4 Các kỹ thuật được sử dụng trong WiMAX
4.5 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 4.32 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.
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 trị được đánh dấu đậm chỉ ra tôc độ bit của kỹ thuật 64QAM tuỳ chọn cho đường UL.
Thông số Downli nk Uplink Downli nk Uplink Băng thông hệ thống 5 MHz 10 MHz Kích thước FFT 512 1024
Sóng mang con Null 92 104 184 184
Sóng mang con Pilot 60 136 120 280
Kênh con 15 17 30 35
Thời gian ký hiệu 102.9 µs
Độ dài khung 5 ms Số ký hiệu OFDM/khung 48 Số ký hiệu OFDM dữ liệu 44 Mã hóa Tốc độ mã Kênh 5 MHz Kênh 10 MHz Tốc độ DL Mpbs Tốc độ UL Mpbs Tốc độ DL Mpbs Tốc độ UL Mpbs QPSK 1/2 CTC, 6x 0.53 0.38 1.06 0.78 1/2 CTC, 4x 0.79 0.57 1.58 1.18 1/2 CTC, 2x 1.58 1.14 3.17 2.35 1/2 CTC, 1x 3.17 2.28 6.34 4.70 3/4 CTC 4.75 3.43 9.50 7.06 16 QAM 1/2 CTC 6.34 4.57 9.50 7.06 3/4 CTC 6.34 4.57 12.07 9.41 64 QAM 1/2 CTC 9.50 6.85 19.01 14.11 2/3 CTC 12.67 9.14 26.34 18.82 3/4 CTC 14.26 10.28 28.51 21.17 5/6 CTC 15.84 11.42 31.68 23.52
Bảng 4.7 Tốc độ dữ liệu PHY trong WiMAX di động với các kênh con PUSH
4.6Cơ chế yếu cầu truyền lại tự động ARQ
Trong chuẩn 802.16 giao thức ARQ được sử dụng để sửa lỗi truyền dẫn. Trong cơ chế này thì phía bên thu khi thu được gói tin sẽ kiểm tra lỗi truyền dẫn trong gói tin thu được. Để kiểm tra được lỗi truyền dẫn thì bên phát sẽ gửi thêm vào dữ liệu truyền đi một số bit dư và số bit này chỉ đủ để phía bên thu phát hiện được là gói tin bi lỗi trong
quá trình truyền dẫn chứ không đủ để phía thu tự động sửa được lỗi. Nếu như phía thu kiểm tra thấy gói tin bi lỗi hoặc bên thu không nhận được gói tin nó đang đợi nó sẽ gửi lại cho bên phát một thông điệp và yêu cầu bên phát gửi lại gói tin bi lỗi.
Giao thức ARQ có 4 kiểu cơ bản đó là:
Kiểu ARQ dừng và đợi (Stop and wait ARQ) Kiểu ARQ lùi N (Go back N ARQ)
Kiểu ARQ chọn lọc (Selective reject ARQ)
Hybrid ARQ (HARQ)
4.6.1Kiểu ARQ dừng và đợi
Trong kiểu ARQ dừng và đợi thì bên phát gửi đi một gói tin và nó sẽ chờ cho đến khi bên thu gửi lại trả lại gói tin trả lời ACK để biết là bên thu đã nhận đúng gói tin hay chưa. Nếu như bên thu đã nhận đúng gói tin thì bên phát sẽ tiếp tục phát đi gói tin tiếp theo còn nếu không nó sẽ phát lại gói tin bị lỗi.
Giả sử bên phát gửi đi một gói tin là P1 , sau khi gửi gói tin này đi nó sẽ ở trong trang thái chờ trả lời tử bên thu để truyền tiếp. Sau một khoảng thời gian time out nhất định mà bên phát không nhận được gói tin trả lời ACK từ bên thu sẽ xảy ra hai khả năng.
+ Gói tin P1 không đến được đích nên sẽ không thể có gói tin trả lời ACK và bên phát sẽ phát lại gói tin P1.
+ Bên thu có phát gói tin ACK trả lời nhưng bên phát không nhận được và bên phát vẫn phát lại gói tin P1. Và lúc này bên thu dựa vào số sequence number sẽ biết được là gói tin này nó đã nhận và từ chối nhận gói tin này nhưng nó vẫn gửi trả lại gói tin ACK cho bên phát.
Hình 4.33 Mô hình giao thức ARQ dừng và đợi
Như vậy trong phương pháp này, sau khi truyền khung I bên phát phải đợi một thời gian tối thiểu trước khi truyền khung tiếp theo. Thời gian đợi đó phải bằng tổng thời gian bên thu thu được khung I, thời gian xử lý khung I và thời gian truyền, xử lý khung ACK. Điều này làm cho hiệu suất sự dụng băng thông là nhỏ vì có quá nhiều thời gian rồi. Nhưng trong phương pháp này thì các gói tin không cần phải lưu trữ và bộ đệm.
4.6.2Kiểu ARQ lùi N
Trong cơ chế ARQ lùi N thì cho phép bên phát phát đi một số lượng các gói mà không phải chờ trả lời từ bên thu, nhưng số lượng gói phát đi này phải nằm trong giới hạn size của window mà thôi. Giả sử window size có kích thước là N thì bên phát sẽ được phát đi N gói tin liên tiếp nhưng để phát được gói tin thứ (i+N) thì nó phải chờ thông tin trả lời ACK của gói tin thứ i.
