Chuẩn 802.16e là phiên bản 802.16-2004 bổ sung những đặc tả cần thiết để hỗ
trợ cho khả năng di động của thiết bị thu. Vì vậy, dưới đây sẽ chỉ trình bày những chức năng khác biệt được bổ sung trong lớp MAC và lớp PHY tạo nên phiên bản chuẩn 802.16e.
2.2.1 Lớp PHY
2.2.1.1 Cơ sở về OFDMA
OFDM là một công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao, nó chia nhỏ băng tần thành những sóng mang con tần số khác biệt. Trong một hệ thống OFDM, chuỗi dữ liệu đầu vào được chia thành những chuỗi con song song có tốc
độ thấp và mỗi chuỗi con này được điều chế và phát đi trên một sóng mang con trực giao riêng.
OFDM khai thác sự đa dạng tần số của kênh truyền đa đường bằng cách mã hóa và xen kẽ thông tin được mang bởi sóng mang con trước khi truyền. Điều chế
OFDM có thểđược nhận dạng bằng phép biến đổi Fourier (nhanh) ngược IFFT, cho phép một số lượng lớn sóng mang con (lên tới 2048) với độ phức tạp không đáng kể. Trong hệ thống OFDM, tài nguyên sẵn có trong miền thời gian thể hiện qua symbol OFDM và trong miền tần số thể hiện ở sóng mang con. Tài nguyên thời gian và tần số có thể được tổ chức thành những kênh con (sub-channel) cấp cho những người dùng riêng. Công nghệ đa truy nhâp OFDMA là một cơ chế ghép kênh/ đa truy nhập cung cấp sự ghép những luồng dữ liệu từ nhiều người sử dụng vào những kênh con trên đường xuống và sự đa truy nhập vào mỗi kênh con ở đường lên.
Cấu trúc symbol OFDMA và Kênh con hóa
Cấu trúc symbol OFDMA bao gồm 3 loại sóng mang con: sóng mang con dữ
liệu (data sub-carrier) cho việc truyền dữ liệu; sóng mang con dẫn đường (pilot sub- carrier) cho những mục đích ước lượng kênh và đồng bộ; sóng mang con rỗng (null sub-carrier) không mang dữ liệu mà được sử dụng làm dải bảo vệ và sóng mang một chiều DC.
Hình 2.11 Cấu trúc sóng mang con OFDMA (miền tần số)
Những sóng mang con dữ liệu và dẫn đường được nhóm thành NG Group. Mỗi Group có NE sóng mang con, tạo thành NE kênh con, mỗi kênh con có một sóng mang ở mỗi group. Trong hệ thống OFDMA dùng 2048 sóng mang con,
đường xuống có NG = 48 sóng mang con và NE = 32 kênh con; đường lên NG = 53 sóng mang con, NE = 32 kênh con. Mã hóa, điều chế và biên độđược thiết lập riêng cho mỗi kênh con để tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên mạng.
Quá trình kênh con hóa (sub-channelization) định nghĩa những kênh con được cấp phát cho những thuê bao khác nhau phụ thuộc vào điều kiện kênh truyền và nhu cầu dữ liệu của họ. Điều này đem lại cho hệ thống khả năng mềm dẻo trong quản lý
băng thông và công suất phát, dẫn đến sử dụng tài nguyên hiệu quả hơn. Hiệu ứng kênh con hóa được trình bày trên hình 2.12 và 2.13.
Hình 2.12 OFDM và OFDMA
Hình 2.13 Hiệu ứng kênh con hoá (sub channelization)
2.2.1.2 SOFDMA (Scalable OFDMA)
Hệ thống Wireless MAN OFDMA chuẩn IEEE802.16e dựa trên công nghệ
SOFDMA. SOFDMA chính là công nghệ OFDMA nhưng kích thước FFT có thể
con sử dụng trong một symbol, khi độ rộng băng tần thay đổi thì khoảng cách giữa các sóng mang con được giữ không đổi ở 10,94 kHz. Đối với độ rộng băng tần lớn, số sóng mang con được tăng lên; và ngược lại độ rộng băng tần hẹp thì cần giảm số
sóng mang con. Điều này làm tăng hiệu suất sử dụng phổ trong những hệ thống độ
rộng kênh tần số lớn, và làm giảm chi phí trong những hệ thống kênh hẹp. Thông số của SOFDMA được liệt kê trong bảng 2.5.
