Thông lượng: Với việc sử dụng các mô hình điều chế hết sức linh hoạt và mạnh mẽ, Wimax có thể cung cấp thông lượng cao trong một phạm vi bao phủ rộng. Các mô hình điều chế thích ứng động cho phép các BS cân bằng giữa thông lượng và khoảng cách. Ví dụ, giả dụ như lúc này đang sử dụng mô hình điều chế 64QAM, nếu với mô hình này, một BS không thể thiết lập một liên kết mạnh, tức là liên kết mà trên đó có thể thực hiện được việc truyền dữ liệu ở một mức tối thiểu có thể chấp nhận được, tới một thuê bao ở một khoảng cách nào đó, thì mô hình điều chế 16QAM hoặc QPSK sẽ được sử dụng, đồng nghĩa với tốc độ giảm đi nhưng khoảng cách xa hơn. Thông lượng lớn nhất trong Wimax có thể đạt được là khoảng 70Mbps trong điều kiện truyền tốt.
Khả năng mở rộng: Để thực hiện dễ dàng việc triển khai (cell planning) ở cả dải tần cấp phép (licensed band) và dải tần miễn phí (license-exempt), 802.16 cung cấp một cách linh động các độ rộng kênh truyền khác nhau. Ví dụ, nếu một nhà điều hành được đăng kí 20MHz tần phổ, nhà điều hành đó có thể chia làm hai sector, mỗi sector 10MHz, hoặc là 4 sector, mỗi sector là 5MHz, điều này ưu việt hơn hẳn so với một số mạng băng rộng khác có độ rộng kênh cố định như WiFi. Bằng việc tập trung công suất, nhà điều hành vẫn có thể đảm bảo được chất lượng, phạm vi bao phủ cũng như phần nào thông lượng. Để mở rộng mạng, vung bao phủ, họ có thể sử dụng lại tần số.
Phạm vi bao phủ: Để hỗ trợ một cách mạnh mẽ và linh động các mô hình điều chế, Wimax cũng cung cấp rất nhiều các kĩ thuật làm tăng phạm vi bao phủ.
Chất lượng dịch vụ (QoS): Khả năng cung cấp dịch vụ voice là đặc biệt quan trọng, nhất là trong môi trường toàn cầu như hiện nay. Chính vì vậy Wimax cung cấp các thành phần đảm bảo QoS cho phép triển khai các dịnh vụ voice, video với độ trễ thấp. Tính năng request/grant trong lớp MAC của 802.16 cho phép một nhà điều hành có thể cung cấp đồng thời các dịch vụ với độ đảm bảo khác nhau như dịch vụ T1 hoặc best-effort, giống như trong cable.
Bảo mật: Tính năng bảo mât được tích hợp sẵn trong 802.16 cung cấp một cơ chế truyền thông tin cậy và an toàn. 802.16 định nghĩa riêng một lớp con cho bảo mật thuộc lớp MAC gọi là lớp SS.
Việc chuẩn hóa một công nghệ là điều rất quan trọng để đưa vào ứng dụng, tuy nhiên, chuẩn hóa không vẫn chưa đủ. Như 802.11b được thông qua từ năm 1999 nhưng nó vẫn không được ứng dụng rộng rãi cho tới khi Wi-Fi Forum ra đời. Tổ chức này tạo ra những nền tảng cơ bản để các thiết bị có thể làm việc được với nhau, thúc đẩy sự phổ biến rộng rãi của công nghệ WiFi.
Wimax Forum cũng là một tổ chức tương tự được thành lập tháng 6/2001 bởi các nhà cung cấp thiết bị, các nhà cung cấp các sản phẩm liên quan, các nhà cung cấp dịch vụ… Công việc của Wimax Forum là tạo nên một sự thuận tiện nhất cho việc triển khai các mạng băng rộng không dây dựa trên nền tảng 802.16a bằng việc đảm bảo sự tương thích giữa các thiết bị. Các thiết bị, sản phẩm đạt tiêu chuẩn của Wimax sẽ được chứng nhận và vì thế các nhà cung cấp dịch vụ khi mua thiết bị đã được chứng nhận sẽ không phải lo ngại về tính tương thích của các thiết bị, các hệ thống với nhau. Vì vậy việc hình thành nên Wimax Forum có tác dụng tăng tính cạnh tranh, giảm giá thành, thúc đẩy ngành công nghiệp phát triển mạnh hơn.
Hai công ty tham gia đầu tiên và đóng vai trò then chốt vào Wimax Forum là
Intel và Alvarion. Intel là nhà sản xuất bộ xử lí đứng đầu thế giới, trong đó có bộ xử lí Wimax, còn Alvarion là nhà cung cấp các hệ thống không dây băng rộng hàng đầu thế giới. Việc hai người khổng lồ này ủng hộ tích cực công nghệ Wimax cho thấy một tương lai vô cùng sáng sủa của công nghệ này.
