WIMAX có cùng một nguyên lý hoạt động với WiFi – nó gửi dữ liệu từ một máy tính tới một máy tính khác qua các tín hiệu vô tuyến. Một máy tính (máy tính
để bàn hoặc máy tính xách tay) được trang bị WIMAX sẽ gửi dữ liệu từ trạm phát WIMAX, hầu như sử dụng các khóa dữ liệu được mã hóa để ngăn chặn những người dùng không được nhận thực truy cập trộm.
Kết nối WiFi nhanh nhất có thể truyền lên tới 54 megabit trên giây trong các
điều kiện tối ưu. WIMAX có thể truyền lên tới 70 megabit trên giây. Thậm chí khi mà 70 megabit bị tách ra giữa vài chục công ty và hàng trăm gia đình người dùng, ít nhất nó sẽ cung cấp tốc độ tương đương với tốc độ truyền của modem cáp cho mỗi người dùng.
Sự khác nhau lớn nhất không phải là tốc độ mà là khoảng cách. WIMAX vượt xa WiFi khoảng vài dặm. Cự ly của WiFi là khoảng 100 fit (30m). WIMAX che phủ trong bán kính 30 dặm (50km) với truy cập vô tuyến. Cự ly tăng là do các tần số được sử dụng và công suất của máy phát. Tất nhiên, tại khoảng cách đó, địa hình, thời tiết và các toà nhà lớn sẽ tác động làm giảm cự ly lớn nhất trong một số
tình huống, nhưng nó vẫn có khả năng phủ các vùng đất rộng lớn.
WIMAX không được thiết kế để mâu thuẫn với WiFi, mà để cùng tồn tại với WiFi. Vùng phủ của WIMAX được đo theo km2, trong khi vùng phủ của WiFi
được đo theo m2. Chuẩn WIMAX gốc (IEEE 802.16) đề xuất việc sử dụng phổ tần 10-66 GHz cho truyền dẫn WIMAX, mà cao hơn nhiều cự ly WiFi (lên tới tối đa 5 GHz). Nhưng 802.16a đã hỗ trợ thêm cho tần số 2-11 GHz. Một trạm gốc WIMAX có thể được truy cập bởi hơn 60 người sử dụng. WIMAX cũng có thể cung cấp các dịch vụ quảng bá.
Các đặc điểm kĩ thuật WIMAX cũng cung cấp các điều kiện thuận lợi tốt hơn nhiều so với WiFi, cung cấp độ rộng băng tần cao hơn và an ninh dữ liệu cao bằng cách sử dụng các kế hoạch mã hóa tăng cường. WIMAX cũng có thể cung cấp dịch vụ theo cả hai địa điểm LOS và NLOS, nhưng cự ly sẽ thay đổi cho phù hợp. WIMAX cho phép thâm nhập vào dịch vụ băng rộng VoIP, video, và truy cập internet đồng thời. Các anten WIMAX có thể “chia sẻ” một tháp cell mà không cần dàn xếp chức năng của các mạng tổ ong đã thích hợp.
Chương 3 Wimax di dộng 3.1. Giới thiệu chung, sự ra đời và phát triển 3.1.1. Giới thiệu chung
Trên đây là WIMAX nói chung, ở chương này ta sẽ đi sâu hơn vào công nghệ WIMAX di động. công nghệ WIMAX không chỉ sử dụng cho hệ thống cố định mà người ta còn rất chú trọng đến công nghệ di động do đây là một thế mạnh cho tương lai của công nghệ này. Sau đây là một số đặc tính riêng của WIMAX di
động:
Quản lý nguồn và chuyển vùng là 2 trong số các tính năng đã được bổ sung đối với các ứng dụng di động. WiMAX di động hỗ trợ chế độ ngủ (Sleep) và chếđộ rỗi (Idle) cho phép sử dụng hiệu quả nguồn của thiết bị đầu cuối di động. Nó cũng hỗ
trợ chuyển vùng thông suốt cho phép thiết bị đầu cuối di động chuyển từ một trạm gốc này sang trạm gốc khác mà không bị ngắt kết nối.
a Quản lý nguồn
Hai chế độ hoạt động nguồn hiệu suất cao được hỗ trợ trong WiMAX di động là: Chếđộ ngủ và chế độ rỗi.
Chế độ ngủ là trạng thái mà ở đó thiết bị di động sắp xếp các chu kỳ định trước vắng mặt không liên lạc với giao tiếp vô tuyến của trạm gốc cung cấp dịch vụ. Các chu kỳ này đặc trưng bởi tính không khả dụng của thiết bị di động MS đối với lưu lượng tuyến lên UL hoặc tuyến xuống DL. Chế độ ngủ được dự định để tối thiểu hoá sử dụng nguồn của thiết bị di động và tối thiểu hoá việc sử dụng các tài nguyên giao tiếp vô tuyến của trạm gốc cung cấp dịch vụ. Chế độ ngủ cung cung cấp sự
linh hoạt cho thiết bị di động MS để quét các trạm gốc khác nhằm thu thập thông tin trợ giúp chuyển vùng trong suốt.
Chế độ rỗi cung cấp một cơ cấu cho thiết bị di động MS trở thành khả dụng theo chu kỳ đối với việc nhắn tin lưu lượng quảng bá tuyến xuống DL không cần
đăng ký ở một trạm gốc xác định khi thiết bị di động di chuyển qua một môi trường vô tuyến giao bởi nhiều trạm gốc. Chế độ rỗi tạo thuận lợi cho thiết bị di
động nhờ việc loại bỏ yêu cầu chuyển vùng và các hoạt động thông thường khác và tạo thuận lợi cho mạng và trạm gốc nhờ việc bỏ qua giao tiếp vô tuyến và lưu lượng chuyển vùng mạng khỏi các thiết bị di động không kích hoạt trong khi vẫn cung cấp phương thức đơn giản theo chu kỳ thời gian (nhắn tin) để cảnh báo cho thiết bị di động sắp có lưu lượng tuyến xuống DL.
b Chuyển vùng:
Có 3 phương thức chuyển vùng hỗ trợ trong chuẩn 802.16e: Chuyển vùng cứng (HHO), chuyển đổi trạm gốc nhanh (FBSS) và chuyển giao đa dạng riêng (MDHO). Trong những phương thức này HHO là bắt buộc trong khi FBSS và MDHO là hai phương thức lựa chọn. Diễn đàn WiMAX đã phát triển một vài kỹ
thuật để tối ưu chuyển vùng cứng trong khuôn khổ của tiêu chuẩn 802.16e. Những cải tiến này đã được phát triển với mục đích giữa cho trễ chuyển vùng ở lớp 2 nhỏ
hơn 50ms.
Khi FBSS được hỗ trợ, thiết bị di động MS và trạm gốc BS duy trì một danh sách các BS mà liên quan trong FBSS với thiết bị di động. Tổ hợp này được gọi là tổ hợp tích cực. Trong FBSS, thiết bị di động giám sát liên tục các trạm gốc trong tổ hợp tích cực. Trong số các trạm gốc BS ở trong tổ hợp tích cực, một BS chủ
chốt được xác định. Khi hoạt động trong FBSS, thiết bị di động MS chỉ thông tin với trạm gốc chủ chốt bằng các bản tin tuyến lên và tuyến xuống bao gồm quản lý và các kết nối lưu lượng. Việc chuyển đổi từ một trạm gốc chủ này sang một trạm khác (tức là chuyển vùng BS) được thực hiện không cần chỉ dẫn rõ dàng các bản tin báo hiệu HO. Trạm BS chủ cập nhật các thủ tục được thiết lập bằng cường độ
tín hiệu thông tin của trạm gốc cung cấp dịch vụ qua kênh CQI. Một chuyển vùng FBSS bắt đầu với một quyết định bởi một thiết bị di động thu hoặc phát dữ liệu từ
trạm gốc chủ mà có thể thay đổi trong tổ hợp tích cực. Thiết bị di động quét các trạm gốc BS bên cạnh và lựa chọn những trạm mà phù hợp để kết hợp vào trong tổ
hợp tích cực. Thiết bị di động báo cáo cho các trạm gốc được lựa chọn và tổ hợp tích cực cập nhật thủ tục được thực hiện nhờ trạm gốc và thiết bị di động. Thiết bị
di động giám sát liên tục cường độ tín hiệu của các trạm gốc BS ở trong tổ hợp tích cực và lựa chọn một trạm gốc BS từ tổ hợp này trở thành trạm gốc chủ. Thiết bị di
động MS báo cáo cho trạm gốc chủ được chọn trên CQICH hoặc thiết bị di động khởi tạo bản tin yêu cầu chuyển vùng HHO. Một yêu cầu quan trọng của FBSS đó là dữ liệu được phát tương hỗ tới tất cả các thành viên của tổ hợp các trạm gốc tích cực có thể phục vụ thiết bị di động.
Đối với các thiết bị di động MS và các trạm gốc BS mà hỗ trợ MDHO, thiết bị
di động MS và trạm gốc BS duy trì một tổ hợp tích cực các trạm gốc BS liên quan trong MDHO với thiết bị di động. Trong số các trạm gốc BS ở trong tổ hợp tích cực, một trạm gốc BS chủ được xác định. Chế độ hoạt động chuẩn ám chỉ trường hợpMDHO tiêu biểu với tổ hợp tích cực gồm một trạm gốc đơn. Khi hoạt động trong MDHO, thiết bị di động thông tin với tất cả các BS bằng tổ hợp các bản tin unicast tuyến lên hoặc tuyến xuống và lưu lượng từ nhiều các BS trong cùng một
đơn vị thời gian. Đối với MDHO tuyến xuống, 2 hay nhiều hơn các trạm gốc BS cung cấp truyền dẫn dữ liệu tuyến xuống của MS đồng bộ như là sự kết hợp đa
dạng được thực hiện ở thiết bị di động MS. Đối với MDHO tuyến lên, truyền dẫn từ thiết bị di động MS được thu bởi nhiều trạm gốc BS mà ở đó việc lựa chọn đa dạng thông tin thu được thực hiện.
3.1.2. Tiềm năng
Với những lợi thế của mình WiMAX di động có những tiềm năng rất lớn cho đáp ứng nhu cầu dịch vụ thị trường hiện tại. với xu thế hiện nay, khi nhu cầu băng rộng ngày càng cao của người sử dụng, WiMAX có những ưu điểm đủ đểđáp
ứng nhu cầu về mặt kỹ thuật cũng như về mặt kinh tế:
- về mặt kỹ thuật: WiMAX cung cấp một khả năng kết nối tầm xa tới 70 km nhưng theo các khuyến nghị thì chỉ nên sử dụng cho tới khoảng cách 50km, về mặt tốc độ cho truyền với tốc độ cực cao là 70Mb/s, sử dụng đa truy nhập qua anten thông minh…
- về mặt kinh tế: theo dự báo của các nhà lắp đặt thử nghiệm thì công nghệ
mới này ra đời thì giá thành cho thuê bao sẽ không đắt hơn giá thành ADSL hiện nay nhiều do tính cạnh tranh thị trường yêu cầu thì để tồn tại WiMAX không thể đi vào thị trường với giá thành quá cao được. Thêm vào đó thiết bị WiMAX dành cho các nhà cung cấp dịch vụ cũng đang được các nhà cung cấp thiết bị sản xuất để ý và quan tâm nhiều do đó đã giảm giá thành rất nhiều.
3.2. Công nghệ 3.2.1. Lớp vật lý 3.2.1. Lớp vật lý 3.2.1.1. OFDM
Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) là một kĩ thuật ghép kênh chia nhỏ băng thông thành nhiều sóng mang con tần số như trong hình 3.1 Trong một hệ thống OFDM, luồng dữ liệu đầu vào được chia thành một số luồng con song song có tốc độ dữ liệu giảm (vì vậy tăng khoảng kí hiệu) và mỗi luồng con được
điều chế, được phát trên một sóng mang con trực giao riêng. Khoảng thời gian kí hiệu tăng cải thiện độ mạnh của OFDM cho trải trễ. Hơn nữa, tiền tố vòng (CP) có thể loại trừ hoàn toàn nhiễu kí hiệu (ISI) chỉ cần khoảng thời gian CP dài hơn trải trễ kênh. CP thường là sự lặp lại các mẫu trước đó của phần dữ liệu của khối được gắn vào điểm bắt đầu tải trọng dữ liệu như trong hình 3.2. CP ngăn chặn nhiễu khối, tạo vòng xuất hiện kênh và cho phép cân bằng miền tần số ít phức tạp. Mặt hạn chế của CP là nó đưa ra mào đầu (overhead) làm giảm hiệu quả băng thông. Khi mà CP làm giảm một phần băng thông, thì ảnh hưởng của CP giống với “hệ số
roll-off” trong hệ thống đơn sóng mang sử dụng bộ lọc cosin tăng. Vì OFDM có
nhiều đoạn cong, hầu hết phổ “brick-wall”, một phân số lớn băng thông kênh được cấp phát có thể được sử dụng cho truyền dẫn dữ liệu, điều này có thể giúp làm giảm tổn thất hiệu quả vì tiền tố vòng. 0 jw t e 1 jw t e 1 N jw t e − *( ) g t− *( ) g t− *( ) g t− ( ) h t ( ) g t ( ) g t ( ) g t 0 jwt e− 1 jw t e− 1 N jw t e− − 0( ) a t∧ 1( ) a t∧ 1() N a t∧ − 0() a t 1() a t 1() N a t−
Hình 3.1: Kiến trúc cơ bản của một hệ thống OFDM
OFDM khai thác phân tập tần số của kênh đa đường bởi mã hóa và đan xen thông tin qua sóng mang con trước khi truyền dẫn. Điều chế OFDM có thể được thực hiện hiệu quả với biến đổi Fourrier ngược nhanh (IFFT), mà cho phép một số
lượng lớn sóng mang con (lên tới 2048) với độ phức tạp thấp. Trong một hệ thống OFDM, tài nguyên khả dụng trong miền thời gian là các kí hiệu OFDM và trong miền tần số là các sóng mang con. Các tài nguyên thời gian và tần số có thể được sắp xếp thành các kênh con để cấp phát cho từng người sử dụng. Đa truy nhập ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) là một kế hoạch ghép kênh/đa truy nhập để cung cấp hoạt động ghép kênh của luồng dữ liệu từ nhiều người sử
dụng trên các kênh con đường xuống và đa truy nhập đường lên bởi các kênh con
đường lên. g T g T b T s T Hình 3.2: Chèn tiền tố vòng (CP) Đỗ Tấn Trọng -52- Lớp KTVT B-44
3.2.1.2. Cấu trúc lớp ký hiệu OFDM và phân kênh con
Cấu trúc kí hiệu OFDMA gồm có 3 loại sóng mang con như trong hình 3.3: • Sóng mang con dữ liệu để truyền dẫn dữ liệu.