Bảng 2.5: Thông số SOFDMA Thông số Giá trị Độ rộng băng tần hệ thống (MHz) 1,25 5 10 20 Tần số lấy mẫu (FS) (MHz) 1,4 5,6 11,2 22,4 Kích thước FFT (NFFT) 128 512 1024 2048 Số kênh con 2 8 16 32
Khoảng cách sóng mang con (∆f) 10,94 kHz Thời gian có ích của symbol (Tb = 1/f) 91,4 µs Thời gian bảo vệ (Tg = Tb/8) 11,4 µs Thời gian tồn tại symbol OFDMA (TS =
Tg + Tb) 102,9 µs
Số symbol OFDMA trong 1 khung 5ms 48
2.2.1.3 Các đặc tính lớp PHY cao cấp trong Mobile WiMAX
Wimax di động đã đưa ra các kỹ thuật: Điều chế thích nghi và mã hoá AMC (Adaptive modulation and coding), Yêu cầu lặp lại tự động kiểu kết hợp HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request) và Phản hồi kênh nhanh CQICH (Fast Channel Feedback), để nâng cao khả năng phủ sóng, dung lượng cho Wimax trong các ứng dụng di động.
Điều chế thích nghi và mã hóa AMC
Trong bất kỳ mạng đa tế bào-cellular nào, thuê bao di động sẽ thử nghiệm qua các điều kiện của đường truyền phát thay đổi theo thời gian và các vị trí tương ứng. Với công nghệ OFDMA, Biểu đồ mã hoá và điều chế nhất định có thể thích ứng trên mỗi thuê bao tùy theo các điều kiện của đường dẫn để tối đa hoá thông lượng
kênh truyền, trong khi vẫn duy trì chất lượng đường truyền tới mỗi thuê bao. Với hệ
thống OFDMA, các sóng mang con được điều chế với QPSK hoặc điều chế QAM hiệu quả hơn và thứ tự cao hơn – với biểu đồ điều chế tinh vi hơn, đạt được thông lượng cao hơn nhưng cũng dễ bị tác động của nhiễu và các tạp âm hơn. Bằng phương pháp điều chế thích ứng và biểu đồ mã hoá lỗi, việc đáp ứng tỉ lệ này này
đảm bảo số bit của mỗi sóng mang con được tối ưu tương đương với CINR cần thiết
để đảm bảo kết nối vô tuyến ổn định. Các Hệ thống OFDMA cũng có thể làm tăng thông lượng tới các thuê bao cá nhân bằng cách làm tăng số lượng kênh con đã cấp tại bất kỳ thời điểm nào.
