2.4.1 Quản lý di động
Thời gian pin và chuyển giao là hai vấn đề tranh luận trong các ứng dụng di động. WiMax di động hỗ trợ chếđộ ngủ(Sleep Mode) và chếđộ rỗi (Idle Mode) cho phép vận hành MS hiệu quả. WiMax di động cũng hỗ trợ khả năng chuyển giao trong suốt cho phép MS có thể chuyển từ một trạm gốc này sang một trạm gốc khác với tốc độ xe tải mà không bị gián đoạn kết nối.
2.4.2 Quản lý nguồn năng lượng
WiMax di động hỗ trợ hai chế độ vận hành hiệu năng – Sleep Mode và Idle Mode. Sleep Mode là trạng thái mà MS ở trong giai đoạn trước khi có bất cứ trao đổi thông tin gì với trạm gốc qua giao diện vô tuyến. Nhìn từ phía trạm gốc, những giai đoạn này có đặc điểm là không khả dụng với MS cho cả hướng xuống hay hướng lên Chế độ Sleep Mode cho phép MS tối thiểu năng lượng tiêu thụ và tối thiểu tài nguyên vô tuyến của trạm gốc. Chếđộ Sleep Mode cũng cung cấp khả năng linh hoạt cho MS để dò các trạm gốc khác để thu thập thông tin hỗ trợ chuyển giao trong chếđộ Sleep Mode. Idle Mode cung cấp một cơ chế cho MS để sẵn sàng một cách định kỳ nhận
33
các bản tin quảng bá hướng xuống mà không cần đăng ký với một trạm gốc xác định nào khi MS di chuyển trong một môi trường có đường truyền vô tuyến được phủ sóng bởi nhiều trạm gốc. Chếđộ Idle Mode làm lợi cho MS bằng cách loại bỏ yêu cầu chuyển giao và các hoạt động bình thường khác và làm lợi cho mạng và trạm gốc bằng cách loại bỏ giao diện vô tuyến và lưu lượng chuyển giao của mạng từ các MS không hoạt động trong khi vẫn cung cấp một phương pháp đơn giản để báo cho MS về lưu lượng DL đang xử lý.
Chuyển giao
Có ba phương pháp chuyển giao được chuẩn 802.16e hỗ trợ - Chuyển giao cứng
(Hard Handoff – HHO), Chuyển trạm gốc nhanh (Fast Base Station Switching –
FBSS) và Chuyển giao phân tập vĩ mô (Macro Diversity Handover – MDHO). Trong đó, chuyển giao HHO là bắt buộc còn FBSS và MDHO là hai chế độ tuỳ chọn. Những cải tiến này được phát triển với mục đích giữ cho trễ chuyển giao lớp 2 ít hơn 50 ms. Khi được hỗ trợ FBSS, MS và BS duy trì một danh sách các BS mà liên quan đến FBSS với MS. Tập này gọi là một tập tích cực (Set Active). Trong FBSS, MS tiếp tục theo dõi các trạm gốc trong tập Active Set. Trong các BS của tập Active Set, một Anchor BS được định nghĩa. Khi hoạt động trong FBSS, MS chỉ trao đổi với Anchor BS cho các bản tin đường lên và đường xuống chứa các kết nối lưu lượng và quản lý. Việc chuyển từ một Anchor BS đến trạm khác (chẳng hạn chuyển giao BS) được thực hiện mà không cần có sự hiện diện của các bản tin báo hiệu HO. Các thủ tục cập nhật “mỏ neo” được thực hiện bởi cường độ tín hiệu giữa trạm gốc phục vụ thông qua kênh CQI. Một chuyển giao FBSS bắt đầu một quyết định dựa trện MS nhận hoặc phát dữ liệu từ trạm anchor BS mà nó có thểđược thay đổi trong tập tích cực. MS dò tìm các BS lân cận và lựa chọn trạm nào thích hợp nhất trong tập tích cực. MS gửi báo cáo cho BS được chọn và thủ tục cập nhật tập tích cực được thực hiện bởi BS và MS. MS tiếp tục theo dõi cường độ tín hiệu của các BS trong tập tích cực và lựa chọn một BS để trở thành anchor BS. MS gửi báo cáo đến BS lựa chọn trên kênh CQICH hoặc MS khởi tạo bản tin yêu cầu HO. Một yêu cầu quan trọng của FBSS là dữ liệu sẽ được truyền đồng thời đến tất cả các phần tử của tập các BS hoạt động sẵn sàng phục vụ MS.