• Sóng mang con hoa tiêu cho mục đích ước tính và đồng bộ.
• Sóng mang con vô giá trị không dùng cho truyền dẫn, mà sử dụng cho các dải bảo vệ và các sóng mang DC.
Các sóng mang con tích cực (dữ liệu và hoa tiêu) được nhóm thành các tập con gọi là các kênh con. Lớp vật lí OFDMA WIMAX hỗ trợ kênh con trong cả DL và UL. Đơn vị tài nguyên thời gian - tần số nhỏ nhất của phân kênh con là một khe bằn 48 tone dữ liệu (sóng mang con). Có hai loại hoán vị sóng mang con phân cho kênh con; phân tập và liền kề. Hoán vị phân tập đưa các sóng mang con giả ngẫu nhiên vào dạng một kênh con. Nó cung cấp phân tập tần số và trung bình hóa nhiễu giữa các tế bào. Các hoán vị phân tập bao gồm DL FUSC (sóng mang con được sử
dụng hoàn toàn), DL PUSC (sóng mang con được sử dụng một phần), UL PUSC và các hoán vị không bắt buộc.
Hình 3.3: Cấu trúc sóng mang con OFDMA
Với DL PUSC, mỗi cặp kí hiệu OFDM, các sóng mang con khả dụng hoặc thích hợp được nhóm thành các cụm bao gồm 14 sóng mang con liền kề trên một chu kì kí hiệu, có cấp phát hoa tiêu và dữ liệu ở mỗi cụm trong các kí hiệu lẻ và chẵn được biểu diễn như trong hình 3.4.
Hình 3.4: Kênh con phân tập tần số DL
Kế hoạch sắp xếp lại được sử dụng để nhóm các cụm sao cho mỗi nhóm
được cấu thành từ các cụm được phân bố khắp không gian sóng mang con. Một kênh con trong một nhóm gồm hai cụm và được cấu thành từ 48 sóng mang con dữ
liệu, 8 sóng mang con hoa tiêu. Các sóng mang con dữ liệu trong mỗi nhóm được hoán vị để tạo ra các kênh con trong nhóm. Vì vậy, chỉ các vị trí hoa tiêu trong cụm được biểu trong hình 30. Các sóng mang con dữ liệu trong cụm được phân bố
cho nhiều kênh con.
Tương tự với cấu trúc cụm DL, một cấu trúc tile được định nghĩa cho UL PUSC có dạng như hình 3.5:
Hình 3.5: Cấu trúc tile cho UL PUSC
Không gian sóng mang con khả dụng được chia thành các tile và 6 tile được chọn qua toàn bộ phổ bởi kế hoạch hoán vị/sắp xếp lại, được nhóm lại để hình thành một khe. Khe gồm có 48 sóng mang con dữ liệu và 24 sóng mang con hoa tiêu trong 3 kí hiệu OFDM.
Hoán vị liền kề nhóm một khối các sóng mang con liền kề để hình thành một kênh con. Hoán vị liền kề bao gồm DL AMC và UL AMC, và có cấu trúc tương tự. Một bin gồm 9 sóng mang con liền kề trong một kí hiệu, với 8 gán cho dữ liệu và 1 gán cho hoa tiêu. Một khe trong AMC được định nghĩa như một tập hợp các bin của kiểu (NxM=6), trong đó N là số bin liền kề và M là số kí hiệu liền kề. Vì vậy