Hình 2.14: Điều chế thích nghi và mã hóa dựa trên khoảng cách với BS
Trong WiMAX di động ở đường xuống, bắt buộc phải có các hỗ trợ điều chế
QPSK, 16QAM và 64QAM. Còn ở đường lên, 64QAM là tuỳ chọn. Cả mã hoá xoắn và mã hoá Turbo vòng với tốc độ mã thay đổi và mã lặp cũng được hỗ trợ. Ngoài ra, mã khối Turbo và mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp LDPC (Low Density Party Check Code) cũng được hỗ trợ như là một tính năng tuỳ chọn. Các phương thức điều chế và mã hóa được hỗ trợ trong 802.16e được liệt kê trong bảng 2.6:
Bảng 2.6: Các phương thức điều chế và Mã hóa được hỗ trợ trong 802.16e
Đường xuống (DL) Đường lên (UL)
Điều chế QPSK, 16QAM, 64QAM QPSK, 16QAM, 64QAM
(tùy chọn)
CC 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 1/2, 2/3, 5/6 (tùy chọn) Tốc độ mã hóa
Sự kết hợp các kỹ thuật điều chế và tốc độ mã đã cung cấp sự phân giải hợp lý cho tốc độ dữ liệu như minh hoạ cho bảng 3 biểu diễn tốc độ dữ liệu cho 2 kênh 5 và 10 MHz với các kênh con PUSC. Độ dài khung là 5ms. Mỗi khung có 48 symbol OFDM, với 44 symbol OFDM là hữu dụng cho việc truyền dữ liệu. Các giá trịđược
đánh dấu đậm chỉ ra tốc độ bit của kỹ thuật 64QAM tuỳ chọn cho đường UL. Bảng 2.7 thể hiện tốc độ dữ liệu lớp PHY trong Mobile WiMAX.
Bảng 2.7: Tốc độ dữ liệu lớp PHY Mobile WiMAX
Phản hồi kênh nhanh CIQCH
Sự lập lịch tại trạm gốc BS (Base Station) xác định tốc độ dữ liệu phù hợp cho mỗi sự cấp phát truyền loạt dựa trên kích thước bộđệm và điều kiện truyền sóng ở
phía thu… Một kênh chỉ thị chất lượng kênh CQI (Channel Quality Indicator) được sử dụng để cung cấp thông tin trạng thái kênh từ thiết bị người sử dụng đầu cuối
đến bộ lập lịch trạm gốc. Những thông tin trạng thái kênh có liên quan có thểđược phản hồi bởi CQICH bao gồm có: CINR lớp vật lý, hiệu suất CINR, lựa chọn chế độ MIMO và lựa chọn tần số, lựa chọn kênh con. Với kỹ thuật TDD, các liên kết
thích ứng cũng có những ưu điểm về trao đổi kênh nhằm cung cấp những đánh giá chính xác hơn về tình trạng kênh.
Thông điệp chỉ thị chất lượng kênh phát theo thời gian (CQI) tại khối thu rất cần thiết đểđiều khiển công suất thích ứng và tốc độ và mang lại hiệu quả cao. Việc hỗ trợ các dịch vụ di động yêu cầu thực hiện tác động chính xác nhanh vào thiết bị
truyền phát để đảm bảo đường kết nối luôn luôn hoạt động tối ưu. Wimax di dộng xác định thông điệp CQI theo một kích cỡ nhỏ gọn (4-6 bit), do đó dẫn đến độ trễ
thấp hơn và độ tin cậy cao hơn các thông điệp điều khiển bình thường. Các thông
điệp CQI cung cấp các phản hồi nhanh và đáng tin cậy vềđiều kiện của đường dẫn tới trạm gốc.
Yêu cầu lặp lại tựđộng kiểu kết hợp HARQ
Thuật toán ARQ trở nên phổ biến trong mạng không dây và mạng dùng dây để
truyền lại các thông tin truyền bị lỗi. Tuy nhiên, hiệu quả của việc sử dụng ARQ yêu cầu sự lựa chọn chính xác về công suất phát và tốc độ dữ liệu trong quá trình tái truyền phát, về mặt khác, đường truyền trở nên bị lỗi. Khi quá trình duy trì các thiết lập tối ưu này trong môi trường thời gian không ổn định trở thành một thách thức cho các dịch vụ băng thông rộng di động, kỹ thuật Hyprid-ARQ (H-ARQ) được phát triển. H-ARQ trở thành 1 phần của thông số Wimax di động, khối thu tập hợp các thông tin từ một gói tin bị lỗi với hiện tượng tái truyền phát tín hiệu của cùng một gói tin cho tới khi thông tin tập hợp đủ lại để lấy lại toàn bộ gói tin. Hình 2.15 thể hiện cơ chế yêu cầu lặp lại tựđộng khi lỗi xảy ra.
