Hỡnh 2.1 minh họa mụ hỡnh tham chiếu và phạm vi của chuẩn. Trong mụ hỡnh tham chiếu này, lớp PHY tương ứng với lớp 1 (lớp vật lý) và lớp MAC tương ứng với lớp 2 (lớp liờn kết dữ liệu) trong mụ hỡnh OSI.
Hỡnh 2. . Mụ hỡnh phõn lớp trong hệ thống WiMAX so sỏnh với mụ 1 hỡnh OSI
Trờn hỡnh ta cú thể thấy lớp MAC bao gồm 3 lớp con. Lớp con hội tụ chuyờn biệt dịch vụ cung cấp bất cứ biến đổi hay ỏnh xạ dữ liệu mạng bờn
MAC CS : MAC Convergence Sublayer MAC CPS : MAC Common Sublayer
ngoài, mà nhận được qua điểm truy nhập dịch vụ CS (CS SAP – CS Service Access Point), vào trong cỏc MAC SDU (Service Data Unit) được tiếp nhận bởi lớp con phần chung MAC (CPS) qua SAP MAC. Tức là phõn loại cỏc đơn vị dữ liệu dịch vụ mạng ngoài (cỏc SDU) và kết hợp chỳng với định danh luồng dịch vụ (SFID) MAC và định danh kết nối (CID) riờng. Nú cũng cú thể bao gồm cỏc chức năng như nộn đầu mục tải (PHS). Nhiều đặc tớnh CS được cung cấp cho giao tiếp với cỏc giao thức khỏc nhau. Định dạng bờn trong của payload CS là duy nhất với CS, và MAC CPS khụng được đũi hỏi phải hiểu định dạng hay phõn tớch bất cứ thụng tin nàu từ payload CS. MAC CPS cung cấp chức năng MAC cốt lừi truy nhập hệ thống, định vị dải thụng, thiết lập kết nối, và quản lý kết nối. Nú nhận dữ liệu từ cỏc CS khỏc nhau, qua MAC SAP, mà được phõn loại tới cỏc kết nối MAC riờng. MAC cũng chứa một lớp con bảo mật riờng cung cấp nhận thực, trao đổi khúa bảo mật, và mật húa.
Lớp vật lý là một ỏnh xạ hai chiều giữa cỏc MAC PDU và cỏc khung lớp - vật lý được nhận và được truyền qua mó húa và điều chế cỏc tớn hiệu RF.
2.2.Tổng quan lớp vật lý
• 10-66 GHz .Trong thiết kế của đặc tả PHY cho 10 66 GHz, sự - truyền lan “line of sight” (tầm nhỡn khụng bị vật cản) là cần thiết. Do kiến trỳc “điểm nhiều điểm” về cơ bản BS truyền một tớn hiệu TDM với những trạm thuờ bao riờng lẻ được định vị những khe thời gian theo chu kỳ. Sự truy nhập theo hướng đường lờn cho bởi TDMA. Tiếp theo những thảo luận mở rộng về súng cụng (duplexing), một thiết kế “cụm” (burst) được chọn cho phộp cả TDD tại đú đường lờn và đường xuống dựng chung một kờnh nhưng khụng truyền cựng một lỳc và FDD tại đú đường lờn và đường xuống hoạt động trong những kờnh riờng biệt. Thiết kế “cụm” này cho phộp cả TDD và FDD được xử lý theo cỏch tương tự.
• 2-11 GHz . Cỏc băng tần 2 11 GHz đó cấp phộp và được miễn đều - nằm trong dự ỏn IEEE 802.16a. Chuẩn 802.16a chủ yếu bao gồm sự phỏt triển những đặc tả vật lý mới cho giao diện khụng gian và mỗi đặc tả trong
chỳng đưa ra tớnh hoạt động cựng nhau. Lớp vật lý 2 11 GHz được thiết kế - do nhu cầu theo hướng hoạt động khụng trong tầm nhỡn thẳng NLOS( Non- light- -of sight). Vỡ cỏc ứng dụng mang tớnh dõn cư, cỏc việc truyền súng phải được thực hiện theo nhiều đuờng.
