Chuẩn IEEE 802.16c được đưa ra vào tháng 9/2002. Chuẩn được nâng cấp lên từ chuẩn 802.16 – 2001. Bản cập nhật đã sửa một số lỗi và sự mâu thuẫn trong bản tiêu chuẩn ban đầu và thêm vào một số profiles hệ thống chi tiết cho dải tần 10 – 66 GHz.
1.7.4 Chuẩn IEEE 802.16d - 2004
Chuẩn IEEE 802.16-2004 được chính thức phê chuẩn ngày 24/07/2004 và được công bố rộng rãi vào tháng 9/2004. IEEE 802.16 – 2004 thường được gọi với tên 802.16-REVd. Chuẩn này được hình thành dựa trên sự tích hợp các chuẩn 802.16- 2001, 802.16a, 802.16c. Chuẩn mới này đã được phát triển thành một tập các đặc tả hệ thống có tên là IEEE 802.16-REVd, nhưng đủ toàn diện để phân loại như là một sự kế thừa hoàn chỉnh chuẩn IEEE 802.16 ban đầu.
Chuẩn 802.16d hỗ trợ cả 2 dải tần số, cho phép kết nối thực hiện ở các môi trường khác nhau:
- Băng tần 10 – 66 Ghz: với băng tần này thường được dùng trong môi trường tầm nhìn thẳng ( LOS ). Độ rộng kênh được khuyến nghị cho dải tần này là 25 đến 28 MHz. Nó cung cấp khả năng hỗ trợ tốt trong những ứng dụng mô hình điểm – đa điểm.
- Băng tần 2 – 11 GHz: với băng tần này thường được dùng trong môi trường không trong tầm nhìn thẳng ( NLOS ).Nó cung cấp khả năng hỗ trợ tốt trong những ứng dụng mô hình Mesh.
1.7.5 Chuẩn IEEE 802.16e – 2005
Chuẩn 802.16e - 2005 được tổ chức IEEE đưa ra vào tháng 11 - 2005. Đây là phiên bản phát triển dựa trên việc nâng cấp chuẩn 802.16 - 2004 nhằm hỗ trợ thêm cho các dịch vụ di động. Chuẩn này sử dụng kỹ thuật đa truy nhập SOFDMA ( Scalable Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access ), kỹ thuật điều chế đa sóng mang
sử dụng kênh phụ. Băng tần được khuyến cáo dành cho chuẩn là < 6Ghz để phục vụ cho các ứng dụng trong môi trường không trong tầm nhìn thẳng và ứng dụng di động. Tuy tốc độ và khả năng bao phủ không được lớn như chuẩn cố định, nhưng với kênh băng thông 10 Mhz, nó cũng có thể đạt tới tốc độ 30 MHz, với khả năng bao phủ tới 15 km. Một đặc điểm nổi bật của chuẩn này là có thể ứng dụng trong môi trường di động với tốc độ lý thuyết có thể lên tới đến 120 km/h.
► Với những đặc điểm và sự phát triển của các chuẩn 802.16 nói trên, ta có thể nhận thấy được sự khác nhau về cơ bản, cũng như nhận biết được những tính kế thừa của các chuẩn này.
Chuẩn 802.16 802.16a/REVd 802.16e
Dải tần số 10-66GHz <11GHz <6GHz
Môi trường
truyền Line of Sight Non Light of Sight
Non Light of Sight
Tốc độ 32-144Mbps Up to 75 Mbps Up to 15 Mbps Điều chế QPSK OFDM 256 sub-carrier,
QPSK,16QAM,64QAM Tương tự 802.16a Mức di động Cố định Cố định Có thể cho tốc độ di chuyển thấp Băng thông
kênh 20,25,28MHz Dải kênh 1.25-20 MHz
Tương tự 802.16a Bán kính cell 1.7-5km 5 tới 10km; tối đa 50 km tùy 1.7-5km
thuộc vào điều kiện truyền
Bảng 1.1 So sánh các chuẩn 802.16
Nhưđã đề cập ở phần đầu chương, WiMAX – hay còn gọi theo tên kỹ thuật là
chuẩn 802.16 - tập trung vào 2 lớp thấp nhất của mô hình OSI, đó là lớp PHY và lớp
MAC. Chương tiếp theo chúng ta sẽ cùng nghiên cứu về vai trò cũng nhưđặc tính
kỹ thuật của 2 lớp này đối với chuẩn IEEE 802.16e trong việc phát triển WiMAX di
Chương 2.