HARQ được phép sử dụng giao thức N kênh “ Dừng và đợi “ để cung cấp khả
năng đáp ứng nhanh cho đóng gói lỗi và cải thiện khả năng phủ sóng đường biên cell. Với khả năng kết hợp và tùy chọn, tính tăng cường sự dư thừa (Incremental Redundancy) được hỗ trợ để cải thiện độ tin cậy của đường truyền dẫn. Một kênh ACK chuyên dụng cũng được cung cấp tính hiệu HARQ ACK / NACK cho đường uplink. Hoạt động đa kênh cũng được hỗ trợ. ARQ đa kênh dừng và đợi với một số
lượng nhỏ các kênh là một giao thức đơn giản mà hiệu quả, yêu cầu bộ nhớ tối thiểu cho HARQ và sự dừng. Wimax cung cấp tín hiệu cho phép hoạt động hoàn toàn ở
chế độ không đồng bộ. Chếđộ không đồng bộ cho phép độ trễ thay đổi giữa những lần truyền lại cho nên có thểđem lại sự linh hoạt hơn cho việc lập lịch do hiệu quả
của phần đầu được thêm vào cho mỗi sự cấp phát việc truyền lại. HARQ kết hợp với nhau, cùng với CQICH và AMC đã tăng cường khả năng thích ứng đường truyền trong môi trường di động với tốc độ của phương tiện có thể lên tới 120 km/h.
2.2.2 Lớp MAC
Hệ thống WiMAX (cả di động và cố định) thích hợp cho nhiều loại dịch vụ
bao gồm thoại, dữ liệu, truyền hình ảnh. Mỗi dịch vụ có những yêu cầu riêng về tốc
độ và các tham số khác, vì vậy lớp MAC hỗ trợ phân loại dịch vụ và gán cho nó những QoS (chất lượng dịch vụ) khác nhau. Tài nguyên đựoc cấp phát cho một người dùng bởi trình lập lịch MAC có thể thay đổi từ một khe thời gian đơn đến toàn bộ khung, do đó, cung cấp thông lượng năng động đến người dùng riêng tại bất cứ thời gian nào. Hơn thế, do thông tin cấp phát tài nguyên được vận chuyển trong thông điệp MAC ở đầu mỗi khung, trình lập lịch có thể thay đổi hiệu quả sự cấp phát tài nguyên theo kiểu từng khung một (frame by frame) để thích ứng với trạng thái tự nhiên của lưu lượng.
2.2.2.1 MAC hỗ trợ chất lượng dịch vụ QoS
Với tốc độ đường truyền vô tuyến cao, khả năng truyền đối xứng đường lên/đường xuống, tài nguyên lớn và cơ chế cấp phát tài nguyên linh hoạt, Wimax di
động hoàn toàn có thểđáp ứng được những yêu cầu về chất lượng dịch vụ QoS cho các dịch vụ và ứng dụng thông tin băng rộng
Lớp MAC trong Wimax đi động, QoS được cung cấp qua các luồng dịch vụ
như minh họa ở hình dưới. Đó là các luồn gói tin vô hướng được cung cấp bởi 1 tập các tham số QoS. Trước khi cung cấp một loại hình dịch vụ dữ liệu, trạm gốc và thiết bị người sử dụng đầu cuối trước tiên được thiết lập một đường liên kết logic vô hướng giữa các lớp MAC ngang hàng, được gọi là thực hiện kết nối. Đầu ra MAC sau đó sẽ kết hợp các gói tin đi qua giao diện MAC rồi đi vào trong luồng dịch vụ để được gửi đi thông qua kết nối. Hình 2.16 chỉ ra QoS được hỗ trợ trong Mobile WiMAX.