Bảng 2. . Thuật ngữ và mụ tả giao diện khụ1 ng gian
Tờn gọi Băng tần ứng dụng Song cụng Mụ tả
WirelessMAN-SC 10-66 GHz TDD, FDD Đơn súng mang
WirelessMAN-Sca 2-11 GHz băng tần
cấp phộp
TDD, FDD Đơn súng mang được mở rộng tới cỏc tần số NLOS
WirelessMAN-
OFDM 2-11 GHz băng tần cấp phộp TDD, FDD OFDM hoạt động cho NLOS
WirelessMAN- OFDMA
2-11 GHz băng tần cấp phộp
TDD, FDD OFDM được chia thành cỏc nhúm con cung cấp đa truy cập trong một dải tần đơn
WirelessHUMAN 2-11 GHz băng tần
cấp phộp được miễn
TDD Cú thể là SC, OFDM hoặc
OFDMA 2.3. Lớp MAC (Media Access Control)
2.3.1. Lớp con hội tụ chuyờn biệt về dịch vụ MAC CS (Convergence Sublayer)
Chuẩn định nghĩa hai lớp con quy tụ chuyờn biệt về dịch vụ tổng thể để ỏnh xạ cỏc dịch vụ đến và từ những kết nối MAC. Lớp con quy tụ ATM được định nghĩa cho những dịch vụ ATM và lớp con quy tụ gúi được định nghĩa để ỏnh xạ cỏc dịch vụ gúi như IPv4, IPv6, Ethernet và VLAN. Nhiệm vụ chủ yếu của lớp con là phõn loại cỏc SDU (đơn vị dữ liệu dịch vụ) theo kết nối MAC thớch hợp, bảo toàn hay cho phộp QoS và cho phộp định vị dải thụng. Ngoài những chức năng cơ bản này, cỏc lớp con quy tụ cú thể cũng thực hiện nhiều chức năng phức tạp hơn như chặn và xõy dựng lại đầu mục tải tối đa để nõng cao hiệu suất kết nối khụng gian.
2.3.2. Lớp con phần chung MAC CPS (Common Part Sublayer)
Lớp con phần chung MAC (MAC CPS) là trung tõm của chuẩn. Trong lớp con này, cỏc quy tắc cho quản lý kết nối, định vị dải thụng và cơ cấu cho truy nhập hệ thống được định nghĩa. Ngoài ra cỏc chức năng như lập lịch đường lờn, yờu cầu và cấp phỏt dải thụng, và yờu cầu lặp lại tự động (ARQ) cũng được định nghĩa.
2.3.2.1. Cỏc định dạng MAC PDU
Hỡnh 2. 2. Cỏc định dạng MAC PDU
MAC-BS và MAC MS trao đổi cỏc bản tin, và cỏc bản tin này được xem - như cỏc PDU. Định dạng của MAC PDU như hỡnh 2.9. Trờn hỡnh ta cú thể thấy bản tin bao gồm ba phần: header MAC chiều dài cố định là 6 bytes, payload chiều dài thay đổi và CRC. Cỏc MAC PDU cú thể chứa hoặc cỏc bản tin quản lý MAC hoặc dữ liệu lớp con hội tụ MAC SDU. Payload là tựy - chọn, CRC cũng tựy chọn và chỉ được sử dụng nếu MS yờu cầu trong cỏc tham số QoS.
Cú hai loại header MAC: header MAC chung (GMH) và header MAC yờu cầu dải thụng (BR). GMH được sử dụng để truyền dữ liệu hoặc cỏc bản tin quản lý MAC. Header BR được sử dụng bởi MS để yờu cầu nhiều dải thụng hơn trờn UL. Header MAC và cỏc bản tin quản lý MAC khụng được mật húa.
* Cỏc loại MAC PDU bao gồm:-
- MAC PDU dữ liệu: payload là cỏc MAC SDU, cỏc segment.
- MAC PDU quản lý: payload là cỏc bản tin quản lý MAC hoặc cỏc gúi IP được gúi gọn trong cỏc MAC CS PDU, được truyền trờn cỏc kết nối quản lý.
- Cỏc MAC PDU yờu cầu dải thụng: HT =1; và khụng cú payload, chỉ cú header.
