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 một kênh con (subchannel), và mỗi thuê bao được chỉ định một hoặc nhiều kênh con để truyền phát dựa trên mỗi yêu cầu cụ thể về lưu lượng của mỗi thuê bao.
Hình 2.5 Công nghệ OFDM và OFDMA
OFDMA có một số ưu điểm như khả năng linh hoạt tăng và thông lượng và tính ổn định được cải tiến. Bằng việc ấn định 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 như ảnh hưởng nhiễu đa truy nhập- MAI (multiple access
interference). Hơn nữa, hiện tượng các kênh con cho phép tập trung công suất phát qua một số lượng các sóng mang con ít hơn. Kết quả này làm tăng số đường truyền dẫn đến tăng phạm vi và khả năng phủ sóng.
Việc sửa đổi bổ sung chuẩn IEEE 802.16e-2005 được triển khai nhằm mở rộng chuẩn vô tuyến 802.16 đáp ứng các ứng dụng di động. Sự bổ sung này cho phép công nghệ OFDMA đáp ứng nhiều tính năng sử dụng một cách linh hoạt và các thách thức về việc các thuê bao di động di chuyển nhanh trong môi trường NLOS. Chuẩn 802.16e-2005 hỗ trợ 3 tuỳ chọn phân phối kênh con, tuỳ theo các tình huống sử dụng như sau:
- Các sóng mang con có thể được tán xạ thông qua kênh tần số. Điều này liên quan hoàn toàn tới việc sử dụng phân hoá kênh con (sub-channelization) hoặc FUSC
- Một số nhóm sóng mang con tán xạ có thể được sử dụng để tạo thành một kênh con. Điều này liên quan 1 phần tới việc sử dụng phân hoá kênh con (sub- channelization) hoặc PUSC
- Các kênh con có thể được tạo ra bởi các nhóm sóng mang con tiếp theo. Điều này liên quan tới sự điều biến và mã hoá tuỳ ứng hoặc AMC.
Cấu trúc ký hiệu OFDMA bao gồm 3 loại sóng mang con được biểu diễn như hình sau:
- Sóng mang con dữ liệu cho truyền dữ liệu
- Sóng mang con dẫn đường cho mục đích đánh giá và đồng bộ
- Sóng mang con vô dụng không dùng cho truyền dẫn mà được sử dụng cho dải bảo vệ và các sóng mang DC
Hình 2.6 Cấu trúc sóng mang con OFDMA
Trong OFDM ,tất cả các sóng mang được truyền song song với cùng 1 biên độ. OFDMA chia không gian sóng mang thành NG nhóm,mỗi nhóm có NE sóng mang,và tạo thành NE kênh con, mỗi một kênh con có 1 sóng mang trên nhóm.
Hình 2.7 Kênh con hóa trong OFDMA
Trường hợp OFDMA với 2048 sóng mang sẽ có NE=32 và NG=48 ở luồng xuống và NE=32 và NG=53 ở luồng lên,với các sóng mang còn lại được sử dụng cho pilot và bảo vệ. Mã hoá, điều chế và biên độ được phân biệt cho mỗi 1 kênh con phụ thuộc vào điều kiện kênh để tối ưu hoá tài nguyên mạng.
Các sóng mang con tích cực ( dữ liệu và dẫn đường ) được nhóm lại thành những tập hợp con gọi là kênh con.Lớp vật lý ( PHY ) Wimax OFDMA hỗ trợ kênh con hóa theo cả 2 hướng DL và UL. Đơn vị tài nguyên tần số - thời gian tối thiểu của kênh con hóa là một khe, tương đương với 48 nhịp dữ liệu ( sóng mang con ).
Việc sửa đổi bổ sung chuẩn IEEE 802.16e-2005 được triển khai nhằm mở rộng chuẩn vô tuyến 802.16 đáp ứng các ứng dụng di động. Sự bổ sung này cho phép công nghệ OFDMA đáp ứng nhiều tính năng sử dụng một cách linh hoạt và các thách thức về việc các thuê bao di động di chuyển nhanh trong môi trường NLOS.