CHƯƠNG 5: CÁC VẤN ĐỀ KĨ THUẬT TRONG WIMAX
Cơ sở của Wimax chính là chuẩn 802.16a của IEEE với lớp vật lí WirelessMAN-OFDM. Chính vì vậy, đề tài sẽ tập trung vào mô tả 802.16a- WirelessMAN-OFDM.
5.1. Những băng tần cơ bản sau được sử dụng trong 802.16
Băng tần phải đăng kí 10GHz-66GHz: Băng tần này cung cấp một phương tiện truyền dẫn mà ở đó tần số cao, bước sóng ngắn, yêu cầu là giữa trạm thu và phát phải ở trong tầm nhìn thẳng LOS do hiệu ứng đa đường ảnh hưởng đáng kể tới việc truyền dẫn. Ở trong băng tần này, độ rộng kênh truyền thông thường là 25MHz hoặc 28MHz. Với tốc độ truyền dẫn lí thuyết là 120Mbps, môi trường này cũng khá thích hợp cho truyền thông PMP giữa các văn phòng lớn. Mô hình điều chế đơn sóng mang được sử dụng ở trong băng tần này.
Băng tần 2-11GHz: Băng tần này gồm cả các dải tần phải đăng kí và không phải đăng kí. Nó là phương tiện truyền dẫn mà ở đó tần số thấp hơn, có bước sóng dài hơn. Ở trong băng tần này LOS là không thực sự cần thiết, các hiệu ứng truyền sóng không trong tầm nhìn thẳng NLOS có thể khắc phục được. Người ta sử dụng băng tần này với mục đích cung cấp các ứng dụng NLOS, có nghĩa là một loạt các kĩ thuật sẽ được bố sung để đạt được kết quả này.
5.2. Mô hình tham chiếu
Hình vẽ 5.1 mô tả các phân lớp trong 802.16.
Cũng giống như các bộ chuẩn khác họ 802 của IEEE, 802.16 chỉ tập trung vào việc mô tả và chuẩn hóa hai lớp liên kết dữ liệu và lớp vật lý trong mô hình OSI.
Lớp MAC mô tả trong 802.16 bao gồm ba lớp con: lớp con hội tụ (CS), lớp con MAC (MCPS) và lớp con bảo mật (SS).
Lớp con CS cung cấp bất cứ việc chuyển đổi hoặc ánh xạ từ các mạng mở rộng khác như ATM, Ethernet, thông qua một điểm truy nhập dịch vụ SAP. Chính xác hơn, lớp này làm nhiệm vụ chuyển đổi các gói tin từ các định dạng của mạng khác thành các gói tin phù hợp với định dạng theo 802.16 và chuyển xuống cho lớp
MCPS. Cũng tại đây sẽ diễn ra sự phân lớp dịch vụ của các mạng ngoài để ánh xạ vào một dịch vụ thích hợp trong 802.16.
Lớp con MCPS cung cấp các chức năng chính của lớp MAC, đó là các chức năng như truy nhập, phân bố băng thông, thiết lập, quản lí kết nối. Nó sẽ nhận dữ liệu từ các CS khác nhau để quản lí trong mộts kết nối MAC riêng. Chất lượng dịch vụ cũng sẽ được áp dụng trong việc truyền và sắp xếp dữ liệu.
Lớp con bảo mật SS cung cấp các cơ chế chứng thực, trao đổi khóa và mã hóa.
Hình 5-24: Mô hình tham chiếu của 802.16
Lớp vật lí bao gồm rất nhiều các định nghĩa khác nhau, mỗi cái thích hợp cho một dãy tần số và ứng dụng riêng. Phần này sẽ được mô tả cụ thể sau.
5.3 Lớp con hội tụ CS
Khái niệm CID
Một kết nối được hiểu là một ánh xạ từ MAC-BS tới MAC-SS với mục đích vận chuyển lưu lượng của một loại dịch vụ. Mỗi kết nối được xác định bởi một CID là viết tắt của chữ Connection Identifier, có độ dài 16bit.
Lớp con hội tụ CS nằm ở trên đỉnh của lớp MAC và thi hành một số các chức năng như nhận các PDU từ lớp cao hơn, phân lớp dịch vụ các PDU đó, tùy theo các dịch vụ mà xử lí các PDU, phân phối các PDU này xuống lớp con MAC thông qua một điểm SAP thích hợp.