ARQ sẽ khụng được sử dụng với đặc tả PHY WirelessMAN-SC. C ơ cấu ARQ là một phần của MAC, mà là tựy chọn bổ sung. Khi được bổ sung, ARQ cú thể được phộp trờn cơ sở mỗi kết nối. Mỗi kết nối ARQ sẽ được chỉ rừ và được dàn xếp trong thời gian tạo kết nối. Một kết nối khụng thể cú sự kết hợp cả lư ượng ARQ và khụng ARQ. Chỉ hiệu quả với cỏc ứng dụng khụng thời u l gian thực.
2.3.2.3. Truy nhập kờnh và QoS
IEEE 802.16 cú thể ỗ h trợ nhi u d ch v ề ị ụ thụng tin (dữ ệ li u, tho i, video) ạ với cỏc yờu cầu QoS khỏc nhau. Cơ cấu nguyờn lý để cung cấp QoS là phải kết hợp cỏc gúi qua giao diện MAC vào một luồng dịch vụ được nhận biết bởi CID. Một luồng dịch vụ là một luồng vụ hướng mà được cung cấp một QoS riờng biệt. MS và BS cung cấp QoS này theo tập tham số QoS được định nghĩa cho luồng dịch vụ. Mục đớch chớnh của cỏc đặc tớnh QoS được định nghĩa ở đõy là để xỏc định thứ tự và lập lịch truyền ở giao diện khụng gian.
2.3.3. Lớp con bảo mật
Toàn bộ bảo mật của 802.16 dựa vào lớp con bảo mật. Lớp con bảo mật là lớp con giữa MAC CPS và lớp vật lý. Mục tiờu của nú là để cung cấp điều khiển truy nhập, bảo mật liờn kết dữ liệu, chịu trỏch nhiệm mật húa, giải mó dữ liệu vào/ra ở lớp vật lý (PHY). Đồng thời sử dụng cho cấp phộp và trao đổi khúa bảo mật, ngăn chặn đỏnh cắp dịch vụ.
Bảo mật của 802.16 gồm cỏc thành phần sau: cỏc liờn kết bảo mật (SA), chứng nhận X.509, giao thức cấp phộp quản lý khúa riờng tư (authorization PKM), quản lý khúa và riờng tư (PKM), mật húa dữ liệu. Chương 3 sẽ nghiờn cứu sõu hơn về vấn đề bảo mật trong WiMax.
2.3.4. Lớp con hội tụ truyền TC
Giữa PHY và MAC là một lớp con hội tụ truyền dẫn TC. Lớp này thực hiện sự biến đổi cỏc MAC PDU độ dài cú thể thay đổi vào trong cỏc khối FEC độ dài cố định (cộng thờm cú thể là một khối được rỳt ngắn vào đoạn cuối) của mỗi cụm. Lớp TC cú một PDU cú kớch thước khớp với khối FEC hiện thời bị
đầy. Nú bắt đầu với 1 con trỏ chỉ ra vị trớ đầu mục MAC PDU tiếp theo bắt đầu bờn trong khối FEC.
Hỡnh 2. 3. Định dạng TC PDU
Khuụn dạng PDU TC cho phộp đồng bộ hoỏ MAC PDU tiếp sau trong trường hợp khối FEC trước đú cú những lỗi khụng thể phục hồi được. Khụng cú lớp TC, một SS hay BS nhận sẽ mất toàn bộ phần cũn lại của một cụm khi cú một lỗi khụng thể sửa chữa xuất hiện.
Preamble Khối PDU đầu tiờn khởi
đ
Khối PDU thứ 2
khởi đầu trong TC hiện tại Khối PDU khởi
đầu trong TC ngay trước
PDU của lớp con TC P = con trỏ 1 byte
Chương 3. Hệ thống WiMAX di động Phõn tớch và đỏnh giỏ
3.1. Mở đầu
Một hệ thống được thiết kế và triển khai cần phải tớnh toỏn đến rất nhiều yếu tố, cỏc vấn đề tưởng như là riờng rẽ nhưng thực chất lại cú mối liờn quan với nhau. Vớ dụ như việc lựa chọn vị trớ đặt thiết bị phỏt súng sẽ liờn quan tới cỏc yếu tố như: chi phớ, cụng suất cần thiết của hệ thống, tầm phủ súng, lưu lượng chịu ảnh hưởng của việc chọn thiết bị phỏt súng và tần số hoạt động. Do đú, ta cú thể hỡnh dung được một phần nào sự phức tạp khi thiết kế một hệ thống lớn. Trong luận văn này chỉ đề cập sõu vào việc trỡnh bày cỏch thức tớnh toỏn cỏc tham số phục vụ cho việc thiết kế một mạng WiMAX di động.