Ưu điểm của OFDMA so với OFDM
OFDM OFDMA Ghi chú
Thay đỗi cỡ FFT
Không(chỉ có 256 FFT/2.5Mhz)
Có Linh hoạt khi thiết kế hệ thống Phân kênh
phụ UL
(option), ít mô hình sắp xếp
Có Thay đổi mô hình sắp xếp các sóng mang phụ nhằm nâng cao chất lượng tín hiệu phù hợp với các loại dịch vụ và người dùng cố định, normaldic hay di động
Taí sử dụng tần số
Ít linh hoạt Linh hoạt OFDMA đưa ra nhiều mô hình sắp xếp sóng mang phụ do đó dễ dàng hơn khi triển khai tái sử dụng tần số
Bảng 2.1 Ưu điểm của OFDMA so với OFDM
2.1.3 Scalable OFDMA ( S-OFDMA )
mở rộng công nghệ S - OFDM đã hỗ trợ khả năng điều chỉnh OFDMA cho phù hợp với độ rộng kênh đang được sử dụng. S - OFDM hỗ trợ những băng thông dải rộng một cách linh hoạt cần thiết cho sự cấp phát nhiều loại phổ khác nhau cũng như yêu cầu cho những mô hình hữu ích khác.
Theo nguyên tắc khi ấn định số lượng dải phổ dành cho các nhà cung cấp dịch vụ khác, các thông số công nghệ OFDMA có thể được tối ưu hoá sao cho tỷ lệ với dải băng tần cấp cho một nhà cung cấp dịch vụ cụ thể. Đối với công nghệ S - OFDM, khả năng mở rộng được hỗ trợ bằng cách điều chỉnh kích thước FFT trong khi vẫn giữ nguyên độ rộng băng tần sóng mang con, có nghĩa là khi độ rộng kênh thay đổi, thì kích thước FFT cũng sẽ thay đổi theo một tỷ lệ nhất định với độ rộng kênh, sao cho khoảng cách giữa các sóng mang phụ là không đổi. Ví dụ, trong kênh tần số 5GHz một FFT kích cỡ 512 sóng mang con được xác định còn một kênh 10MHz, một FFT kích cỡ 1024 được xác định. Điều đó đảm bảo rằng cả hai hệ thống 5MHz và 10MHz có cùng khoảng thời gian của ký tự và do đó có cùng khả năng chống méo đa đường kể cả khi 2 hệ thống khác nhau về kích cỡ. Do đó, băng thông sóng mang con theo đơn vị tài nguyên và khoảng thời gian của ký hiệu được giữ nguyên, ảnh hưởng tới các lớp cao hơn cũng được giảm tối thiểu khi lấy tỉ lệ băng thông.
Tham số Giá trị
Băng thông kênh hệ thống ( MHz ) 1.25 5 10 20 Tần số lấy mẫu ( Fp ở MHz ) 1.4 5.6 11.2 22.4
Kích thước FFT ( N 128 512 1024 2048
Số kênh con 2 8 16 32
Độ rộng tần số sóng mang con 10.94 KHz Khoảng thời gian symbol hữu ích 91.4 µs
Khoảng thời gian bảo vệ 11.4 µs
Độ dài ký hiệu OFDMA 102.9 µs
Số ký hiệu OFDMA ( Khung 5ms ) 48
Bảng 2.2 Các tham số tỉ lệ OFDMA
2.1.4 Các mô hình sắp xếp sóng mang con
Chuẩn 802.16e-2005 hỗ trợ 3 tuỳ chọn phân phối kênh con, tuỳ theo các tình huống sử dụng như sau:
- Các sóng mang con có thể được tán xạ thông qua kênh tần số. Điều này liên quan hoàn toàn tới việc sử dụng phân hoá kênh con (sub-channelization) hoặc FUSC
- Một số nhóm sóng mang con tán xạ có thể được sử dụng để tạo thành một kênh con. Điều này liên quan 1 phần tới việc sử dụng phân hoá kênh con ( sub- channelization ) hoặc PUSC
- Các kênh con có thể được tạo ra bởi các nhóm sóng mang con tiếp theo. Điều này liên quan tới sự điều biến và mã hoá tuỳ ứng hoặc AMC
9 Mô hình FUSC
Hình 2.8 Sự tạo kênh trong mô hình FUSH
• Các sóng mang con trải dọc trên băng thông
• Các sóng mang pilot có vị trí cố định
• Băng thông được phân thành các khối nhỏ nhất có 48 sóng mang phụ và một symbol OFDMA
Với mô hình này, do các sóng mang phụ được trải dọc trên băng thông nên đạt được theo phân tập tần số là tốt nhất. FUSH được dùng chủ yếu cho đường xuống.
9 Mô hình PUSC
• Đối với DL PUSC: Các sóng mang con khả dụng sẽ được nhóm thành các cluster
Hình 2.9 Cluster trong mô hình DL PUSH
- Mỗi cluster chứa 28 sóng mang con liền kề trải đều trên 2 symbol OFDMA
- 4 sóng mang pilot trên mỗi cluster
- 2 cluster/ kênh con sẽ chứa 48 sóng mang phụ
Hình 2.10 Tile trong mô hình UL PUSH
- Tile chứa 4 sóng mang con liền kề trải trên 3 symbol OFDMA - Mỗi tile chứa 4 sóng mang pilot.