34
Đối với các MS và BS hỗ trợ MDHO, MS và BS duy trì một tập các BS hoạt động mà có chếđộ MDHO với MS. Trong số các BS của tập các trạm gốc hoạt động, một BS mỏ neo được định nghĩa. Chếđộ thông thường để hoạt động chính là một trường hợp cụ thể của MDHO với tập các trạm gốc hoạt động chỉ gồm một BS đơn lẻ. Khi hoạt động trong chế độ MDHO, MS trao đổi với tất cả BS trong tập các trạm gốc hoạt động thông qua các bản tin đơn hướng cả hướng lên và hướng xuống. Một phiên MDHO bắt đầu khi một MS quyết định truyền và nhận lưu lượng và bản tin đơn hướng từ nhiều BS trong cùng khoảng thời gian. Đối với MDHO đường xuống, có hai hoặc nhiều hơn BS cung cấp khả năng truyền đồng bộ cho dữ liệu đường xuống MS và như vậy kết hợp phân tập được thực hiện ở MS. Đối với đường lên MDHO, việc truyền dẫn từ MS được thu bởi nhiều BS ở đó thông tin phân tập lựa chọn nhận được được thực hiện.
2.5 Bảo mật trong WiMax
WiMax di động hỗ trợ tốt nhất các đặc tính bảo mật lớp nhờ áp dụng các công nghệ tốt nhất đang sẵn có hiện nay.
Nó hỗ trợ cho nhận thực giữa thiết bị/người dùng, giao thức quản lý khoá lính động, mã hoá lưu lượng, bảo vệ bản tin mặt phẳng quản lý và tối ưu hoá giao thức bảo mật cho các chuyển giao nhanh.
Các nội dung chính của đặc điểm bảo mật là: - Giao thức quản lý khoá.
- Nhận thực thiết bị/người sử dụng. - Mã hóa lưu lượng.
- Bảo vệ các bản tin điều khiển. - Hỗ trợ chuyển giao nhanh.
2.6 Các đặc tính khác của WiMax di động 2.6.1 Sử dụng Anten thông minh 2.6.1 Sử dụng Anten thông minh
OFDMA cho phép các hoạt động anten thông minh được thực hiện trên các sóng mang con véctơ phẳng. Các bộ cân bằng phức tạp không phải bù pha-đinh lựa chọn tần số. Vì vậy OFDMA rất thích hợp hỗ trợ các công nghệ anten thông minh. Trong thực tế, MIMO-OFDM/OFDMA được hình dung như là cơ sở nền tảng cho các hệ thống truyền thông băng rộng thế hệ mới. WiMax di động hỗ trợ một dải rộng các
35
công nghệ anten thông minh để nâng cao hiệu suất hệ thống. Các công nghệ anten thông minh được hỗ trợ gồm:
- Tạo chùm (beamforming):Nhờ khả năng tạo chùm, hệ thống sử dụng nhiều anten để truyền các tín hiệu quan trọng để nâng cao dung lượng và khả năng phủ sóng của hệ thống cũng như giảm khả năng mất dịch vụ.
- Mã không gian - thời gian (Space Time Code – STC):Hỗ trợ phân tập truyền như mã Alamouti để cung cấp khả năng phân tập không gian và giảm dự trữ suy hao tín hiệu.
