WiMAX (IEEE 802.16)
4.3. Giao tiếp vô tuyến và mạng vô tuyến của WiMAX cố định 802.16d
802.16d
Giống như LTE, WiMAX sử dụng phương thức OFDM để truyền dữ liệu qua giao tiếp vô tuyến. Vì thế các hệ thống này rất giống nhau ở tầng Physical, và mục này coi như người đọc đã nắm rõ giao tiếp vô tuyến của LTE như đã mô tả trong mục 3.3.
Phiên bản giao tiếp vô tuyến đầu tiên được triển khai rộng rãi của chuẩn 802.16, gọi là 802.16d hay IEEE 802.16-2004, hiện đang được dùng để nối kết các thiết bị như máy tính xách tay và PC chẳng hạn với Internet thông qua các modem WiMAX lắp đặt tại nhà riêng hoặc văn phòng (nên còn được gọi là WiMAX cố định). Nó không tương thích với chuẩn 802.16e (hay 802.16-2005) hiện tại, vốn được xây dựng sau đó và đưa ra nhiều cải tiến cần thiết cho tính di động (nên còn được gọi là WiMAX di động). Vì thế, tuổi thọ và các kịch bản sử dụng mạng WiMAX cố định bị hạn chế, bởi vì không chắc là các CPE và thiết bị mạng có thể nâng cấp được lên chuẩn WiMAX đi động. Ngoài ra, các mạng WiMAX cố định thường không dùng tất cả những thành phần trong hạ tầng cơ sở đã chuẩn hóa như mô tả ở trên, bởi vì kiến trúc mạng của chúng đơn giản hơn nhiều, và cũng vì chúng không cần hậu thuẫn tính di động. Tuy vậy, mục
này vẫn khảo sát giao tiếp vô tuyến của WiMAX cố định, bởi vì nó đã được sử dụng ở một mức độ nào đó trong thực tế và hình thành nền tảng cho WiMAX di động (sẽ được bàn trong mục 4.4).
Khác biệt lớn của IEEE 802.16-d so với WiMAX di động (IEEE 802.16-e) và LTE là, nó sử dụng 256 kênh con OFDM độc lập với độ rộng dải tần tổng thể của kênh. Trong số đó, 193 kênh con được dùng để truyền dữ liệu người dùng. Các kênh con còn lại hoặc không được dùng bởi vì nằm ở biên của băng, hoặc cung cấp các tín hiệu dẫn hướng (pilot), vốn được các CPE dùng để đánh giá kênh và xấp xỉ tín hiệu và lọc. Các độ rộng dải tần được qui định là 1.25, 3, 3.5, 5.5, 7 và 10 MHz. Tuy nhiên dải tần càng nhỏ thì càng ít có khả năng được dùng trong thực tế, bởi vì thông suất có được không đủ để hậu thuẫn truy cập Internet tốc độ cao ngay cả cho một lượng người dùng nhỏ thôi. Dùng một lượng kênh con giống nhau cho mọi độ rộng dải tần có nghĩa là thời gian truyền các symbol thay đổi theo độ rộng dải tần. Ví dụ, đối với độ rộng dải tần 1.25 MHz, thời gian truyền symbol là 128 µs, trong khi nếu dùng độ rộng dải tần 10 MHz thì thời gian truyền symbol chỉ có 22.408 µs. Vì vậy, các đặc tính truyền trên tầng Physical tùy thuộc vào độ rộng dải tần được dùng cho kênh.
WiMAX Forum qui định hai cấu hình truyền (profile) cho WiMAX cố định. Cấu hình
wirelessMAN-OFDM (wireless Metropolitan Area Network OFDM) được sử dụng khi một cơ quan điều phối quốc gia đã chính thức cấp phát một băng tần để sử dụng WiMAX, sau một cuộc đấu thầu phổ chẳng hạn. Dựa trên các đặc tính của băng tần được cấp, các thiết bị WiMAX cố định sẽ được sử dụng theo chế độ TDD (Time Division Duplexing _ Ghép kênh Phân Thời) hoặc FDD (Frequency Division Duplexing _ Ghép kênh Phân Tần).
Ở chế độ TDD, băng đó được dùng chung cho cả truyền hướng lên lẫn truyền hướng xuống, và hệ thống liên tục chuyển qua chuyển lại giữa phát sóng và thu sóng. Ưu điểm của giải pháp này là, hệ thống có thể được điều chỉnh để phản ảnh tỷ lệ lưu tải giữa hướng lên và hướng xuống. Hiện nay, hướng xuống cần nhiều thông lượng hơn, đó là lý do nhiều thời gian được cấp phát cho truyền hướng xuống hơn là truyền hướng lên. Tuy nhiên, đến đây cần phải lưu ý rằng một tỷ lệ hướng xuống/hướng lên 3:1 trên giao tiếp vô tuyến không phản ảnh chính xác tỷ lệ thông lượng giữa hai hướng truyền, bởi vì truyền hướng lên thường không hiệu quả do hạn chế ở công suất phát và những hạn chế về ăng-ten trên một thiết bị nhỏ. Hơn nữa, TDD đòi hỏi các trạm cơ sở phải được đồng bộ hóa chặt chẽ với nhau để ngăn các cuộc truyền hướng lên của thiết bị trong một cell can nhiễu với các cuộc truyền hướng xuống trong cell kế cận.