Khi thiết kế hệ thống thỡ cỏc tổng hợp đuợc càng nhiều thụng số càng tốt. Và đầu tiờn cần phải biết hệ thống được triển khai ở đõu, phủ súng cho khu vực nào và cụng suất cần thiết là bao nhiờu. Ngoài ra, cỏc bản thiết kế, sơ đồ, tài liệu liờn quan tới cấu trỳc hiện tại của toà nhà, …sẽ cú hữu ớch trong việc ước lượng được lưu lượng và vựng phủ súng.
Trong một vựng phủ súng, cú rất nhiều trạm phỏt súng được đặt ở cỏc vị trớ khỏc nhau, do đú cần phải lựa chọn vị trớ nào tập trung cỏc trạm phỏt súng để đạt được kết quả tốt nhất theo một quan điểm thiết kế RF. Do đú, người thiết kế cũgn phải tỡm hiểu cỏc đặc tớnh hoạt động của thiết bị.
Để lập sơ đồ thiết kế cho một hệ thống, người thiết kế cần phải tỡm ra cõu trả lời những vấn đề sau:
• Độ dự trữ suy hao cần thiết của hệ thống là bao nhiờu? • Mức độ suy hao hệ thống cần khắc phục được là bao nhiờu?
• Thiết bị của người sử dụng được gắn ở bờn ngoài cú ănten cú độ tăng ớch cao hay khụng?
Bởi vỡ khi truyền súng vụ tuyến xảy ra hiệu ứng đa đường, tớn hiệu bị phản xạ hay cũn gọi là Phadinh. Thụng thường, độ dự trữ phadinh cho một hệ thống từ 8 –10 dB. Nếu tại phớa thu, thiết bị được đặt trong toà nhà (Indoor) thỡ bản thõn toà nhà đú là nguyờn nhõn gõy suy hao đường truyền. Một số suy hao tương ứng: từ 5 7 dB đối với vật liệu là gỗ, cho tới 25dB nếu toà nhà đú được thiết kế với - vật liệu là kim loại và kớnh.
Nếu thiết bị của người sử dụng cú ănten cú độ tăng ớch và định hướng tốt, nú cú thể khắc phục một phần suy hao đường truyền và tăng độ nhạy thu cho thiết bị.
Khi một vị trớ được xỏc định, mụ hỡnh truyền súng sẽ được lựa chọn dựa trờn cỏc tiờu chớ về kinh độ, vĩ độ, độ cao. Điều này sẽ giỳp người thiết kế một giải phỏp ước lượng trước phạm vi phủ súng tại mỗi vị trớ và nhanh chúng xỏc định phương ỏn nào phự hợp.
Trước khi đi vào phõn tớch cỏc tham số liờn quan đến thiết kế đối với một mạng WiMAX di động trờn cơ sở tiờu chuẩn 802.16e cần nhắc lại một số khỏi niệm liờn quan đến WiMAX di động.
3.2. Mụ tả lớp vật lý PHY của WiMAX di động
3.2.1 Khỏi niệm OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) Trước hết ta tỡm hiểu khỏi niệm về OFDM.
Ghộp kờnh phõn chia theo tần số trực giao OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương phỏp điều chế đa súng , trong đú cỏc súng mang con trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tớn hiệu của cỏc súng mang con cho phộp chồng lấn lờn nhau và phớa thu cú thể khụi phục lại được tớn hiệu ban đầu. Sự chồng lấn tớn hiệu làm cho hệ thống OFDM cú hiệu suất sử dụng phổ tớn hiệu lớn hơn nhiều so với cỏc kỹ thuật điều chế thụng thường.