Hình 4.34 Mô hình giao thức ARQ lùi N
Trong cơ chế này có sử dụng các hàm cơ bản để đó là: Ready to reciver (RR), và Reject (REJ). Giả sử chúng ta đang sử dụng cơ chế ARQ lùi với N=4 (window size). Nếu như không tìm thấy lỗi thì đich sẽ trả lại ACK với hàm RR, còn nếu bên thu phát hiện ra lỗi thì gói tin ACK trả lại sẽ có hàm REJ. Các khả năng sau có thể xảy ra trong khi truyền các gói tin từ bên thu đến bên nhận:
+ Trường hợp 1: Gói tin bị lỗi
Hình 4.35 Giao thức ARQ lùi N với gói tin bị lỗi
Gói tin truyền từ bên phát đến bên thu bị lỗi, và bên thu nhận ra lỗi này và truyền trả lại cho bên phát ACK bằng hàm REJ. Phía bên thu sau khi nhận được ACK này thì sẽ truyền lại cho bên phát các gói tin bắt đầu từ gói tin bị lỗi. Nhưng trong thời gian cho đến khi bên phát nhận được trả lời ACK bằng hàm REJ thì bên phát vẫn truyền các gói tin nằm trong window size. Và các gói tin này vẫn đến đuợc bên thu nhưng mà bên thu
sẽ không nhận các gói tin này và hủy nó đi. Vì thế cho nên bên thu không xảy ra hiện tượng nhận hai lần một gói tin.
+ Trường hợp 2: ACK bị lỗi
Hình 4.36 Giao thức ARQ lùi N với ACK bị lỗi
Bên nhận nhận được gói tin thứ i và gửi trả lại gói tin ACK để nhận tiếp gói tin i+1 nhưng nó lại bị mất trên đường truyền
Giả sử như trong mô hình trên, ACK2 không đến được bên phát nhưng phía phát vẫn tiếp tục gửi các gói tin 3,4,5 vì các gói tin này đang nằm trong window size mà nó đang truyền.
+ Trường hợp 3: Bên phát muốn kêt thúc quá trình gửi tin
Nếu như bên phát muốn gửi một gói tin cuối cùng mà bên phát muốn gửi thì nó sẽ gửi cho bên nhận một gói tin và bên nhận phải trả lời ngay một gói tin có hàm RRi=1.
+ Trường hợp 4: Bên phát không phát đi được gói tin nào
Giả sử có một lỗi gì đấy mà window size không trượt có nghĩa là bên phát không thể phát đi một gói tin nào nữa. Lúc này bên phát sẽ re-send lại gói tin mà nó chưa có ACK. Ta có thể dễ dàng nhận thấy cơ chế ARQ lùi N có một số đặc điểm sau:
+ Nó không phải mất thời gian đợi ACK của bên thu + Không cần bộ đệm ở phía thu
+ Giải quyết được vấn đề trễ đường truyền + Phải re-send quá nhiều
4.6.3Kiểu ARQ chọn lọc
Trong cơ chế ARQ chọn lọc thì bên phát cũng tương tự như trong trường hợp của cơ chế ARQ lùi N, tức là bên phát cũng có thể phát đi một số lượng các gói thông tin mà không cần chờ thông tin trả lời ACK từ bên thu. Điểm khác của cơ chế ARQ chọn lọc này so với kiểu ARQ lùi N là ở chỗ bên phát chỉ gửi lại đúng gói tin bị mất.
Sự giống nhau giữa hai cơ chế ARQ chọn lọc và ARQ lùi N là ở chỗ:
+ Bên phát liên tục phát đi các gói tin mà không cần phải chờ gói tin ACK trả lời + Bên phát phải vẫn phải lưu lại những gói tin mà nó đã phát đi cho đến khi nó nhận được gói tin từ bên thu báo lại thì nó mới được xóa gói tin đó (có nghĩa là cần dùng bộ đệm)
+ Khi dùng hai cơ chế này thì hiệu suất sử dụng băng thông đạt được là lớn hơn so với khi sử dụng cơ chế ARQ dừng và đợi
Tuy nhiên như đã nói ở trên thì điểm khác nhau giữa cơ chế ARQ chọn lọc và ARQ lùi N là, trong cơ chế ARQ chọn lọc thì thì bên phát chỉ cần gửi lại đúng gói tin bị mất. Có được điều này là do ở phía thu cũng sử dụng một bộ buffer để lưu nhưng gói tin đến. Giả sử chúng ta đang truyền các gói tin với window size=4 (0-3), có một gói tin bị mất đó là gói tin 1. Lúc này các gói tin 2 va 3 vẫn được truyền và bên thu sẽ lưu các gói tin này vào bộ buffer và chỉ yêu cầu truyền lại gói tin 1 và bên phát sẽ truyền lại gói tin 1 sau đó tiếp tục truyền các gói tin tiếp theo (4,5…). Điều này làm hạn chế đi sự truyền vô ích trong cơ chế ARQ lùi N khi các gói tin đến được bên thu nhưng lại bị bên thu hủy không nhận.
4.6.4Hybrid ARQ
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 4.37 Cơ chế yêu cầu lặp lại 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. Chế độ không đồng bộ cho phép độ trễ thay đổi giữa những lần truyền lại cho nên có thể đem 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 tôc độ của phương tiện có thể lên tới 120 km/h.
4.7Phản 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 bộ đệm 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 thể được 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 để điều 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 về điều kiện của đường dẫn tới trạm gốc.
4.8Hỗ 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 thể đáp 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 4.38 Hỗ trợ QoS WiMAX di động
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