- Ghép kênh không gian (SM): Hỗ trợ ghép kênh không gian để tận dụng tốc độ đỉnh cao hơn và giảm thông lượng. Nhờ ghép kênh không gian, nhiều luồng sẽđược truyền trên hệ thống nhiều anten. Nếu phía thu cũng có hệ thống nhiều anten, nó có thể phân tách các luồng khác nhau để đạt được thông lượng cao hơn so với các hệ thống đơn anten. Với hệ thống MIMO 2x2, SM tăng tốc đốc độ dữ liệu đỉnh gấp 2 lần. Ởđường lên mỗi người dùng chỉ có một anten phát, 2 người dùng có thể truyền cùng với nhau trong cùng một khe thời gian giống như hai luồng được ghép kênh không gian từ hai anten của cùng một người dùng. Quá trình như vậy gọi là ghép kênh không gian cùng đường lên. [14]
Các đặc tính hỗ trợ trong WiMax di động được liệt kê trong Bảng 2.5.
Liên
kết Dạng tia
Mã hóa
Không gian – Thời gian Đa phương DL Nt ≥ 2 Nr ≥ 13 Nt= 2, Nr ≥ 1 Ma trận A Nt= 2, Nr ≥ 2 Ma trận B, Mã hóa dọc UL Nt ≥ 1 Nr ≥ 2 N/A Nt= 1, Nr ≥ 2
Hai người dung cộng tác SM Bảng 2.5: Các tùy chọn của anten cao cấp
WiMax di động hỗ trợ khả năng chuyển đổi lựa chọn thích nghi để khai thác tối đa lợi ích của các công nghệ anten thông minh trong các tình trạng kênh truyền khác nhau. Ví dụ, SM cải thiện thông lượng đỉnh. Mặc dù, điều kiện kênh không tốt, tỉ lệ lỗi gói tin PER có thể cao và do vậy vùng phủ sóng với tỉ lệ PER yêu cầu sẽ bị hạn chế. Ngoài ra STC còn cung cấp khả năng phủ sóng rộng bất chấp tình trạng kênh truyền nhưng lại không cải thiện được tốc độ dữ liệu gói. WiMax di động còn hỗ trợ
36
lựa chọn MIMO thích nghi giữa các chế độ đa MIMO để sử dụng tối đa hiệu suất phổ mà vùng phủ sóng không bị giảm. Bảng dưới đây tổng kết tốc độ dữ liệu đỉnh lý thuyết với các tỉ lệ DL/UL khác nhau giả định băng thông kênh là 10 MHz, độ rộng khung là 5ms gồm 44 biểu trưng dữ liệu OFDM. [10]
Với hệ thống MIMO 2x2, hướng xuống của người dùng và tốc độ dữ liệu đỉnh có thể gấp đôi (theo lý thuyết). Tốc độ dữ liệu đỉnh tối đa hướng xuống là 63,36 Mbps khi tất cả biểu trưng dữ liệu chỉ dành cho hướng xuống. Với đường lên cùng SM, tốc độ dữ liệu đỉnh được nhân đôi trong khi tốc độ dữ liệu đỉnh người dùng không đổi. Tốc độ dữ liệu đỉnh người dùng hướng lên và tốc độ dữ liệu đỉnh lần lượt là 14,11 Mbps và 28,22 Mbps khi tất cả các biểu trưng dữ liệu chỉ dành cho hướng lên. Bằng cách áp dụng các tỉ lệ DL/UL khác nhau, băng thông có thể được điều chỉnh giữa đường lên và đường xuống để cung cấp các mẫu lưu lượng khác nhau.
