3.7.1. Cỏc ứng dụng của WiMAX di động
WiMAX tớch hợp hoàn toàn vào cỏc mạng cố định và di động đang tồn tại, bố sung chỳng khi cần thiết. Một số ứng dụng WiMAXthường gặp như:
✓Truy nhập băng rộng last mile cố định như một sự thay thế cho DSL cú - dõy, cable, hoặc cỏc kết nối T1.
✓Backhaul chi phớ rẻ cho cỏc vị trớ cell và cỏc hotspot WiFi ✓Khả năng kết nối tốc độ cao cho cỏc doanh nghiệp.
✓VoIP, IPTV, VoD, ...
Mụ hỡnh ứng dụng WiMax bao gồm 2 loại chớnh: Wimax cố định (Fixed Wimax) và Wimax di động (Mobile Wimax)
a. Mụ hỡnh ứng dụng cố định (Fixed WiMAX)
-2004. Mụ hỡnh cố định sử dụng cỏc thiết bị theo tiờu chuẩn IEEE 802.16
Tiờu chuẩn này gọi là “khụng dõy cố định” vỡ thiết bị thụng tin làm việc với cỏc anten đặt cố định tại nhà cỏc thuờ bao. Anten đặt trờn núc nhà hoặc trờn cột thỏp tương tự như chảo thụng tin vệ tinh.
Tiờu chuẩn IEEE 802.16 2004 cũng cho phộp đặt anten trong nhà nhưng - khả năng thu súng khụng được tốt bằng anten ngoài trời. Băng tần cụng tỏc (theo quy định và phõn bổ của quốc gia) trong băng 2,3/2,5 GHz hoặc 3,3/3,5 GHz.
Trong mạng cố định, WiMAX thực hiện cỏch tiếp nối khụng dõy đến cỏc modem cỏp, đến cỏc đụi dõy thuờ bao của mạng xDSL hoặc mạch Tx/Ex (truyền phỏt/chuyển mạch) và mạch OC x (truyền tải qua súng quang). WiMAX cố định - cú thể phục vụ cho cỏc loại người dựng như: cỏc xớ nghiệp, cỏc khu dõn cư nhỏ lẻ, mạng cỏp truy nhập WLAN cụng cộng nối tới mạng đụ thị, cỏc trạm gốc BS của mạng thụng tin di động và cỏc mạch điều khiển trạm BS.
Hỡnh 3. . Mụ hỡnh ứng dụng WiMax cố định26 b. Mụ hỡnh ứng dụng WiMax di động (Mobile WiMax)
Mụ hỡnh WiMAX di động sử dụng cỏc thiết bị phự hợp với tiờu chuẩn 802.16e bổ sung cho tiờu chuẩn IEEE 802.16 2004 hướng tới cỏc user cỏ nhõn - di động, làm việc trong băng tần thấp hơn 6 GHz. Mạng lưới này phối hợp cựng WLAN, mạng di động cellular 3G cú thể tạo thành mạng di động cú vựng phủ súng rộng. Xu hướng cụng nghệ Mobile Wimax sẽ trở thành phổ biến trờn toàn bộ cỏc thiết bị: mỏy tớnh, điện thoại di động, PDA,...vào những năm tiếp theo.
Hỡnh 3. . Mụ hỡnh ứng dụng WiMax di dộng27 c. CPE Wimax
CPE WiMAX, trong hầu hết cỏc trường hợp, một đầu cuối “plug and play” đơn giản, tương tự với modem DSL, cung cấp khả năng kết nối như hỡnh 3.29 và 3.30. Đối với những khỏch hàng được đặt ở vị trớ vài km từ trạm gốc WiMAX, một anten bờn ngoài tự cài đặt cú thể được yờu cầu để cải thiện chất lượng truyền dẫn. Để phục vụ cỏc khỏch hàng ở biệt lập, một anten chỉ dẫn trỏ đến trạm gốc WiMAX cú thể được yờu cầu. Với cỏc khỏch hàng yờu cầu thoại thờm vào cỏc dịch vụ băng rộng, CPE cụ thể sẽ cho phộp kết nối bỡnh thường hoặc cỏc cuộc gọi điện thoại VoIP. Cuối cựng thỡ chip WiMAX sẽ được nhỳng trong cỏc thiết bị trung tõm dữ liệu.
Hỡnh 3. . Tiến trỡnh cỏc sản phẩm CPE WiMAX28
Hỡnh 3. . CPE WiMAX cho truy nhập cố định, card WiMAX PC29
Hỡnh 3. . Ứng dụng CPE WiMAX trong hệ thống 802.1630 3.7.2. Vấn đề phổ của WiMAX di động
Để đạt được những ưu điểm hỗ trợ trong hệ thống WiMAX, cỏc chỉ định phổ khối lớn được quan tõm nhất. Điều này cho phộp cỏc hệ thống được triển khai theo kiểu TDD với dải thụng kờnh lớn, sử dụng lại tần số linh hoạt và hạn chế sự kộm hiệu quả của phổ tần cho cỏc bank bảo vệ để dễ dàng cho sự cựng tồn tại
với cỏc operator lõn cận. Một hoạt động quan trọng khỏc của diễn đàn WiMAX là đang cộng tỏc với cỏc tổ chức tiờu chuẩn toàn cầu để phõn cấp phổ của dải tần số thấp (<6GHz) là trung lập về ứng dụng và cụng nghệ. Hơn nữa, sự thỳc đẩy chớnh để tạo sự hoà hợp tốt hơn cho sự phõn cấp phổ như tối thiểu số lượng thiết bị cần thay đổi khi bao phủ hệ thống toàn cầu.
3.7.3. Cỏc lộ trỡnh cho sản phẩm WiMAX
Phũng thớ nghiệm hệ thống WiMAX được thành lập là Cetecom Labs tại Malaga, Tõy Ban Nha thỏng 7 năm 2005 và cỏc sản phẩm theo tiờu chuẩn WiMAX đối với cỏc dịch vụ cố định là sẵn cú và đang được triển khai trờn băng tần cấp phộp 3.5GHz và băng tần 5.8GHz. Phũng thớ nghiệm thứ hai là TTA được thành lập ở Hàn Quốc. Cả hai phũng thớ nghiệm này sẽ sẵn sàng hoạt động cho chứng chỉ WiMAX di động phiờn bản 1 vào quý 3 năm 2006, do vậy vào cuối năm 2006 sẽ cho phộp triển khai cỏc sản phẩm WiMAX di động đó được chứng nhận.
Diễn đàn WiMAX thường xuyờn xem xột cỏc bổ sung đặc tớnh WiMAX di động dựa trờn cơ hội của thị trường. Việc này sẽ xỏc định cỏc dải băng tần thay thế, băng tần kờnh và cú thể bao gồm sự thay đổi FDD song cụng hoặc bỏn song cụng tuõn theo sự cần thiết của vựng thị trường được lựa chọn. Hỡnh 3.28 cung cấp một cỏch tiếp cận về cỏc sản phẩm liờn quan của WiMAX.
Hỡnh 3. . Lộ trỡnh cụng nghệ WiMAX31 802.16 –2004. Cỏc ứng dụng cố định. Súng mang đơn 10- 66GHz, LOS, được cấp phộp và khụng được cấp phộp
Cỏc bỏo cỏo sơ lược về WiMAX và
kiểm tra chứng nhận OFDM 3.5GHz, 5.8GHz
Triển khai theo WiMAX 802.16 – 2004 cố định cho cỏc dịch vụ di chuyển và khụng dõy băng rộng 802.16 e Cỏc ứng dụng cố định và di động. <6GHz, NLOS, được cấp phộp
Cỏc bỏo cỏo sơ lược về WiMAX và
kiểm tra chứng nhận OFDM 2.3GHz, 2.5GHz, 3.5GHz,
Triển khai theo WiMAX 802.16 e di động cho cỏc dịch vụ di động Mụ tả sơ lược phiờn bản Mụ tả sơ lược cỏc WiMAXdi động, cỏc băng tần, cỏc kờnh 2004 2005 2006 2007 2008
3.8. Cỏc tớnh toỏn cho quỏ trỡnh thiết kế WiMAX 3.8.1. Tốc độ downlink và uplink cực đại theo lý thuyết 3.8.1. Tốc độ downlink và uplink cực đại theo lý thuyết
Trong WiMAX người ta sử dụng kỹ thuật điều chế tớn hiệu OFDM để phõn chia dải tần thành cỏc băng con cú độ rộng bằng nhau.