Tuy nhiên, nhiệm vụ chính của lớp này là phân loại các đơn vị dịch vụ dữ liệu SDU, ánh xạ nó vào một kết nối MAC phù hợp, tức là vào một CID, đảm bảo cho việc xử lí QoS. Để đảm bảo thực hiện được điều này, lớp CS có thể sử dụng các thuật toán tinh vi để ánh xạ hoặc cũng có thể thêm, thay đổi tiêu đề mỗi gói tin của lớp trên để xử lí. Hiện tại chỉ có hai định nghĩa được được cung cấp trong 802.16: ATM CS và Packet CS. ATM CS được định nghĩa cho các dịch vụ ATM còn Packet CS được định nghĩa cho các dịch vụ gói như Ipv4, Ipv6, Ethernet, VLAN,…
Những định nghĩa khác có thể sẽ được hỗ trợ trong tương lai.
ATM CS
ATM CS nhận các tế bào ATM, xử lí, phân lớp dịch vụ và phân phối nó xuống lớp dưới.
Các kết nối ATM thông thường được xác định bởi một cặp giá trị VPI và VCI, trong cả hai chế độ chuyển mạch đường và chuyển mạch kênh. Ở chế độ chuyển mạch đường (VP-switched mode), tất cả các VCI trong một VPI (VIP ingoing) sẽ được ánh xạ vào một VPI (VPI outgoing) đầu ra duy nhất. Còn trong chế độ chuyển mạch kênh (VC-switched mode), cặp giá trị đầu vào VPI/VCI cũng sẽ được ánh xạ tới một cặp giá trị VCI/VPI tương ứng. Chính vì vậy lớp CS phải phân biệt, xử lí được các loại kết nối này.
Trong chế độ chuyển mạch đường, trường VPI có 12 bit đối với NNI và 8 bit đối với UNI sẽ được ánh xạ vào một giá trị CID tương ứng với một kết nối trong 802.16. Sự ánh xạ này có thể coi tương ứng với sự phân lớp dịch vụ trong 802.16. CS PDU cho chế độ này được mô tả ở hình dưới đây:
Hình 5-25: Cấu trúc của ATM-CS PDU chế độ chuyển mạch đường
Hình trên cho thấy các VPI được ánh xạ vào CID, điều này cho phép loại bỏ các trường không còn thích hợp trong tiêu đề tế bào ATM, chỉ còn để lại các trường như VCI, PTI, CLP và trường dự trữ.
Trong chế độ chuyển mạch kênh, trường VPI/VCI có tổng số 28bit đối với NNI và 24 bit đối với UNI sẽ được ánh xạ vào một giá trị CID. Tuy nhiên vì CID chỉ có 16bit nên sự ánh xạ này sẽ không được xảy ra đồng thời.
Hình 5-26: Cấu trúc khung ATM-CS PDU chế độ chuyển mạch kênh
Hình trên mô tả một CS PDU với kết nối chuyển mạch kênh trong ATM
Packet CS
Định nghĩa này dành cho các giao thức dựa trên chuyển mạch gói như IP, PPP hay Ethernet…. Các MAC SDU sẽ được phân loại bằng cách ánh xạ nó vào một kết nối riêng, điều đó cũng có nghĩa là MAC SDU cũng sẽ được ánh xạ vào một luồng dịch vụ riêng, có các đặc điểm QoS riêng.
Bộ phân lớp dịch vụ là một tập hợp các tiêu chuẩn được áp dụng vào từng gói tin đã được định nghĩa sẵn trong 802.16. Nó phân loại dựa vào các yếu tố như: tiêu chuẩn về giao thức gói tin, độ ưu tiên và CID.
Hình 5-27: Quá trình phân loại MAC SDU
Hình vẽ 5.4 mô tả quá trình phân loại các MAC SDU trước khi truyền. Gói tin được đưa từ các lớp cao xuống CS, tại đây diễn ra quá trình phân loại các gói tin và kết quả sẽ ánh xạ gói tin vào một CID thích hợp.
5.4. Lớp con MCPS
Sự trao đổi giữa các BS và SS trong một vùng thường có mấy dạng kiến trúc là P2P, PMP và Mesh. Kiến trúc P2P xảy ra khi chỉ có một BS và một SS, các kết nối xảy ra giữa từng cặp BS, SS. Kiến trúc PMP là sẽ có một kết nối giữa một BS với nhiều SS khác nhau. So với P2P thì PMP có khả năng phục vụ cao hơn, hiệu suất tốt nhưng phạm vi bao phủ thường hẹp hơn nhiều. Kiến trúc PMP trong triển khai thường được tổ chức thành các vùng (sector) và nó hỗ trợ tốt trong truyền thông multicast2.
Lúc đầu thiết kế chưa có kiến trúc Mesh, sau này khi có thêm thiết kế bổ sung 802.16a, kiến trúc Mesh đã được thêm vào. Kiến trúc Mesh là kiến trúc mà bao giờ cũng có một đường liên kết giữa hai điểm bất kì. Hình 5.5 dưới đây minh họa ba loại kiến trúc.
