Khác với việc hướng tới người dùng yêu cầu tính năng di động, mô hình triển khai WiMAX cho ứng dụng truy cập cố định sẽ hướng tới việc mang băng thông lớn tới người dùng thông qua hệ thống vô tuyến.
Khách hàng của các hệ thống này có thể là văn phòng làm việc của các doanh nghiệp, công sở, các hộ gia đình...
Loại ứng dụng này có đặc điểm là yêu cầu một tốc độ truy cập cao, ổn định nhưng không nhất thiết phải di động. Dịch vụ WiMAX khi đó sẽ thiết lập một loại dịch vụ có QoS được định nghĩa cho phép cung cấp một băng thông lớn, cam kết cả tốc độ tối đa và tốc độ tối thiểu cho người dùng.
Thiết bị đầu cuối khách hàng
Thiết bị đầu cuối khách hàng có thể được lắp đặt ngoài trời (outdoor), hoặc để trên bàn trong nhà (indoor). Phía sau thiết bị đầu cuối khách hàng có thể nối với mạng LAN của doanh nghiệp hay hộ gia đình, tương tự mô hình kết nối hiện nay của các công nghệ có dây. Trong trường hợp này, WiMAX đóng vai trò cung cấp kết nối tới địa điểm người dùng, thay cho hệ thống cáp đồng hay cáp quang hiện nay.
Chuẩn sử dụng
Khi nói tới ứng dụng cố định, nhiều người sẽ nghĩ ngay tới việc sử dụng WiMAX cố định theo chuẩn IEEE 802.16 – 2004. Cho đến thời điểm hiện nay, Fixed WiMAX đã có thiết bị được sản xuất đồng loạt và triển khai vào thực tế. Các thử nghiệm ở Việt Nam cũng như theo công bố cuả các hãng đã triển khai thương mại hóa chuẩn Fixed
WiMAX, cho thấy chuẩn này đã hoàn toàn chín muồi để triển khai các ứng dụng truy cập cố định, hoặc có thể di chuyển được - portable (nhưng trong quá trình di chuyển nhanh thì không giữ được kết nối).
Theo quan điểm người viết, chuẩn IEEE 802.16e sẽ được khuyến nghị để sử dụng chung cho cả hai loại ứng dụng truy cập cố định và di động với các loại thiết bị đầu cuối khác nhau:
- Với yêu cầu truy cập di động, các chip WiMAX sẽ được tích hợp vào các thiết bị cầm tay như laptop, PDA, điện thoại....
- Với các yêu cầu truy cập cố định: sẽ sản xuất các loại thiết bị đầu cuối khách hàng SS theo chuẩn 802.16e nhưng là thiết bị để bàn, thiết bị này cho phép kết nối các máy tính của người dùng cố định với mạng Internet không dây WiMAX.
Hình 4.1: Ứng dụng đa dạng của Mobile WiMAX
Việc triển khai chỉ một chuẩn Mibile WiMAX cho cả hai loại ứng dụng di động và cố định sẽ tiết kiệm được tài nguyên về tần số cũng như chi phí triển khai trạm gốc BTS.
Tuy nhiên chuẩn Fixed WiMAX có thể được tính toán sử dụng để cung cấp kết nối backbone cho các trạm BS Mobile WiMAX. Hoặc sử dụng Fixed WiMAX để cung cấp cho các khách hàng theo mô hình lease line mà hiện nay đang dùng cáp quang để cung cấp kết nối.
Việc tính toán có nên sử dụng Fixed WiMAX hay không xin dành cho các nhà quản lý, các doanh nghiệp, phần viết của luận văn này chỉ để cập tới ứng dụng WiMAX vào việc cung cấp băng thông rộng tới người dùng đầu cuối với các tính năng ưu việt
của nó.
4.1.3 Các vấn đề kỹ thuật cần quan tâm khi thiết kế và triển khai mạng WiMAX.
Phần này đề cập tới các vấn đề kỹ thuật cơ bản cần lưu ý khi chúng ta thiết kế và triển khai thương mại hóa WiMAX.