Số băng con 128 256 512 1024 2048
Độ rộng dải tần 1.25MHz 2.5MHz 5MHz 10MHz 20MHz
Như vậy, dải tần mỗi kờnh là bao nhiờu thỡ độ rộng mỗi băng con khụng đổi. Để tớnh toỏn được tốc độ đường uplink và downlink cực đại của WiMAX di động trong một sector ta sử dụng cụng thức sau:
Throughput/sector = Nf *Ns * Nsub * MCS (3.1)
Trong đú :
• Nf - Số khung (Frame) được truyền trong 1s ( 200 Frames/s)
• Ns - Số symbol được chỉ định cho khung con UL và DL
• Nsub - Số súng mang con được sử dụng cho truyền dữ liệu
• MCS( sơ đồ điều chế và mó hoỏ) Tỷ lệ điều chế và mó hoỏ trờn một súng - mang con
Vớ dụ: Một hệ thống WiMAX di động dựa trờn cụng nghệ IEEE 802.16e OFDMA/TDD, trong trường hợp tỷ lệ UL/DL = 27/15 với dải tần 8.75 MHz (tổng số 1024 súng mang con) và sử dụng kỹ thuật hoỏn vị súng mang con PUSC, kỹ thuật điều chế 64QAM với tỷ lệ mó hoỏ là 5/6, số súng mang con sử dụng cho truyền dữ liệu với đường uplink là 720 và đường downlink là 560. Tốc độ đường lờn uplink và đường xuống downlink được tớnh như sau:
Tốc độ đường xuống tối đa/ sector = 64QAM (6bit/symbol) * 5/6 (tỷ lệ mó hoó) * 720 súng mang con dữ liệu * 24 symbol (3 symbol cho phần mào đầu)/frame * 200 Frames/s
= 17.28Mbps
Tốc độ đường lờn tối đa/sector = 64QAM (6bit/symbol) * 5/6 (tỷ lệ mó hoó) * 560 súng mang con dữ liệu * 12 symbol (3 symbol cho phần mào đầu)/frame * 200 Frames/s
3.8.2. Bỏn kớnh vựng phủ súng và cỏc thụng số khỏc
Một vựng địa lý mà một trạm gốc BS cú thể phủ súng bởi tần số vụ tuyến của trạm cú thể dược tớnh toỏn như dưới đõy, trong khi vẫn duy trỡ được chất lượng của dịch vụ cho cỏc thuờ bao nằm trong giới hạn của vựng phủ súng. Vựng phủ súng của cell thường được xỏc định thụng qua bỏn kớnh cell, bỏn kớnh này được xỏc định nhanh chúng thụng qua cỏc đẳng thức mụ hỡnh truyền súng. Trong cell vĩ mụ vựng đụ thị, bỏn kớnh xell được tớnh từ mụ hỡnh súng Hata COST 231.
log D = h h h f h b m b c m CF MAPL log 55 . 6 9 . 44 7 . 0 log 82 . 13 log ) 1 . 1 46 . 35 ( 5 . 45 (3.2) Trong đú :
• MAPL – suy hao đường truyền lớn nhất cho phộp
• hb - chiều cao tỏc động của anten trạm phỏt súng BTS (m)
• fc - tần số trung tõm (MHz)
• hm - chiều cao tỏc động của anten trạm di động MS (m)
• CF - hệ số sửa lỗi
MAPL là suy hao đường truyền lớn nhất cho phộp được sử dụng để quyết định vựng phủ súng của cell thụng qua giỏ trị suy hao trong khụng gian trừ phần dữ trữ và cỏc suy hao khỏc. Do đú, vựng phủ theo MAPL cú thể bị thay đổi theo mụi trường.
