu các ảnh hưởng của tham số vật lí lên dung lượng kênh như là vấn đề tương quan giữa các anten, vấn đề truyền lan LOS giữa anten phát và thu.
2.2. Ưu điểm của hệ thống MIMO
Các hệ thống MIMO cung cấp các ưu điểm sau:
- Độ lợi dàn: Do sử dụng nhiều anten, độ lợi dàn tăng làm tăng vùng phủ sóng và cự ly. Điều này rất có lợi cho các vùng xa xôi ít người khi có thể sử dụng ít BTS hơn. Mặt khác cũng có thể giảm công suất phát của các thiết bị đầu cuối nhờ tăng
độ lợi dàn của BTS thu.
- Độ lợi phân tập: Công suất tín hiệu trong kênh không dây dao động ngẫu nhiên (hoặc yếu dần). Phân tập là một kỹ thuật mạnh để truyền tín hiệu trong môi trường fading bằng cách phát nhiều bản sao giống nhau qua miền thời gian, tần số
và không gian để phía thu có thể thu chính xác tín hiệu phát. Điều này sẽ làm giảm tỉ lệ lỗi bít. Có thể sử dụng phân tập không gian (anten), phân tập thời gian hay phân tập tần số. Tuy nhiên phân tập không gian được ưa thích hơn vì nó không tiêu tốn thời gian và băng thông truyền dẫn
- Độ lợi ghép kênh không gian: Kênh MIMO đưa ra một sự tăng tuyến tính
của dung lượng mà không tiêu tốn thêm công suất và băng thông. Độ lợi này được thực hiện bằng việc phát các tín hiệu độc lập từ các anten riêng biệt.
- Giảm giao thoa: Giao thoa đồng kênh xuất hiện do việc tái sử dụng tần số
trong kênh không dây. Khi đa anten được sử dụng, sự phân biệt giữa các dấu hiệu không gian của tín hiệu mong muốn và tín hiệu đồng kênh có thể được khai thác để
giảm giao thoa.
- Kết hợp công suất: Trong trường hợp có M anten được thực hiện ởđường xuống và mỗi anten được điều khiển bởi 1 bộ khuếch đại công suất với tốc độ tương
đương ở trường hợp 1 anten, hệ số kết hợp công suất sẽ là 10log10(M).
2.3. Mô hình hệ thống MIMO
Công nghệ MIMO khai thác kỹ thuật truyền dẫn đa đường để tăng thông lượng truyền tín hiệu. Hệ thống MIMO bao gồm nhiều bộ thu và phát tín hiệu. Để
khai thác hiệu quả các hệ thống MIMO, cần một môi trường bức xạđa đường để tạo ra các kênh lan truyền độc lập. Như vậy sẽ tạo ra nhiều kênh con song song ở cùng tần số, điều này làm cho dung lượng hệ thống cao hơn mà không cần mở rộng băng tần.
Ta xét hệ thống MIMO với nt anten phát và nr anten thu. Sơ đồ hệ thống
được thể hiện như sau: ` ` ` 1 2 r n 1 2
Kênh vô tuyến MIMO
1 2 r n y y y % % % 1 2 r n y y y 1 2 r n s s s % % % 1 2 r n s s s nt Hình 2. 1. Sơđồ khối hệ thống MIMO
Ma trận phát là ma trận s gồm nt cột, si là thành phần cột thứ i. Ta coi kênh (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
đó là kênh Gausse sao cho các phần tử của s được xem như là biến số Gausse phân bốđồng dạng độc lập (i.i.d). Giả thiết tín hiệu phát trên mỗi anten có công suất như
nhau và bằng ES/nt. Ma trận hiệp phương sai cho tín hiệu phát này được thể hiện:
t S SS n t E R I n = (2.1) Với ES là công suất phát bất kể số anten nt và t n I là một ma trận đồng nhất t t n n× .Độ rộng băng tần tín hiệu phát quá hẹp đến nỗi tần sốđáp ứng của nó có thể
xem như không thay đổi. Ma trận kênh H là một ma trận phức nr×nt. Thành phần hi,j của ma trận là hệ số fading của anten phát thứ j tới anten thu thứ i. Ta giả thiết công suất thu của mỗi anten thu thì bằng tổng công suất phát ES. Điều này có nghĩa là ta mặc nhiên bỏ qua suy hao tín hiệu, độ lợi anten…Bởi vậy chúng ta đạt được sự
chuẩn hóa cho thành phần của H, với một kênh định trước là:
2 , 1 , 1, 2,..., t n i j t r j h n i n = = = ∑ (2.2)
Nếu các thành phần kênh không được xác định trước mà là ngẫu nhiên, sự
chuẩn hóa sẽ cung cấp các giá trị mong muốn của (2.2).
Ta giả thiết ma trận kênh được biết ở máy thu nhưng không biết trước ở máy phát. Ma trận kênh có thểđược ước tính ở máy thu bằng việc truyền một chuỗi huấn luyện. Nếu ta yêu cầu phía phát biết kênh này, chúng ta cần truyền thông tin tới máy phát qua một kênh phản hồi. Các phần tử của H có thể được xác định trước hoặc là ngẫu nhiên. Tạp âm ở máy thu là một ma trận đứng khác, kích thước MRx1, được diễn giải bởi n. Thành phần của n là biến số Gauss tròn có phân bốđối xứng trung bình bằng không (ZMCSCG). Ma trận hiệp phương sai của tạp âm thu là: