Khuôn dạng PDU TC cho phép đồng bộ hoá MAC PDU tiếp sau trong trƣờng hợp khối FEC trƣớc đó có những lỗi không thể phục hồi đƣợc. Không có lớp TC, một SS hay BS nhận sẽ mất toàn bộ phần còn lại của một cụm khi có một lỗi không thể sửa chữa xuất hiện.
Preamble Khối PDU đầu tiên
khởi đầu trong TC hiện tại
Khối PDU thứ 2
khởi đầu trong TC hiện tại Khối PDU khởi
đầu trong TC ngay trƣớc
CHƢƠNG 3
NGHIÊN CỨU CÁC VẤN ĐỀ KỸ THUẬT MẠNG TRUY NHẬP BĂNG RỘNG KHÔNG DÂY WIMAX
Trong mạng truy nhập băng rộng không dây WiMax có rất nhiều vấn đề kỹ thuật cần phải nghiên cứu, tìm hiểu để lựa chọn được phương án kỹ thuật tối ưu với chi phí triển khai mạng kinh tế và hiệu quả. Trong phạm vi của luận văn này sẽ đề cập tới một số vấn đề chính và có liên hệ với tình hình thực tế tại Việt nam như: băng tần, topo mạng, điều chế, mã hóa, đa truy nhập và song công, trải phổ, mô hình kênh, mô hình suy hao đường truyền, dung lượng, bảo mật, anten. Trong đó sẽ tập trung đi sâu vào mô hình suy hao đường truyền WiMax.
3.1. CÁC BĂNG TẦN CHO WIMAX [34, 38, 39]
Bảng 3.1 trình bày các dải tần số có thể sử dụng trong WiMax.
Tên dải tần Dải tần số Độ rộng dải tần Loại
Dƣới 1 GHz 698MHz - 806MHz 108 MHz Cấp phép 2,3 GHz 2,300 - 2,400 GHz 100 MHz Cấp phép 2,5 GHz 2,495 - 2,690 GHz 195 MHz Cấp phép 3,3 GHz 3,300 - 3,400 GHz 100 MHz Cấp phép 3,5 GHz FBWA 3,410 - 3,600 GHz 190 MHz Cấp phép 3,7GHz 3,600 - 3,800 GHz 200 MHz Cấp phép 5 GHz RLAN 5,470 - 5,725 GHz 255 MHz Không cấp phép 5,8 GHz 5,725 - 5,850 GHz 125 MHz Không cấp phép 10,5 GHz FBWA 10,150 - 10, 300 GHz 10,500 - 10.650 GHz 2x150 MHz Cấp phép 26 GHz FBWA 24,577 - 25,417 GHz 25,585 - 26,425 GHz 2x280 MHz Cấp phép
3.1.1. Băng tần cấp phép
3.1.1.1. Băng dưới 1GHz
Với các tần số càng thấp, sóng vô tuyến truyền lan càng xa, số trạm gốc cần sử dụng càng ít, tức mức đầu tƣ cho hệ thống thấp đi. Vì vậy, WiMax Forum cũng đang xem xét khả năng sử dụng các băng tần dƣới 1GHz, đặc biệt là băng 698MHz - 806MHz. Hiện nay, một số nƣớc đang thực hiện việc chuyển đổi từ truyền hình tƣơng tự sang truyền hình số, nên sẽ giải phóng đƣợc một phần phổ tần sử dụng cho WBA/WiMax.
Với Việt Nam, do đặc điểm có rất nhiều đài truyền hình địa phƣơng nên các kênh trong giải 470-806MHz dành cho truyền hình đƣợc sử dụng dày đặc cho các hệ thống truyền hình tƣơng tự. Hiện chƣa có lộ trình cụ thể nào để chuyển đổi các hệ thống truyền hình tƣơng tự này sang truyền hình số, nên chƣa thấy có khả năng có băng tần để cấp cho WBA/WiMax ở đây.
3.1.1.2. Băng tần 2.3 GHz
Băng 2.3GHz cũng có đặc tính truyền sóng tƣơng tự nhƣ băng 2.5GHz nên là băng tần đƣợc WiMax Forum xem xét cho WiMax di động. Hiện có một số nƣớc phân bổ băng tần này cho WBA nhƣ Hàn Quốc (triển khai WiBro), Úc, Mỹ, Canada, Singapore. Singapore đã cho đấu thầu 10 khối 5MHz trong dải 2300- 2350MHz để sử dụng cho WBA với các điều kiện tƣơng tự nhƣ với băng 2.5GHz. Úc chia băng tần này thành các khối 7MHz, không qui định cụ thể về công nghệ hay độ rộng kênh, ƣu tiên cho ứng dụng cố định. Mỹ chia thành 5 khối 10MHz, không qui định cụ thể về độ rộng kênh, cho phép triển khai cả TDD và FDD.
Đối với Việt Nam, đây cũng là một băng tần có khả năng sẽ đƣợc sử dụng để triển khai Mobile WiMax (theo chuẩn 802.16e - 2005)
3.1.1.3. Băng tần 2,5 GHz
Đã đƣợc cấp phát trong phần lớn các nƣớc trên thế giới, bao gồm bắc Mỹ, Mỹ Latin, Đông và Tây Âu và nhiều vùng của châu Á - Thái Bình Dƣơng. Mỗi quốc gia thƣờng cấp phát dải khác nhau, vì vậy phổ đƣợc cấp phát qua các vùng có thể từ
2,495 GHz đến 2,690 GHz. Tổng phổ khả dụng là 195 MHz, bao gồm các dải phòng vệ và các kênh MDS, gữa 2.495 GHz và 2.690 GHz. Hỗ trợ FDD, TDD. Phổ trên mỗi đăng ký là 22.5 MHz, một block 16.5 MHz và một block 6 MHz, tổng số 8 đăng ký.
Băng tần này là băng tần đƣợc WiMax Forum ƣu tiên lựa chọn cho WiMax di động theo chuẩn 802.16-2005. Có hai lý do cho sự lựa chọn này. Thứ nhất, so với các băng trên 3GHz điều kiện truyền sóng của băng tần này thích hợp cho các ứng dụng di động. Thứ hai là khả năng băng tần này sẽ đƣợc nhiều nƣớc cho phép sử dụng WBA bao gồm cả WiMax. WiMax ở băng tần này có độ rộng kênh là 5MHz, chế độ song công TDD, FDD. Vì vậy, hiện đã có một số nƣớc nhƣ Mỹ, Brazil, Mexico, Singapore, Canada, Liên hiệp Anh (UK), Australia cho phép sử dụng một phần băng tần tần này cho WBA. Trung Quốc và Ân Độ cũng đang xem xét.
Với Việt Nam, Quy hoạch phổ vô tuyến điện quốc gia đƣợc Thủ tƣớng Chính phủ phê duyệt cuối năm 2005 đã quy định băng tần 2500-2690 MHz sẽ đƣợc sử dụng cho các hệ thống thông tin di động thế hệ mới, không triển khai thêm các thiết bị khác trong băng tần này. Vì vậy, có thể hiểu công nghệ WiMax di động cũng là một đối tƣợng của quy định này.
3.1.1.4. Băng tần 3.3 GHz
Băng tần này đó đƣợc phân bổ ở Ấn Độ, Trung Quốc và Việt Nam đang xem xét phân bổ chính thức. Do Ấn Độ và Trung Quốc là hai thị trƣờng lớn, nên dù chƣa có nhiều nƣớc cấp băng tần này cho WBA, nhƣng thiết bị WiMAX cũng đã đƣợc sản xuất. Chuẩn WiMax áp dụng ở băng tần này tƣơng tự nhƣ với băng 3.5GHz, đó là WiMax cố định, chế độ song công FDD hoặc TDD, độ rộng kênh 3.5MHz hoặc 7MHz. Do Ấn Độ chỉ cho phép sử dụng đoạn băng tần 3316-3400MHz, nên các thiết bị WiMax hiện tại cũng chỉ làm việc trong đoạn này với tối đa 2x9 kênh 3.5MHz. Vì vậy, nếu cứ 4 nhà khai thác sử dụng băng tần này thì thƣờng mỗi nhà khai thác chỉ đƣợc cấp sử dụng 2x2 kênh 3.5MHz. Trong khi đó, theo ý kiến của các chuyên gia Alvarion, một trong những hãng cung cấp thiết bị WiMax, thì để khai thác hiệu quả, mỗi nhà khai thác nên đƣợc cấp ít nhất 2x3 kênh 3.5MHz.
3.1.1.5. Băng tần 3,5 GHz
Ở châu Âu, Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu đã phân phối dải 3,5 GHz cho các giải pháp WiMAX đăng ký. Tổng phổ khả dụng, thay đổi theo quốc gia nhƣng nói chung khoảng 200MHz giữa 3,4 GHz và 3,8 GHz. Hỗ trợ cả FDD và TDD, một vài quốc gia chỉ sử dụng FDD trong khi các quốc gia khác cho phép sử dụng FDD hoặc TDD. Phổ trên mỗi đăng ký thay đổi từ 25MHz đến 256 MHz.
3.1.1.6. Băng 3,7 GHz
Băng 3600-3800MHz đƣợc một số nƣớc châu Âu xem xét để cấp cho WBA. Tuy nhiên, do một phần băng tần này (từ 3.7-3.8GHz) đang đƣợc nhiều hệ thống vệ tinh viễn thông sử dụng (đƣờng xuống băng C), đặc biệt là ở khu vực châu Á, nên ít khả năng băng tần này sẽ đƣợc chấp nhận cho WiMax ở châu Á.
3.1.1.7. Băng tần 10,5 GHz và 26 GHz
Các dải tần 3,5GHz, 10,5Ghz, 26Ghz đƣợc khuyến cáo dùng cho mạng FBWA ở Châu Âu. Dải tần 3,5Ghz và 10,5Ghz đƣợc dự định sử dụng cho các ứng dụng điểm - đa điểm, trong khi đó dải tần 26Ghz đƣợc triển khai rất tốt cho các liên kết radio cố định điểm - điểm truyền thống.
3.1.2. Băng tần không cấp phép
3.1.2.1. Băng tần 5GHz
Dải tần 5 GHz radio LAN (RLAN) trên thực tế có hai băng tần số: 5,150 - 5,350 GHz và 5,470 - 5,725 GHz. Các dải tần này đƣợc chỉ định dùng cho RLAN, nó đƣợc tổ chức viễn thông thế giới ITU (International Telecommunication Union) giới hạn sử dụng cho các mạng WLAN. Dải tần này không cần cấp phép nhƣng lại chỉ có thể sử dụng cho các thiết bị RLAN. Thực tế chỉ có băng tần 5,470 - 5,725 đƣợc dự định sử dụng cho các ứng dụng ngoài trời thông thƣờng, độ rộng dải tần tối đa có thể sử dụng là 255 MHz. Độ rộng dải tần lớn cho phép chúng ta sử dụng nhiều kênh hoạt động trong cùng một khu vực địa lý, làm gia tăng dung lƣợng tiềm năng của mạng, giảm can nhiễu và làm cho việc thiết kế mạng dễ dàng hơn nhiều.
3.1.2.2. Băng tần 5.8 GHz
Băng tần này đƣợc WiMax Forum quan tâm vì đây là băng tần đƣợc nhiều nƣớc cho phép sử dụng không cần cấp phép và với công suất cao hơn so với các đoạn băng tần khác trong dải 5GHz (5125-5250MHz, 5250-5350MHz), vốn thƣờng đƣợc sử dụng cho các ứng dụng trong nhà. Theo WiMax Forum thì băng tần này thích hợp để triển khai WiMax cố định, độ rộng phân kênh là 10MHz, phƣơng thức song công đƣợc sử dụng là TDD, không có FDD.