MAPL = Lo - Dự trữ và suy hao khỏc (3.3) Trong đú:
• Lo - Suy hao trong khụng gian
• Dự trữ và suy hao khỏc gồm dự trữ Fadinh, suy hao xuyờn
Lo = EIRP + Hiệu suất anten thu Rx Độ nhạy thu (3.4)- Trong đú :
• EIRP – cụng suất bức xạ đẳng hướng tương đương (Equipvalent Isotropic Radiated Power)
Trong đú:
• PTX - cụng suất đầu vào anten [W]
• GTX - hệ số tăng ớch anten phỏt [dBi] = 10log
G [dBi] + 20logf + 20logd + 20.4 [dB] (3.6) Hệ số tăng ớch cho 1m2anten với hiệu suất 100% là :
G1m2 [dB] = 20logf + 21.4 [dB] (3.7) Trong đú:
• d - đường kớnh anten
• - hiệu suất anten
• f - tần số cụng tỏc [GHz]
• 20.4 = 10log[(1*109* )/c]
• c - vận tốc ỏnh sỏng ( 3.108m/s)
Sau đõy, ta xỏc định cỏc tham số đường truyền tuyến lờn Uplink với cỏc giỏ trị đường truyền cần thiết khi tớnh toỏn thiết kế như bảng 3.17 sau đõy:
Bảng 3. . Thụng số tớnh toỏn đường tru16 yền
Trạm di động MS (Handset Indoor) Đơn vị
Cụng suất phỏt trờn một anten 1000 1000 1000 mW
Số anten phỏt Tx 1 1 1
Độ tăng ớch anten phỏt Tx 0 0 0 dBi
EIRP 30 30 30 dBm
Vựng hoỏn vị PUSC PUSC PUSC
Số súng mang con sẵn sàng 840 840 840
Số kờnh con được chỉ định 1 5 7
Số súng mang con bị chiếm dụng 24 120 168
Số súng mang con được chỉ định 16 80 112
Cụng suất trờn một súng mang con bị
chiếm dụng 16.2 9.2 7.7 dBm
T ố BS
Độ tăng ớch anten thu Rx11 11 11 11 dBi
Độ tăng ớch phõn tập anten thu Rx 3 3 3 dB
Dự trữ nhiễu thu ( Rx Noise Figure) 5.3 5.5 5.5 dB
Dự trữ Margin
Log Normal Fade Margin 10 10 10 dB
Interference Margin 0 0 0 dB
Suy hao xuyờn (Penetration Loss) 50 50 50 dB
Tổng dự trữ Margin 60 60 60 dB
Độ nhạy thu di động
Nhiễu nhiệt -174 -
174.00 -174.00 dBm/Hz
Khoảng cỏch súng mang con 2.73 2.73 2.73 kHz
Tỷ lệ điều chế 0.25 3 3 Bits/symbol
SNR yờu cầu (điều kiện thay đổi) -1.6 16 16 dB
Tốc độ dữ liệu 10.9 656.2 918.7 kbps
Tốc độ lưu lượng đường lờn
Độ nhạy thu (trờn một súng mang) -
135.6 -118.1 -118.1 dBm Độ nhạy thu (hỗn hợp) - 121.8 -97.3 -95.9 dBm Độ tăng ớch hệ thống 165.8 141.3 139.9 dB Suy hao lớn nhất 105.8 81.3 79.9 dB Khoảng cỏch – 700 MHz 570 120 100 m
Cỏc thụng số trong bảng trờn được tớnh toỏn như sau:
1. Cụng suất bức xạ đẳng hướng EIRP
EIRP [dBW] = 10 log PTX + GTX [dBi] (3.8) = 10. log1000 + 0
= 30 [dBm]
2. Cụng suất trờn một súng mang con bị chiếm dụng
= EIRP – 10log {số súng mang con bị chiếm dụng} (3.9)
= 30 [dBm] 10log(24) –
= 16.2 [dBm]
3. Tổng dự trữ Margin
Margin = Tổng cỏc dự trữ + Suy hao xuyờn (3.10)
= [10+0+0 ] + 50
= 60 [dB]
4. Nhiễu nhiệt
N [dBm] = 10log( T. W) (3.11)
Trong đú: - hằng số Boltzmann = 1.38.10-23 W/K T -nhiệt độ (Kelvin) T = 290
W – băng thụng truyền theo Hz
Vậy ta cú : N[dBm/Hz] = 10log( T)
= 10 log(1.38.10-23 . 290) = -174 [dBm/Hz]
5. Độ nhạy thu (trờn một súng mang)
Độ nhạy thu(trờn một súng mang) = SNR + Nhiễu + Dự trữ nhiễu – G TX (3.12) Nhiễu = Nhiễu nhiệt + 10 log( Băng thụng trờn 1 súng mang)
-174 + 10 log(2730) =
= - 139.6 [dBm]
Độ nhạy thu trờn một súng mang -1.5 139.6 + 5.5 0 = = – – -135.6 [dBm]
6. Độ nhạy thu hỗn hợp
Độ nhạy thu hỗn hợp = Độ nhạy thu trờn một súng mang + 10log[số súng mang bị chiếm dụng]
- 135.6 + 10log24 = (3.13)