Hình 5-28: Các kiến trúc trong 802.16
Đối với PMP, sẽ có một BS làm trung tâm, làm nhiệm vụ phục vụ và quản lí đồng thời nhiều SS khác nhau trong một vùng. Tại đường xuống, thông thường toàn bộ dữ liệu sẽ được phát quảng bá. SS phân tích và kiểm tra xem dữ liệu nào trong số đó được gửi tới mình để thu nhận, tức là SS sẽ kiểm tra trường CID trong MAC PDU, nó sẽ chỉ chấp nhận xử lí những PDU có CID thích hợp. Tại đường lên, việc truyền của SS sẽ tùy vào lớp dịch vụ mà nó đăng kí.
Sự khác biệt chủ yếu giữa kiến trúc dạng PMP và Mesh là ở trong PMP, dữ liệu chỉ được truyền giữa BS và SS còn trong Mesh thì dữ liệu có thể được truyền giữa các SS với nhau. Với Mesh, một mạng (trong một vùng) sẽ có chỉ một kết nối trực tiếp với vùng khác, trạm làm nhiệm vụ này được gọi là Mesh BS. Còn tất cả những trạm khác đều gọi chung là Mesh SS và thông thường được gọi là các nút. Trong Mesh có khái niệm Neighbour, Neighbourhood, và Extended-Neighbourhood. Neighb
our của một nút là một nút có kết nối trực tiếp vào nút đó. Neighbourhood của một nút là tập hợp các nút có kết nối trực tiếp vào nút đó. Extended-Neighbourhood tính thêm cả các Neighbourhood của các Neighbour.
Mặc dù 802.16 hỗ trợ cả ba kiểu kiến trúc trên nhưng PMP là kiến trúc được quan tâm nhất. Kiến trúc này có một BS làm trung tâm sẽ cung cấp kết nối cho nhiều SS. Trên đường xuống (downlink), dữ liệu đưa tới SS được hợp kênh theo kiểu TDM. Các SS chia sẻ đường lên theo dạng TDMA.
5.4.1 Đánh địa chỉ
Mỗi SS sẽ có một địa chỉ cứng gọi là địa chỉ MAC 48bit, giống như được định nghĩa trong 802 nói chung. Địa chỉ này là duy nhất cho thiết bị trên toàn thế giới. Nó được sử dụng trong quá trình khởi tạo kết nối. Nó cũng có thể được dùng để chứng thực giữa BS và SS với nhau.
Đối với PMP: Các SS còn được phân biệt bởi các kết nối, chính xác là các CID3. Trong 802.16 phân ra làm một số loại kết nối.
Kết nối quản lí (management connection) là các kết nối làm nhiệm vụ điều khiển quá trình trao đổi tin giữa SS và BS. Kết nối quản lí lại có ba dạng: kết nối cơ bản (Basic Connection) được sử dụng để trao đổi các bản tin quản lí ngắn, khẩn cấp, các bản tin điều khiển đường truyền. Kết nối sơ cấp (primary connection) dùng để trao đổi các bản tin quản lí dài hơn, có thể trễ lâu hơn. Còn kết nối thứ cấp
(Secondary Connection) không yêu cầu chặt chẽ về độ trễ, được dùng để trao đổi các bản tin IP có tính chất quản lí như DHCP, TFTP, SNMP,…
Tại thời điểm SS khởi tạo kết nối, cả ba loại kết nối quản lí trên sẽ được thiết lập trong đó hai kết nối đầu bắt buộc phải có là kết nối cơ bản và kết nối sơ cấp, kết nối thứ cấp là tùy lựa chọn. Các kết nối này thể hiện các mức độ chất lượng khác nhau cho các bản tin trao đổi giữa SS và BS.
802.16 MAC có tính hướng kết nối. Tất cả các dịch vụ, kể cả các dịch vụ phi kết nối ở các lớp phía trên cũng sẽ được ánh xạ vào một kết nối mới.
3 Lí do mà CID được sử dụng thay thế MAC trong các quá trình trao đổi tin có lẽ là do trong truyền thông không dây, có rất nhiều loại thông tin cần trao đổi như thông tin điều khiển đường truyền, cấp phát băng thông, điều khiển truy nhập, điều khiển công suất,… mà nếu chỉ sử dụng một địa chỉ MAC để xử lí thì sẽ rất khó khăn.
802.16 cung cấp cơ chế yêu cầu băng thông kết hợp với chất lượng dịch vụ và
các thông số về lưu lượng, vận chuyển, phân phối dữ liệu một cách hợp lý đến lớp
CS và thực hiện tất cả những hoạt động liên quan tới các thỏa thuận dịch vụ.
Ngoài các kết nối quản lí trên, SS còn được phân bố các loại kết nối khác. Các