3.1.3. Lựa chọn băng tần WiMax tại Việt Nam [22, 25, 26]
Khi thiết kế một mạng truy nhập băng rộng không dây ta phải lựa chọn băng tần hoạt động cho mạng trong số các băng tần đƣợc phép sử dụng. Các tiêu chí để lựa chọn băng tần hoạt động bao gồm:
Dải tần cấp phép
Dung lƣợng tập trung phụ thuộc vào vùng dịch vụ
Mật độ thuê bao trong vùng dịch vụ, địa hình của vùng dịch vụ Mức độ nhiễu trong các băng tần không cần cấp phép
Vấn đề suy hao đƣờng truyền vô tuyến trong băng tần đó. Giá thành thiết bị hoạt động trong băng tần đó
Lựa chọn sử dụng băng tần cấp phép hay không cấp phép đòi hỏi phải có một sự tính toán rất kỹ lƣỡng. Trong mỗi khu vực địa lý mỗi nhà cung cấp dịch vụ đƣợc cấp phép duy nhất quyền sử dụng một số dải tần trong các băng tần này, do đó các băng tần đƣợc cấp phép có khả năng bảo vệ hệ thống WiMax khỏi sự can nhiễu các hệ thống khác. Trong các băng tần không cấp phép mức can nhiễu là không thể dự đoán cũng nhƣ kiểm soát đƣợc. Vùng phủ sóng và mức năng lƣợng phát xạ của mỗi BS đƣợc kiểm soát, tính toán chặt chẽ, chính xác. Hình 3.1 là sự lựa chọn băng tần triển khai WiMax ở một số khu vực trên thế giới.
Tại Việt nam, băng tần 3.3GHz được lựa chọn cho hệ thống Fixed WiMax (theo chuẩn IEEE 802.16d - 2004) và băng tần 2,3 GHz (hoặc 2,5 GHz) được lựa chọn cho hệ thống Mobile WiMax (theo chuẩn 802.16e - 2005). Sự lựa chọn trên dựa theo các tiêu chí:
Đây là băng tần cấp phép nên có thể kiểm soát can nhiễu.
Trong bảng trên ta thấy đây là băng tần cho phép năng lƣợng truyền lớn. Những tần số thuộc băng tần này bé nên có thể thoả mãn yêu cầu NLOS. Tốc độ dữ liệu cao khoảng 15Mbps cho mỗi sector.
3.2. TOPO MẠNG WIMAX [24]
3.2.1. Phân loại topo mạng: Topo mạng WiMax có thể chia làm 3 loại chính:
- Điểm - điểm PTP (Point -To - Point): Chứa một hoặc nhiều liên kết điểm - điểm sử dụng anten có hƣớng tính cao tại cả hai đầu cuối của mỗi liến kết
- Điểm - đa điểm PMP (Point-to-MultiPoint): Chứa một số các trạm phát sóng gốc BTS, trong đó mỗi trạm kết nối tới nhiều thiết bị đầu cuối phía ngƣời dùng.
- Mạng lƣới (Mesh): Mỗi thiết bị đầu cuối hoạt động nhƣ các bộ định tuyến (router) cho các lƣu lƣợng khác nhau. Mạng Mesh cung cấp một cách để mở rộng vùng phục vụ của một mạng truy nhập không dây, khi mỗi thuê bao lại có thể coi nhƣ một trạm phát gốc phục vụ cho các thuê bao ở gần nó. Tuy nhiên, tại cùng một thời điểm dung lƣợng của một số liên kết có thể bị méo (strained). Thiết bị đầu cuối phía ngƣời dùng cũng phức tạp hơn, bởi vì nó cần phải có chức năng định tuyến.
Trên thực tế mạng WiMax thƣờng sử dụng phối hợp nhiều loại topo mạng khác nhau. Ví dụ nhƣ, thƣờng sử dụng liên kết PTP nhƣ là một đƣờng trục cho nhiều trạm gốc PMP. Có thể kết hợp nhiều công nghệ vô tuyến khác nhau trong một mạng. Trong chuẩn IEEE 802.16, đặc tả cả hai loại topo mạng Mesh và PMP. Trên thực tế, hầu hết các hệ thống trên thị trƣờng là hệ thống PMP. Một số hệ thống dựa trên topo dạng Mesh cũng đƣợc giới thiệu, tuy nhiên hệ thống PMP sẽ chiếm ƣu thế vƣợt trội trong tƣơng lai gần. Do đó, trong phạm vi của luận văn này chỉ nghiên cứu hệ thống PMP.