= - 121.8 [dB] 7. Suy hao đường lớn nhất
Suy hao đường truyền lớn nhất = Độ tăng ớch hệ thống Tổng dự trữ - (3.14) = 165.8 60 –
3.8.3. Hiệu suất phổ của trạm gốc BS (Spectrum Effect)
Hiệu suất phổ của một trạm gốc BS theo đường UL và DL được tớnh toỏn như sau: SE = N N s D U Bw Th / (3.15) Trong đú:
- SE - Hiệu suất phổ ( theo đường UL hoặc DL) - Th – Lưu lượng UL hoặc DL
Th = Lưu lượng trung bỡnh / sector - BW – Băng thụng
- NU/D - số symbol dữ liệu trong một khung (Frame) cho đường UL hay DL
- Ns - tổng số symbol trong một khung
Ta xột một hệ thống WiMAX sử dụng kỹ thuật TDD, băng thụng là 8.75MHz, tổng số symbol là 42, trong đú cú 27 symbol đường xuống và 15 symbol đường lờn. Do 1 symbol mào đầu đường xuống và 3 symbol mào đầu đường lờn nờn cũn lại là 26 symbol dữ liệu đường xuống và 12 symbol dữ liệu đường lờn. Bảng 3. . Hiệu suất phổ17 Địa hỡnh Lưu lượng trung bỡnh/ sector
Hiệu suất Lưu lượng trung bỡnh/ sector Hiệu suất Thành phố đụng dõn 5.69Mbps 1.05 1.63 Mbps 0.65 Thành phố 5.83 Mbps 1.08 1.75 Mbps 0.70
Đường xuống : - Th = 5,69 Mbps, Bw = 8,75 MHz, NU/D = 26, Ns = 42 SE(DL) = N N s D U Bw Th / = 42 26 . 75 , 8 69 , 5 = 1.05
3.8.4. Cỏc tớnh toỏn trong kỹ thuật điều chế thớch nghi
Điều chế thớch nghi là kỹ thuật đặc trưng cho chuẩn 802.16a, cho phộp giỏm sỏt dịch vụ một cỏch linh hoạt hơn đối với khỏch hàng bằng cỏch cho phộp BS chỉ định động cỏc sơ đồ điều chế đối với khỏch hàng. Giống như chuẩn 802.16, chuẩn 802.16a cung cấp cỏc kỹ thuật điều chế khỏc nhau : QPSK, 16QAM, 64 QAM. Kỹ thuật điều chế cú bậc càng cao thỡ tốc độ bit đạt được càng cao. Tuy nhiờn, cỏc kỹ thuật điều chế cú bậc cao hơn lại dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu và giao thoa, là cỏc nguyờn nhõn gõy ra tỷ lệ lỗi BER lớn hơn. Sử dụng kỹ thuật điều chế thớch ứng cho phộp một hệ thống khụng dõy điều chỉnh được kỹ thuật điều chế phụ thuộc vào điều kiện của kờnh truyền, vào khoảng cỏch giữa trạm BS và khỏch hàng, vào thời tiết, nhiễu tớn hiệu và cỏc nhõn tố trung gian khỏc. Trong điều kiện kờnh tốt, cỏc kỹ thuật điều chế bậc cao hơn được sử dụng để tăng lưu lượng dữ liệu và hiệu suất phổ.
Khi cỏc điều kiện kờnh vụ tuyến xấu đi, kỹ thuật điều chế bậc thấp hơn nờn được sử dụng để duy trỡ tỷ lệ lỗi bit xỏc định. Sử dụng kỹ thuật điều chế thớch nghi cũng cú thể cung cấp một chuyển đổi của QoS phụ thuộc vào khoảng cỏch từ trạm gốc BS tới trạm di động MS. Khoảng cỏch giữa trạm BS và MS càng lớn thỡ đảm bảo QoS càng thấp. Một BS cú thể lựa chọn kỹ thuật điều chế cao nhất như 64 QAM để tăng lưu lượng của một thuờ bao gần với trạm, trong khi bậc điều chế cú thể giảm tới 16 QAM hay QPSK để phục vụ cỏc thuờ bao ở khoảng cỏch xa hơn. Kỹ thuật điều chế thớch nghi làm tăng tối đa đặc tớnh mạng trong khi vẫn đảm bảo được cỏc kết nối RF tốt trong điều kiện mụi trường khụng dõy thay đổi liờn tục.
Hỡnh 3. . Mó hoỏ và điều chế thớch nghi32
Trong phần này khụng xột tới suy hao thụng thường, chỳng ta sẽ nghiờn cứu điều chế thớch nghi với suy hao đường. Suy hao được biểu diễn bởi một giỏ trị xỏc định là , quỏ trỡnh điều chế hiệu suất cao được sử dụng cho cỏc thuờ bao ở