4.1.3.1 Lựa chọn băng tần
Khi thiết kế một mạng WiMAX, ta phải lựa chọn băng tần hoạt động cho mạng trong số các băng tần được phép sử dụng.Thông thường, lựa chọn băng tần hoạt động là việc đầu tiên và quan trọng nhất trong thiết kế các mạng di động nói chung. Những băng tần thấp tín hiệu được truyền tốt hơn nhưng băng thông lại nhỏ hơn. Các tiêu chí để lựa chọn băng tần hoạt động bao gồm:
- Dải tần cấp phép
- Dung lượng tập trung phụ thuộc vào vùng dịch vụ - Mật độ thuê bao trong vùng dịch vụ
- Địa hình của vùng dịch vụ
- Mức độ nhiễu trong các băng tần không cần cấp phép - Giá thành thiết bị hoạt động trong băng tần đó
Do phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như vậy nên việc lựa chọn băng tần nào đòi hỏi phải có một sự tính toán rất kỹ lưỡng. Ta có thể lựa chọn băng tầng dựa vào bảng sau:
Băng tầnKhả năng ứng dụng3400 – 3600 MHzFWA, WBA, Fix WiMAX3600 – 3800 MHzHệ thống vệ tinh viễn thông3300 – 3400 MHzFix WiMAX2500 – 2690 MHzMMDS, WBA2300 – 2400 MHzMobile WiMAX5725 – 5850 MHzFix WiMAX< 1 GHzTruyền hình địa phương
Bảng 4.1: Phân bổ tần số cho các công nghệ không dây
4.1.3.2 Lựa chọn phương thức song công
WiMAX hỗ trợ cả hai phương thức song công FDD và TDD trong các mô hình ứng dụng của nó.
- FDD(Frequency Division Duplexing): kỹ thuật này chia kênh tần số ra làm hai kênh riêng biệt, một tần số được sủ dụng cho chiều lên, còn tần số còn lại được sử dụng cho chiều xuống.
- TDD(Time Division Duplexing): kĩ 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.
Hai chế độ song công TDD và FDD được thể hiện trong hình vẽ 3.2 dưới đây:
Hình 4.2: Hai chế độ 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 TDD được thường ưu tiên ở chế độ song công vì những lý do sau:
- TDD cho phép điều chỉnh tỉ lệ DL/UL để hỗ trợ lưu lượng hiệu quả bất đối xứng gữa đường lên và đường xuống, trong khi với FDD đường lên
và đường xuống luôn được giữ cố định, thông thường băng thông đường lên và đường xuống bằng nhau.
- TDD đảm bảo 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 đỡ tốn kém hơn.
Cấu trúc khung PMP
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.
Mỗi khung OFDM ở chế độ TDD 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.
Cấu trúc khung WiMAX OFDM được thể hiện trên hình vẽ 4.3:
Hình 4.3: Cấu trúc khung WiMAX OFDM
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 OFMDA trong miền tần số.
Trong WiMax, 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.
Khung OFDMA với cấu trúc đa vùng được thể hiện trên hình vẽ 4.4:
Hình 4.4: 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.
4.1.3.3 Tổng lưu lượng, bán kính phủ sóng và số sector của mỗi trạm gốc
Tương tự như việc thiết kế hệ thống trạm gốc thông tin di động, ba yếu tố tổng lưu lượng phục vụ, bán kính phủ sóng và số sector của mỗi trạm gốc liên quan mật thiết với nhau khi chúng ta tính toán thiết kế mạng WiMAX.
Tính toán tổng lưu lượng và sự tập trung lưu lượng:
Bước đầu tiên trong thiết kế dung lượng là dự tính tổng lưu lượng của tất cả các thuê bao trong vùng phục vụ. Nó phụ thuộc vào số lượng khách hàng tiềm năng của khu vực đó, mong muốn truy nhập dich vụ băng rộng, mong muốn chia sẻ dữ liệu, và lưu lượng mong muốn của các khách hàng.
Ngoài ra, một sự quyết định quan trọng phải được đưa ra dựa vào sự tính toán sự tập trung lưu lượng. Lưu lượng Internet là đột ngột xuất hiện khi các thuê bao đăng nhập vào mạng, và các thuê bao không truyền thông lượng của mình cùng một thời điểm với nhau. Vì vậy, sự dồn kênh thống kê có thể sử dụng và lưu giữ tài nguyên. Ví dụ với hệ số tập trung lưu lượng là 10, một khu vực phục vụ của một trạm gốc WiMAX với thông lượng tối đa 15Mbps có thể phục vụ cho 100 thuê bao với lưu lượng 512/512 kbps cho mỗi thuê bao.