- 4 sóng mang con x 6 tile/kênh con = 48 sóng mang con
Đối với mô hình này, do các sóng mang con được nhóm vào các cluster, nên rất thuận lợi cho việc tái sử dụng tài nguyên tần số. PUSH được sử dụng cho cả đường lên và đường xuống.
9 Mô hình AMC
Không gian các sóng mang con được chia thành các Bin. Mỗi Bin gồm có 9 sóng mang con liền kề trong 1 symbol ,trong đó có 8 sóng mang con dữ liệu và 1 sóng mang con pilot.
Một kênh con được tạo thành bởi 1 tập các Bin có dạng MxN (trong đó M là số Bin liền kề/1symbol,N là số Symbol liền kề).Tập hợp có thể có của MxN là 6x1,3x2,2x3,1x6. AMC được sử dụng cho cả đường lên và đường xuống.
Hình 2.11 Bin trong mô hình AMC
Trong hệ thống sử dụng TDD và FDD bán song công, các trạm thuê bao chấp nhận phải được tạo bởi khoảng hở truyền dẫn giữa các trạm thuê bao thu/phát SSRTG (
Subscriber Station Receive/Transmit Transition Gap ) và khoảng hở truyền dẫn giữa các trạm thuê bao phát/thu SSTTG ( Subscriber Station Transmit/Receive Transition Gap ). Trạm gốc sẽ không thể truyền thông tin đường xuống tới một trạm muộn hơn thời gian SSRTG và trễ vòng lặp RTD ( Round Trip Delay ) trước khi bắt đầu việc lập lịch cấp phát đường lên đầu tiên của nó. Thêm vào đó, trạm thuê bao không những được phép để thu nhận mào đầu đường xuống ( preamble downlink ) cho mỗi khung mà nó còn chứa đựng dữ liệu DL trong đó, bảo đảm cho các khoảng được chỉ định ở trên không được chồng lấp vào phần mào đầu. Các thông số SSRTG và SSTTG được cung cấp bởi BS và SS dựa trên những yêu cầu trong quá trình đi vào mạng.
Hình sau minh họa cấu trúc khung OFDMA ở chế độ TDD. Mỗi khung được chia ra thành các khung lên và khung xuống bởi bộ Phát / Thu và Thu / Phát để tránh đụng độ giữa đường lên và đường xuống. Trong một khung, các thông tin điều khiển đi theo để đảm bảo hệ thống hoạt động tối ưu:
- Phần đầu khung ( Preamble ): Phần mào đầu, được sử dụng cho đồng bộ, là symbol OFDM đầu tiên của khung.
- Tiêu đề điểu khiển khung FCH ( Frame Control Head ): FCH nằm sau phần mào đầu khung. Nó cung cấp thông tin cấu hình khung như độ dài bản tin MAP, nguyên lý mã hóa và các kênh con hữu dụng.
- DL-MAP và UL-MAP: DL-MAP và UL-MAP cung cấp sự cấp phát kênh con và các thông tin điều khiển khác lần lượt cho các khung con DL và UL.
- Sắp xếp UL: Kênh con sắp xếp cho UL được cấp phát cho các trạm di động MS ( Mobile Station ) để điều chỉnh thời gian vòng kín, tần số và công suất cũng như yêu cầu về băng thông.
- UL CQICH: Kênh UL CQICH cung cấp cho trạm di động MS để phản hồi thông tin trạng thái kênh.
- UL ACK: Kênh UL ACK cung cấp cho trạm di động MS để phản hồi thông tin báo nhận DL HARQ.
Hình 2.12 Cấu trúc khung OFDMA trong chếđộ TDD
Kênh con được cấp phát trên đường xuống có thể hoạt động theo những cách sau: Kênh con được sử dụng một phần PUSC ( Partial Usage of Subchannel ) khi mà chỉ một số các kênh con được cấp phát dành cho truyền dẫn. FCH sẽ được truyền đi sử dụng điều chế QPSK tốc độ1/2 với 4 sự lặp lại sử dụng biểu đồ mã hóa bắt buộc ( thông tin FCH sẽ được gửi vào trong 4 kênh con cùng với số lượng kênh con logic kế tiếp ) trong vùng PUSC. FCH chứa đựng tiền tố khung DL ( DL_Frame_Prefix ) được biểu diễn ở hình dưới và độ dài lý thuyết của bản tin DL MAP đi theo trực tiếp DL_Frame_Prefix, và mã hóa lặp được sử dụng cho bản tin UL MAP.