LỚP MAC VÀ PHY TRONG CHUẨN IEEE 802.16e
Chuẩn IEEE 802.16 đã đưa ra một mô hình cho hệ thống truy cập không dây băng rộng, nó là chuẩn thiết kế cho hai lớp thấp nhất trong mô hình OSI là lớp PHY và lớp MAC. Chuẩn này đưa ra nhiều cấu hình dành cho lớp PHY như lớp vật lý đơn sóng mang (SC PHY layer), lớp vật lý OFDM (OFDM PHY layer), lớp vật lý OFDMA (OFDMA PHY layer). Các lớp vật lý này sẽ được các nhà sản xuất lựa chọn khi sản xuất thiết bị. Đối với chuẩn 802.16e của WiMAX di động thì vị trí tương đối của lớp PHY và lớp MAC được trình bày như hình 2.1:
Hình 2.1 Mô hình lớp PHY và MAC
Nhưng đã được sửa đổi và chỉ ra ở trong chuẩn IEEE 802.16e, thiết kế cho các hệ thống hoạt động ở dải tần từ 2 GHz đến 6 GHz. Ý nghĩa quan trọng của sự khác nhau giữa hai băng tần trên đó là khả năng hỗ trợ trong tầm nhìn không thẳng NLOS và ở tần số thấp khi mà các thiết bị không thể thực hiện được ở tần số cao. Lớp MAC mô tả trong 802.16e bao gồm 3 lớp con: Lớp con hội tụ chuyên biệt dịch vụ ( Service Specific Convergence Sublayer ), lớp con MAC phần chung ( MAC Common Part Sublayer ) và lớp con bảo mật ( Privacy Sublayer ).
2.1 Lớp PHY
Với những công bố của chuẩn 802.16e, lớp PHY chỉ định hoạt động ở tần số từ 2 – 6 GHz, được thiết kế với khả năng linh hoạt cao để có thể cho phép các nhà cung cấp dịch vụ có thể triển khai hệ thống một cách tích cực phù hợp với việc thiết kế cell, chi phí, khả năng truyền sóng, dịch vụ và băng thông.
Chuẩn này có kiến trúc điểm - đa điểm, nên về cơ bản BS truyền một tín hiệu TDM với những trạm thuê bao riêng lẻ được định vị những khe thời gian theo chu kỳ. Tuy nhiên để có thể sử dụng phổ một cách linh hoạt nhất, cả 2 phương thức TDD và FDD đều được hỗ trợ. Cả 2 dạng này đều sử dụng định dạng truyền dẫn burst mà được hỗ trợ trong cơ chế đóng khung để các thông số burst thích ứng với các thông số truyền dẫn, bao gồm cả phương thức điều chế và mã hoá, có thể điều chỉnh một cách riêng biệt cho mỗi SS dựa trên cơ sở từng khung một. Trường hợp FDD hỗ trợ các SS song công cũng như các SS bán song công không thể đồng thời truyền và nhận tại cùng một thời điểm. Việc lựa chọn TDD hay FDD hỗ trợ những burst thích hợp trong đó việc điều chế và mã hóa có thể được gán động trên từng burst một với mỗi trạm thuê bao CPE (Customer Premise Equipment).
OFDMA PHY dựa trên một trong số những phương pháp biến đổi FFT 2048 ( thích hợp với các chuẩn sau IEEE 802.16 – 2004 ) , hay 1024, 512 và 128 point đều được hỗ trợ. Sự tương hợp đó hỗ trợ cho tất cả những kênh băng thông khác nhau.
2.1.1 Phương thức song công FDD và TDD
WiMAX di động hỗ trợ cả hai phương thức song công FDD và TDD trong các mô hình ứng dụng của nó. Phiên bản đầu tiên cho chuẩn Wimax di động được phê chuẩn bởi diễn đàn Wimax chỉ hỗ trợ TDD.Với những phiên bản sau, diễn đàn Wimax sẽ đề cập đến các thông số FDD để định lại các cơ hội thị trường riêng biệt , nơi mà những yêu cầu phân định các phổ cục bộ cũng như kế thừa TDD hoặc những triển khai phù hợp hơn cho FDD.
- FDD ( Frequency Division Duplexing ): kỹ thuật này chia kênh tần số ra làm hai kênh riêng biệt, một tần số được sử dụng cho chiều lên, còn tần số còn lại được sử dụng cho chiều xuống.
- TDD ( Time Division Duplexing ): Kỹ thuật này cho phép các khung đường lên và đường xuống có thể nằm trên cùng một kênh, tuy chúng ở những khe thời gian khác nhau .