Tỷ số DL/UL 1:0 3:1 2:1 3:2 1:1 0:1 Tỷ lệ tối đa người dùng (Mbps) SIMO (1x2) DL 31,68 23,04 20,16 18,72 15,84 0 UL 0 4,03 5,04 6,05 7,06 17,11 MIMO (2x2) DL 63,36 46,08 40,32 37,44 31,68 0 UL 0 4,03 5,04 6,05 7,06 16,11 Tỷ lệ tối đa vùng (Mbps) SIMO (1x2) DL 31,68 23,04 20,16 18,72 15,84 0 UL 0 4,03 5,04 6,05 7,06 14,11 MIMO (2x2) DL 63,36 46,08 40,32 37,44 31,68 0 UL 0 8,06 10,08 12,10 14,12 28,22 Bảng 2.6: Các tốc độ dữ liệu cho các cấu hình SIMO/MIMO
(Cho kênh 10 MHz, độ dài khung 5ms, kênh con PUSC, 44 biểu trưng OFDM dữ liệu)
37
Hình 2.7: Chuyển mạch thích ứng cho anten thông minh
2.6.2 Sử dụng lại tần số
WiMax di động hỗ trợ sử dụng lại một tần số trên tất cả các cell (sector) trên cùng một kênh tần sốđể tận dụng tối đa hiệu quả sử dụng phổ. Tuy nhiên, do nhiễu đồng kênh lớn trong việc triển khai sử dụng lại một tần số, ở các vùng biên cell sẽ bị suy giảm chất lượng kết nối. Nhưng với WiMax di động, người dùng hoạt động trên các kênh con mà chỉ chiếm một phần nhỏ trên toàn bộ băng thông kênh truyền; vấn đề nhiễu đường biên ô có thể dễ dàng đánh địa chỉ bởi việc sử dụng kênh con cấu hình thích hợp mà không sử dụng đến kế hoạch tần số truyền thống.
Trong WiMax di động, việc sử dụng kênh con linh hoạt được thực hiện dễ dàng bởi 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. Vùng hoán vị là một số lượng các ký hiệu OFDMA liền kề trong đường xuống hoặc đường lên mà sử dụng cùng hoán vị. Khung con đường xuống hoặc đường lên bao gồm nhiều hơn một vùng hoán vịđược chỉ ra như Hình 2.7.
Mẫu sử dụng lại tần số kênh con được cấu hình để người dùng gần trạm gốc hoạt động trong khu vực sẵn có các kênh con. Còn đối với người dùng ở đường biên, mỗi cell hoạt động trên vùng chỉ có một phần kênh con sẵn có. Trong Hình 2.8, F1, F2 và F3 biểu thị các tập kênh con khác nhau trong cùng một kênh tần số. Với cấu hình như vậy, một mẫu sử dụng lại tần số hợp lý sẽđược duy trì cho người dùng ở
38
trung tâm để tối đa hiệu suất phổ và sử dụng lại tần số một phần được thực hiện cho các thuê bao ở đường biên đểđảm bảo thông lượng và chất lượng kết nối. Kế hoạch sử dụng lại kênh con có thể được tối ưu theo cell trên cơ sở dung lượng mạng và tình trạng nhiễu khung. Do đó tất cả các cell có thể hoạt động trên cùng kênh tần số mà không cần hoạch định tần số.
Hình 2.8: Sử dụng lại tần số chia nhỏ
Dịch vụ Multicast và Broadcast – MBS
Dịch vụ MBS trong WiMax di động kết hợp các đặc tính tốt nhất của DVB-H, MediaFLO và 3GPP E-UTRA, thoả mãn những yêu cầu sau:
- Tốc độ dữ liệu cao và khả năng phủ sóng sử dụng mạng một tần số (SFN) - Cấp phát tài nguyên vô tuyến linh động
- MS tiêu thụ năng lượng thấp
- Hỗ trợ dữ liệu ngang hàng bao gồm các luồng audio và video - Thời gian chuyển mạch kênh nhỏ
2.7 Phân tích hiệu suất hệ thống di động WiMax 2.7.1 Các thông số hệ thống di động WiMax 2.7.1 Các thông số hệ thống di động WiMax
Khi WiMax di động được dựa trên OFDMA theo mức, nó có thể cấu hình linh hoạt để hoạt động tại các băng thông khác nhau nhờ điều chỉnh các thông số hệ thống. Chúng ta xem xét hệ thống WiMax di động với các đặc tính sau đây như là một bài toán cho tính toán hiệu suất hệ thống di động WiMax. Bảng 2.7 cung cấp các thông số hệ thống, Bảng 2.8 là các thông số OFDMA và Bảng 2.9 chỉ ra các mô hình truyền sóng được sử dụng cho tính toán hiệu suất.