Hệ số tập trung có thể lớn hoặc nhỏ, tỷ lệ nghịch với số lượng BS trong khu vực đó và đủ nhỏ để có thể thoả mãn yêu cầu dịch vụ của khách hàng. Lựa chọn hệ số tập trung phù hợp phụ thuộc vào ứng dụng mà thuê bao đang sử dụng. Nếu các thuê bao
đang sử dụng kết nối băng rộng chỉ để đọc các E-mail của họ và lướt qua xem tin tức trên các trang Web thì chúng ta có thể lựa chọn một hệ số tạp trung lớn.
Những dịch vụ băng rộng mới, như video hay ca nhạc trên internet đòi hỏi một dung lượng lớn hơn và yêu cầu thông lượng cố định từ mạng. Một số ứng dụng, như chia sẻ file ngang hàng (peer-to-peer) tồn tại nhiều vấn đề khó giải quyết khi đứng trên quan điểm nhìn nhận của hệ số tập trung lưu lượng. Một thuê bao đang chia sẻ hay download các file video có thể truyền và nhận tại tốc độ lớn nhất trong rất nhiều giờ thậm chí là trong suốt cả quá trình.
Tính toán số BS, số sector trong mỗi BS
Đối với những khu vực đông dân cư, tập trung số đông người dùng, mỗi người dùng lại yêu cầu băng thông cam kết lớn, chúng ta phải tập trung nhiều BS, thu hẹp bán kính phủ sóng mỗi BS, tăng thêm số sector lớn nhất có thể trên mỗi BS với dải tần số được cấp phép, có chú ý tới việc quy hoạch và tái sử dụng tần số (sẽ được nghiên cứu kỹ ở phần tiếp theo).
Vì mỗi sector chỉ phục vụ được 250 thuê bao nên mỗi BS chỉ phục vụ được khoảng 1000 thuê bao (với ví dụ mỗi BS có 4 sector). Như vậy với các thành phố lớn trực thuộc trung ương, số lượng BS phải xây dựng có thể lên tới hàng trăm BS. Khi đó bán kính phủ sóng của mỗi BS chỉ khoảng trên dưới 1km. Trong khi đó các thành phố nhỏ hơn, tập trung ít người dùng hơn có thể chỉ phải triển khai dăm ba chục trạm gốc với bán kính phủ sóng mỗi trạm gốc từ 1-2km là có thể phủ kín cả thành phố. Cùng trong một thành phố, mật độ và bán kính phủ sóng của mỗi BS cũng khác nhau tùy thuộc vào từng khu vực trong thành phố với sự tập trung thuê bao khác nhau.
Ngược lại với vùng nông thôn, dân cư thưa thớt, mật độ người dùng không cao thì chúng ta sẽ tính toán tăng công suất phát, sử dụng các loại anten trạm gốc có góc phủ sóng lớn, có thể sử dụng anten Omni cho khu vực tập trung ít dân cư nhất. Với những thị trấn nhỏ, hoặc một số xã cạnh nhau, có thể chỉ phải dựng một BS với anten Omni là đã có thể phủ sóng kín toàn thị trấn. Tất nhiên là nếu nhu cầu sử dụng nhiều hơn thì chúng ta sẽ xây dựng nhiều trạm gốc hơn.
gốc có thể kể tới là:
- Công suất phát của anten.
- Số SS phải phục vụ: mỗi sector phục vụ được 250 thuê bao.
- Yêu cầu về băng thông tối thiểu của các SS: Nếu các thuê bao yêu cầu băng thông lớn, thì khi đó có thể thiết kế mỗi sector chỉ phục vụ vài chục SS chứ không phải là 250 như số SS tối đa có thể phục vụ.
- Khoảng cách từ BS tới SS để đảm bảo băng thông tối thiểu: WiMAX sử dụng phương pháp điều chế đa thích ứng AMC, với các khoảng cách