Hình 2.16: Hỗ trợ QoS trong Mobile WiMAX
Các thông số QoS kết hợp với luồng dịch vụ xác định trình tự truyền và lập lịch trong giao diên vô tuyến. Do vậy QoS kết nối có hướng này có khả năng cung cấp thông tin điều khiển thông qua giao diện vô tuyến. Do đường truyền vô tuyến thường xảy ra hiện thắt nút cổ chai, QoS kết nối có hướng có thể cho phép điều khiển QoS đầu cuối đến đầu cuối (end to end) một cách hiệu quả. Các thông số
luồng dịch vụ có thể được quản lý một cách linh hoạt thông qua các bản tin MAC
để thỏa mãn những yêu cầu đa dạng của dịch vụ. Luồng dữ liệu dựa trên cơ chế
QoS được ứng dụng cho cả đường lên và đường xuống đã cải thiện được QoS cho cả hai hướng. Wimax đi động hỗ trợ nhiều dịch vụ dữ liệu và ứng dụng với các yêu cầu QoS khác nhau.
Bảng 2.8 tổng hợp về QoS trong Mobile WiMAX
Bảng 2.8: Các dịch vụ WiMAX di động và QoS
Yêu cầu QoS Ứng dụng Các đặc tính QoS
UGS (Unsolicited Grant
Servive)
VoIP (Voice over IP) -Duy trì tốc độ tối đa -Tối ưu hóa chống trễ
-Triệt Jitter
rtPS (Real time Packet
Service)
Luồng Audio hoặc Video (Streaming Audio or Video)
-Tốc độ tối thiểu định trước -Duy trì tốc độ tối đa -Tối ưu hóa chống trễ
-Ưu tiên lưu lượng
ErtPS (Extended Real time
Packet Service)
Thoại với sự bảo vệ tích cực (VoIP with Activity Detection)
-Tốc độ tối thiểu định trước -Duy trì tốc độ tối đa -Tối ưu hóa chống trễ
-Triệt Jitter -Ưu tiên lưu lượng
nrtPS (Non Real time Packet
Service)
Giao thức truyền tải file (File
Transfer Protocol)
-Tốc độ tối thiêu định trước -Duy trì tốc độ tối đa -Ưu tiên lưu lượng
BE (Best Effort) Truyền dữ liệu, duyệt Web … -Duy trì tốc độ tối đa -Ưu tiên lưu lượng
2.2.2.2 Dịch vụ lập lịch MAC (MAC Scheduling Service)
Dịch vụ lập lịch trình MAC trong Wimax di động được thiết kế để truyền tải một cách hiệu quả các dịch vụ dữ liệu băng rộng bao gồm có thoại, dữ liệu , và hình
ảnh thông qua sự thay đổi thời gian kênh không dây băng rộng. Dịch vụ lập lịch trình với các thuộc tính kèm theo có thể thực thi các dịch vụ dữ liệu băng rộng sau
đây:
- Bộ lập lịch dữ liệu nhanh: Bộ lập lịch MAC phải cấp phát tài nguyên hữu dụng một cách hiệu quảđể đáp ứng được những điều kiện lưu lượng dữ liệu tăng lên và thời gian kênh thay đổi. Bộ lập lich được cấp phát tại mỗi trạm gốc để có thểđáp ứng nhanh chóng những yêu cầu về lưu lượng và tình trạng kênh. Những gói dữ liệu kết hợp với các luồng dịch vụ sẽ xác định tốt nhất các thông số QoS tại lớp MAC, do vậy bộ lập lịch có thể xác định một cách chính xác những yêu cầu truyền gói dữ liệu qua giao diện vô tuyến. Kênh CQICH cung cấp phản hồi thông tin kênh nhanh để thực hiện lập lịch giúp
cho việc chọn phương pháp điều chế và mã hóa thích hợp cho mỗi sự cấp phát. Kỹ thuật điều chế / mã hóa thích ứng kết hợp với HARQ cung cấp khả
năng truyền dẫn cao qua kênh thay đổi thời gian.
- Lập lịch cho cả đường lên và đường xuống: Dịch vụ lập lịch được cung cấp