39 Các thông số Giá trị Số lượng ô 3 cung 19 Tần sốđiều khiển 2500 MHz Song công TDD Băng thông kênh 10 MHz Khoảng cách BS-đến-BS 2,8 Km Khoảng cách nhỏ nhất Di động-đến-BS 36m Kiểu dáng anten 70 (-3dB) với 20dB tỷ số giữa- đến-cuối Độ cao BS 32m Độ cao đầu cuối di động 1,5 m Sự tăng ích anten BS 15dBi Sự tăng ích anten MS -1 dBi
Năng lượng khuếch đại công suất cực đại BS 43 dBm Năng lượng PA cực đại đầu cuối di động 23 dBm Của anten Tx/Rx BS Tx: 2 hoặc 4 Rx: 2 hoặc 4 Của anten Tx/Rx MS Tx: 1; Rx: 2 Đồ hình tạp âm BS 4 dB Đồ hình tạp âm MS 7dB Bảng 2.7: Các thông số hệ thống WiMax di động Các thông số Các giá trị Băng thông kênh hệ thống (MHz) 10 Tần số lấy mẫu ( là MHz) 11,2 Cỡ FFT ( ) 1024
Không gian tần số sóng mang con 10,94 KHz
40 Thời gian giám sát ( = /8) 11,4 μs Thời gian tồn tại ký hiệu OFDMA (Tần số = + ) 102,9 μs Thời gian tồn tại khung 5 ms Số lượng các ký hiệu OFDMA 48 DL PUSC
Các sóng mang con rỗng (null) 184 Các sóng mang con dẫn đường 120 Các sóng mang con dữ liệu 720
Các kênh con 30
UL PUSC
Các sóng mang con rỗng (null) 184 Các sóng mang con dẫn đường 280 Các sóng mang con dữ liệu 560
Các kênh con 35
Bảng 2.8: Các thông số OFDMA
Các thông số Giá trị
Phương thức truyền bá Ngoại ô COST 231
Hiệu ứng màn che bản ghi thông thường SD 8 dB
Sự tương quan hiệu ứng màn che BS 0,5
Sự thiệt hại xâm nhập 10 dB Bảng 2.9: Phương thức truyền bá
Đường xuống WiMax di động
Cấu trúc trạm cơ sở MAP Đường truyền Đơn vị
Khả năng trên yếu tố anten 10,0 10,0 10,0 W
Số lượng các yếu tố anten 2,0 2,0 2,0
Sự tăng phối hợp theo chu kỳ 3,0 3,0 3,0 dB
Sự tăng thêm anten 15,0 15,0 15,0 dBi
Sự tăng thêm nguồn dẫn đường -0,7 -0,7 -0,7 dB
EIRP 57,3 57,3 57,3 dBm
41
Số lượng sóng mang con đang sử
dụng
840 840 840
Năng lực trên sóng mang con đang sử dụng
28,1 28,1 28,1 dBm
Đơn vị di động (Thiết bị cầm tay trong điều kiện trong nhà)
Sự tăng ích của anten -1,0 -1,0 -1,0 dBi Sự tăng thêm tính đa dạng anten (2 anten) 3,0 3,0 3,0 dB Đồ hình tạp âm 7,0 7,0 7,0 dB Các số dư
Số dư giảm dần theo bản ghi thông thường 5,56 5,56 5,56 dB