Việc chuyển trạng thái từ giữa điều chế và mã hóa diễn ra ở ranh giới các khe trong miền thời gian ( trừ miền AAS ) và ở các kênh con bên trong ký hiệu OFDMA trong miền tần số.
Trong WiMax di động, việc sử dụng kênh con linh hoạt được thực hiện dễ dàng do phân đoạn kênh con và vùng hoán vị. Một phân đoạn là một sự phân mảnh của các kênh con OFDMA sẵn có (một đoạn có thể gồm toàn bộ các kênh con). Một đoạn được sử dụng để triển khai một trường hợp đơn lẻ của MAC. Như vậy , khung OFMDA có thể chứa nhiều vùng ( như là PUSC, FUSC, PUSC với tất cả các kênh con, FUSC tùy chọn, AMC, USC1 và USC2 … ). Vùng hoán vị là một số lượng các ký hiệu OFDMA liền kề trong DL hoặc UL mà sử dụng cùng hoán vị. Khung con DL hoặc UL bao gồm nhiều hơn một vùng hoán vị được mô tả trên dưới.
Hình 2.13 Minh họa khung OFDMA với cấu trúc đa vùng
Những giới hạn dưới đây được ứng dụng cho cấp phát đường xuống
- Số lượng tối đa cho các vùng đường xuống là 8 trong một khung con đường xuống
- Đối với mỗi SS, số lượng tối đa các burst được giải mã trong một khung con đường xuống là 64. Nó bao gồm tất cả các burst không có CID hoặc CID trùng với CID của SS.
- Đối với mỗi SS, số lượng tối đa các burst truyền một cách đồng thời và trực tiếp tới MS được giới hạn bởi các giá trị lý thuyết trong Max_Num_TLV ( bao gồm tất cả các burst không có CID hoặc có CID trùng với CID của MS ). Các burst truyền đồng thời là những burst chia sẻ những ký hiệu OFDMA giống nhau. Trước khi MS hoàn thành việc trao đổi với BS sẽ truyền dữ liệu tới MS đồng thời trong burst dữ liệu đầu tiên của mỗi ký hiệu.
Nếu BS cấp phát nhiều dữ liệu burst hay zone hơn thì sau đó SS sẽ được yêu cầu giải mã các burst/zone đầu tiên trước khi đạt tới giới hạn.
2.2 Lớp MAC
Cũng giống như chuẩn 802.16d dành cho WiMAX di động, giao thức MAC IEEE trong 802.16e được thiết kế cho những ứng dụng truy nhập không dây băng rộng theo mô hình mạng “ điểm – đa điểm” ( point to multipoint ). Nó hướng vào nhu cầu những tốc độ truyền theo bit rất cao tuỳ theo khả năng di động của trạm đầu cuối, cả đường lên (tới BS) và đường xuống (từ BS). Những giải thuật truy cập và định vị dải thông phải thích ứng hàng trăm thiết bị đầu cuối cho mỗi kênh, với những thiết bị đầu cuối dùng chung cho nhiều người dùng cuối. Những dịch vụ được yêu cầu bởi những người dùng cuối này vẫn thay đổi như vốn có và bao gồm tiếng và dữ liệu TDM ( time-division multiplex ) kế thừa, kết nối IP ( Internet Protocol ) và VoIP ( Voice over IP ) gói hóa. Để hỗ trợ sự đa dạng các dịch vụ, MAC 802.16e phải điều tiết cả hai lưu lượng liên tục (continuous) và không liên tục (bursty). Đồng thời, những dịch vụ này đang chờ để được gán chất lượng dịch vụ (QoS) thích hợp với những kiểu lưu lượng như vậy. MAC 802.16e cung cấp một phạm vi rộng các kiểu dịch vụ tương tự như những dịch vụ ATM truyền thống cũng như những dịch vụ mới hơn như GFR (
guaranteed frame rate ).
Giao thức MAC 802.16e cũng phải hỗ trợ một sự đa dạng các nhu cầu gửi trả về, bao gồm giao thức ATM và giao thức dựa theo gói ( packet-based ). Thông qua
những đặc tính như chặn đầu mục tải tối đa (payload header), đóng gói và phân mảnh, những lớp con quy tụ và MAC làm việc cùng nhau để mang lại một lưu lượng nhiều hiệu quả hơn cơ chế vận chuyển vốn có. Cơ chế "request-grant" (cấp phát theo yêu cầu) được thiết kế để có thể biến đổi, có hiệu suất cao và tự sửa chữa lỗi.
Cùng với những nhiệm vụ cơ bản như cấp phát dải thông và vận chuyển dữ liệu,