Ở chế độ FDD, truyền hướng lên và truyền hướng xuống dùng những băng tần khác nhau. Đối với những băng tần được cấp phép, đây thường là chế độ truyền được các nhà cung cấp dịch vụ mạng ưa thích. Ưu điểm của FDD là dữ liệu có thể được truyền hướng lên và hướng xuống song song nhau. Hơn nữa, không cần sự tạm dừng truyền nào để thiết bị có thời gian chuyển từ chế độ phát sóng sang chế độ thu sóng. Ngoài ra, truyền FDD cho phép có những bộ thu sóng nhạy cảm hơn trong các thiết bị di động, điều này có lợi cho tốc độ truyền dữ liệu tổng thể.
Hình 4.6 cho thấy một cuộc truyền dữ liệu hướng xuống TDD trông như thế nào trong chuẩn WiMAX cố định. Các cuộc truyền hướng xuống được phân chia vào từng khung (frame) riêng, với độ dài cố định là từ 2.5 đến 20 ms. Đến lượt nó, mỗi khung chứa một số trường liên tiếp nhau. Trường đầu là Preamble, vốn có một mẫu hình bit đã biết mà các CPE có thể dùng để nhận biết đâu là chỗ bắt đầu của một khung. Trường FCH (Frame Control Header) kế đó chứa thông tin về phương thức điều chế và mã hóa của đoạn dữ liệu hướng xuống đầu tiên (DL-Burst 1) ngay sau nó.
Phương thức điều chế BPSK và tỷ lệ mã hóa 1/2 được dùng cho FCH để bảo đảm là tất cả các thiết bị đều có thể nhận thông tin đúng đắn. Đoạn DL-Burst 1 của một khung chứa dữ liệu quảng bá hướng xuống lúc đầu nhằm thông báo cho các thiết bị là có khung dữ liệu nào được truyền cho chúng hay không, và truyền vào lúc nào. Hơn nữa, vùng Broadcast bên trong nó còn chứa
thông tin cần thiết cho các thiết bị khi chúng được phép gửi dữ liệu hướng lên. Tiếp đến, phần còn lại của DL-Burst đầu tiên của mỗi khung chứa các gói dữ liệu người dùng dành cho một hoặc nhiều thiết bị. Một khung thường chứa nhiều đoạn DL-Burst, và mỗi đoạn đó dùng một phương thức điều chế và mã hóa khác nhau. Vì thế vị trí của dữ liệu dành cho một thiết bị nào đó tùy thuộc vào điều kiện vô tuyến mà nó đang gặp phải (điều kiện càng tốt thì phương thức điều chế và mã hóa cấp càng cao hơn sẽ được dùng). Hình 4.6 cũng cho thấy rằng, mỗi lúc dữ liệu chỉ được gửi đến một thiết bị thôi. Thế có nghĩa là các thuê bao chỉ được ghép kênh trong miền thời gian chứ không phải trong miền tần số.
Hình 4.6: Truyền dữ liệu hướng xuống TDD trong WiMAX cố định.
Bởi vì giao tiếp vô tuyến của IEEE 802.16-2004 được thiết kế để dùng cố định, nên các thiết bị người dùng không cần báo cáo điều kiện tín hiệu thường xuyên như cần thiết trong các hệ thống có hậu thuẫn tính di động. Thay vì vậy, thiết bị chỉ đánh giá điều kiện vô tuyến và gửi một thông điệp quản lý dành riêng về mạng để thay đổi phương thức điều chế và mã hóa cho hướng lên và hướng xuống khi cần thiết thôi. Tương tự như vậy, việc phát hiện lỗi và sửa lỗi trên tầng MAC cũng không bắt buộc phải có. Nếu một cơ chế sửa lỗi ARQ (Automatic Retransmission Request) cơ bản được dùng cho một đường truyền, nó sẽ phân các gói ra thành các khối ARQ, rồi mỗi phía báo cho phía kia biết mình vừa nhận được đúng đắn những khối nào. Sau đó những khối nào không được nhận đúng sẽ được truyền lại. Cơ chế này cũng tương tự như cơ chế được dùng cho giao thức TCP (Transmission Control Protocol) ở bên trên tầng IP vậy.