OFDM là một cụng nghệ điều chế và mó hoỏ số, đó được sử dụng thành cụng trong ứng dụng hữu tuyến cũng như modem DSL và modem cỏp. Cỏc sản phẩm của cỏc cụng ty thành viờn WiMAX Forum đang sử dụng cỏc hệ thống 802.16 dựa trờn OFDM để vượt qua những thỏch thức của việc truyền súng NLOS.
OFDM đạt đến tốc độ và hiệu quả dữ liệu cao nhờ sử dụng nhõn chồng cỏc tớn hiệu súng mang thay cho chỉ một tớn hiệu. Ưu điểm quan trọng của OFDM là khả năng mang lại hiệu suất băng thụng cao hơn và do đú lưu lượng dữ liệu sẽ cao hơn thậm chớ phải đối mặt thỏch thức với kịch bản triển khai chẳng hạn như cỏc kết nối NLOS phải chịu suy hao đỏng kể do điều kiện đa đường.
3.2.1.1 Nguyờn lý cơ bản của OFDM
OFDM phõn chia kờnh truyền theo cả miền tần số và miền thời gian
Hỡnh 3. . Phổ tần số của tớn hiệu điều chế OFDM1
Hỡnh 3. . Điều chế OFDM và OFDMA2
• Miền tần số chia thành nhiều băng con
- Mỗi một ụ (Thời gian Tần số) được bố trớ một súng mang. Mỗi khe thời - gian chứa N súng mang gọi là một ký hiệu OFDM (OFDM symbol). Trong mỗi khoảng thời gian đú cỏc súng mang được điều chế với vài bit dữ liệu, số bit truyền trờn mỗi súng mang tuỳ thuộc vào cỏc loại điều chế như BPSK là 1 bit, QPSK là 2 bit, 8 PSK là 3 bit, 16 – PSK là 4 bit….v.v. Mỗi một symbol OFDM - chứa N súng mang, tập hợp một số lượng nhất định symbol OFDM tạo thành một khung truyền dẫn.
Trong OFDM, phổ của tớn hiệu do cỏc súng mang trực giao nhau nờn khi ghộp với nhau, phổ của chỳng cú thể chồng lờn nhau mà khụng ảnh hưởng lẫn nhau.
Hỡnh 3. . Phổ của điều chế OFDM3
Trong FDM, cỏc tần số khụng cú quan hệ này nờn để trỏnh nhiễu giữa cỏc tần số kề nhau thỡ phổ của cỏc kờnh khụng được chồng lờn nhau.
Hỡnh 3. . Phổ của diều chế FDM4
Vỡ vậy, độ rộng băng tần của FDM lớn hơn OFDM, với mỗi súng mang tồn tại thời gian Ts, phổ của nú là hàm Sin cú độ rộng là 2/Ts. Giả sử cú 5 súng mang ứng với 5 tần số khỏc nhau, dựng kỹ thuật FDM thỡ độ rộng băng tần yờu cầu là : B(fdm) = 5 * 2/Ts = 10/Ts; dựng kỹ thuật OFDM thỡ băng tần yờu cầu chỉ cũn là : B(ofdm) = 5 * 1/Ts = 5/Ts. Như vậy, đối với OFDM thỡ hiệu suất sử dụng phổ cao hơn so với FDM.
Hỡnh 3. . Độ rộng băng tần của OFDM khi cú 5 súng mang5 3.2.1.2 Hệ thống thụng tin dựng OFDM
Trước tiờn, phớa mỏy phỏt dữ liệu vào nối tiếp được nhúm thành từng tổ hợp M bớt, sau đú chuyển thành dữ liệu song song. Mỗi tổ hợp phự hợp với kiểu điều chế số M PSK được sử dụng trờn mỗi súng mang. IFFT chuyển đổI từng ký hiệu - OFDM miền thời gian. Khoảng an toàn được chốn vào giữa cỏc ký hiệu OFDM để trỏnh nhiễu xuyờn ký hiệu ISI ( Inter-symbol –Interference) gõy ra bởi mộo đa đường. Cuối cựng, cỏc ký hiệu rời rạc được chuyển đổi thành tương tự, được lọc