Hình 2.2 Hai chếđộ song công TDD và FDD
Đối với các vấn đề nhiễu, TDD yêu cầu sự đồng bộ hóa hệ thống diện rộng. Tuy nhiên, trong WiMAX di động TDD thường được ưu tiên ở chế độ song công vì những lý do sau:
- TDD cho phép điều chỉnh tỷ lệ DL / UL ( đường xuống / đường lên ) để hỗ trợ hiệu quả lưu lượng bất đối xứng giữa đường lên và đường xuống, trong khi với FDD, đường lên và đường xuống luôn được giữ cố định, và thông thường băng thông đường lên và đường xuống bằng nhau
- TDD bảo đảm sự trao đổi kênh nhằm hỗ trợ tốt hơn cho các kết nối thích ứng, MIMO và các công nghệ anten nâng cao khác.
- Không giống như FDD yêu cầu một cặp kênh, TDD chỉ yêu cầu một kênh duy nhất cho cả đường lên và đường xuống, đem lại sự thích ứng linh động hơn cho việc cấp phát phổ tần số khác nhau.
- Bộ thu phát được thiết kế cho việc thực hiện TDD cũng đơn giản hơn và do vậy đỡ tốn kém hơn.
2.1.2 Kỹ thuật điều chế OFDM và OFDMA
2.1.2.1 Kỹ thuật điều chế OFDM
Công nghệ ghép kênh phân chia tần số trực giao (OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là một kỹ thuật ghép kênh mà nó được thực hiện bằng cách chia dòng số liệu truyền đi thành nhiều các dòng số liệu song song với tốc độ dữ liệu giảm đi. Mỗi một dòng dữ liệu này sau đó được truyền lên những sóng mang riêng biệt, được gọi là các sóng mang con ( Sub – carrier ). Các sóng mang này được điều chế trực giao với nhau bằng cách chọn tần số cách quãng thích hợp giữa chúng, nghĩa là các kênh con được xếp đặt trên miền tần số cách nhau một khoảng đều đặn sao cho điểm cực đại của một kênh con là điểm không của kênh con lân cận. Những sóng mang này sau đó ghép thành các kênh tần số để truyền vô tuyến.
Hình 2.3 Kỹ thuật ghép kênh theo tần số trực giao
Điều này làm nguyên lý trực giao thoả mãn và cho phép chồng phổ giữa các sóng mang vì tính trực giao vẫn đảm bảo cho thiết bị thu nhận có thể phân biệt được các sóng mang con OFDM và khôi phục lại các tín hiệu này.
Điều chế đa sóng mang theo tần số trực giao OFDM là một dạng đặc biệt của phép điều chế đa sóng mang thông thường FDM, là công nghệ sử dụng nhiều tần số để truyền tín hiệu song song trong cùng một thời điểm.
OFDM khai thác sự phân tập tần số của kênh đa đường bằng cách mã hoá và chèn thông tin trên các sóng mang con trước khi truyền đi. Điều chế OFDM có thể thực hiện được với biến đổi ngược Fourier nhanh - IFFT, phép biến đổi này cho phép một số lượng lớn các sóng mang con (lên tới 2048) với độ phức tạp thấp. Trong một hệ thống OFDM, tài nguyên sẵn có trong miền thời gian chính là các symbol OFDM và trong miền tần số chính là các sóng mang con.
Hiệu quả của OFDM có thể thấy được là yêu cầu về băng thông giảm đi rất nhiều nhờ việc bỏ đi khoảng bảo vệ. Do đó OFDM hiệu quả hơn FDM trong trải phổ bởi khoảng cách giữa các kênh con gần nhau hơn ( gần như chúng chồng lẫn lên nhau ). Nhờ sự trực giao này mà hiệu quả sử dụng phổ tín hiệu của toàn bộ hệ thống tăng lên rõ rệt mà không gây ra nhiễu.
Một ký hiệu OFDM được tạo thành từ các sóng mang con. Số lượng các sóng mang con phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ rộng kênh và mức độ nhiễu. Con số này tương ứng với kích thước FFT ( Fast Fourier Transformer ). Chuẩn giao tiếp vô tuyến 802.16-2004 xác định rõ 256 sóng mang con, tương 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 1.25 tới 20MHz để duy trì tương 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 mang con trực giao truyền song song với các ký tự có khoảng thời gian dài đảm bảo rằng lưu lượng băng thông rộng không bị hạn chế do môi trường bị che chắn tầm nhìn (NLOS) và nhiễu do hiện tượng đa đường dẫn.
Cấu trúc theo miền thời gian của một symbol có dạng sau:
Tiền tố vòng - CP (cyclic prefix) chính là sự lặp lại phần dữ liệu gồm các mẫu cuối của khối được gắn vào trước một tải tin .CPcó thể hoàn toàn loại bỏ nhiễu xuyên ký hiệu (ISI) miễn là thời lượng CP lâu hơn trễ kênh lan truyền. Chính CP chống lại nhiễu liên khối và làm kênh quay vòng và cho phép cân bằng miền tần số với độ phức tạp thấp. Tuy vậy, một hạn chế của CP là nó được thêm vào trước tải tin làm giảm hiệu suất sử dụng băng thông. CP không chỉ làm giảm hiệu suất băng thông, ảnh hưởng của CP cũng tương tự như hệ số rolloff trong các hệ thống sóng mang đơn được lọc cosine nâng. Do OFDM có một phổ "tường gạch" (đan xen) rất nhọn, một tỉ lệ lớn các băng thông kênh cấp phát có thể được sử dụng cho truyền số liệu, giúp làm giảm suy hao hiệu suất do tiền tố vòng CP.
Mẫu tín hiệu OFDM có độ dài là Ts, trong đó Tb là khoảng thời gian thực của ký hiệu, ngoài ra còn có một chuỗi bảo vệ ( Guard Interval ) có độ dài Tg, thực chất là một chuỗi tín hiệu được sao chép từ phần phía sau Tb rồi đưa lên phần trước của ký hiệu này. Do đó cấu trúc của ký hiệu OFDM sẽ là:
Ts = Tb + Tg
Sự sao chép này có tác dụng chống lại nhiễu xuyên tín hiệu gây ra bởi hiệu ứng phân tập đa đường. Nguyên tắc này được giải thích như sau:
Nếu như máy phát phát đi một khoảng tín hiệu hình sin có chiều dài là Tb. Sau khi chèn chuỗi bảo vệ, tín hiệu này có chu kỳ là Ts = Tb + Tg. Do hiệu ứng phân tập đa đường, tín hiệu này sẽ đến máy thu qua nhiều tuyến đường truyền với trễ truyền dẫn khác nhau. Giả sử thời gian trễ truyền của tín hiệu ở đây là τ. Khi đó mẫu tín hiệu sau bị dịch sang mẫu tín hiệu trước một khoảng là τ do trễ truyền dẫn. Cứ như vậy các tín hiệu tiếp theo cũng sẽ bị dịch đi một khoảng τ so với tín hiệu trước nó. Tín hiệu thu được ở máy thu sẽ là tổng của tín hiệu tất cả các tuyến. Sự dịch tín hiệu do trễ truyền dẫn trong các phương pháp điều chế thông thường sẽ gây ra nhiễu xuyên tín hiệu ISI. Tuy nhiên trong hệ thống OFDM có sử dụng chuỗi bảo vệ sẽ loại bỏ được nhiễu này.
Trong trường hợp Tg ≥ τ thì phần bị chồng lấn tín hiệu gây nhiễu ISI chỉ nằm trong khoảng của chuỗi bảo vệ. Khoảng tín hiệu có ích có độ dài Ts không bị chồng lấn bởi các mẫu tín hiệu khác. Ở phía thu, chuỗi bảo vệ sẽ bị gạt bỏ trước khi gửi đến bộ giải điều chế OFDM. Như vậy điều kiện quyết định để đảm bảo hệ thống OFDM không bị ảnh hưởng bởi nhiễu ISI là:
Tg ≥ τ
Việc sử dụng chuỗi bảo vệ đảm bảo tính trực giao của các sóng mang phụ, do vậy đơn giản hoá cấu trúc bộ đánh giá kênh truyền, bộ cân bằng tín hiệu ở phía máy thu. Tuy nhiên chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích nên phổ tín hiệu của hệ thống giảm đi một hệ số là:
η =
Ts Tg
Các ưu nhược điểm của phương pháp OFDM
• Ưu điểm:
- Tăng hiệu suất phổ và tốc độ dữ liệu
- Ảnh hưởng của nhiễu xuyên kí hiệu ISI giảm đi đáng kể
- Ảnh hưởng của hiệu ứng lựa chọn tần số kênh cũng giảm do kênh được chia ra làm nhiều kênh phụ
- Độ phức tạp của bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu cho hệ thống cũng giảm đi
• Nhược điểm
- Tỉ số công suất đỉnh trên trung bình (PAPR) cao
- Nhạy cảm với sự dịch tần số.Sự dịch tần số sẽ làm giảm tính trực giao của các sóng mang.
2.1.2.2 Kỹ thuật điều chế OFDMA
Truy cập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) là công nghệ đa sóng mang phát triển từ công nghệ OFDM , ứng dụng như một công nghệ đa truy cập. Được diễn tả như ở biểu đồ dưới 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 được biểu thị như