3.2.2. Cấu trúc mạng Điểm - Đa điểm (PMP) [24]
Mạng điểm - đa điểm FBWA về cơ bản là một mạng đƣợc khu vực hoá bao gồm hai thành phần chính: Một trạm gốc (Base Station - BS) và thiết bị giao tiếp đầu cuối khách hàng (Customer Premises Equipment - CPE) nhƣ hình vẽ 3.2.
Hình 3.2: Ví dụ về kiến trúc của một mạng Fixed WiMax
Trạm gốc BS bao gồm một hoặc nhiều thiết bị thu phát vô tuyến, mỗi thiết bị chịu trách nhiệm kết nối với nhiều CPE trong khu vực phủ sóng. Các modem không dây (Radio modems) kết nối tới một bộ đa công (Multiplexer), tƣơng tự nhƣ một khoá chuyển đổi, nó tập hợp lƣu lƣợng từ các sector khác nhau và gửi chuyển (forward) chúng tới một bộ định tuyến (Router) cung cấp kết nối tới giao thức (IP) của nhà cung cấp dịch vụ mạng.
Thiết bị giao tiếp đầu cuối khách hàng CPE bao gồm 3 thành phần chính: một modem, một radio, và một anten. Modem cung cấp một giao diện giữa mạng của khách hàng với mạng FBWA của nhà cung cấp dich vụ. Radio cung cấp một giao diện giữa modem với anten. Ba thành phần có thể là riêng biệt hoặc tích hợp một phần hay hoàn toàn lên một hay hai phần nhỏ của thiết bị.
3.2.3. Tầm nhìn thẳng trong mạng điểm - đa điểm (PMP) [23, 36]
Chất lƣợng phục vụ của mạng truy nhập băng rộng không dây cố định (FBWA) phụ thuộc nhiều vào vị trí của CPE đến BS của hệ thống. Nếu từ CPE đến BS có vật cản thì hiệu quả truyền sóng sẽ kém đi rất nhiều.
Hình 3.3: Ví dụ về một mạng PMP có thể triển khai trong thực tế
Vì vậy cho nên mạng FBWA điểm - đa điểm thƣờng đƣợc chia thành hai loại: Hệ thống nằm trong tầm nhìn thẳng (Line-Of-Sight: LOS), và hệ thống không nằm trong tầm nhìn thẳng (Non-Line-Of-Sight: NLOS). Hầu hết mọi sản phẩm của các nhà sản xuất thiết bị WiMax trên thị trƣờng đều có khả năng hỗ trợ NLOS. Trong công nghiệp giới hạn của việc truyền NLOS cũng khác nhau. Sự khác nhau đó đƣợc thể hiện chi tiết trong bảng 3.2.
Loại hệ thống Hệ thống LOS Hệ thống NLOS
LOS Gần LOS NLOS ngoài trời NLOS trong nhà Đƣờng đi của sóng radio Thẳng, không có vật cản trở Thẳng, có vật cản trở, ví dụ nhƣ cây cối... Phản xạ, không có thành phần nhìn thẳng Phản xạ, không có thành phần nhìn thẳng Anten CPE Có hƣớng tính cao, đƣợc đặt ben ngoài các toà nhà Có hƣớng tính cao, đƣợc đặt bên ngoài các toà nhà Có tính định hƣớng, đƣợc đặt bên ngoài các toà nhà Thu đƣợc tất cả các hƣớng, tích hợp với CPE, có thể đặt trong nhà. Bảng 3.2: So sánh hệ thống LOS và NLOS
Các mạng có khả năng NLOS thƣờng vƣợt trội hơn so với các mạng LOS vì vùng phủ sóng của các trạm gốc FBWA là tốt hơn nên có thể có nhiều thuê bao gốc hơn. Việc cung cấp dịch vụ cho các thuê bao FBWA cũng dễ dàng hơn vì mạng có khả năng phủ hết tất cả các điểm trong một vùng nhất định. Trong trƣờng hợp của mạng NLOS trong nhà, CPE rất dễ cài đặt và có thể đƣợc cài đặt bởi ngƣời dùng.
3.3. ĐIỀU CHẾ VÀ MÃ HÓA [14, 15, 24]
Một tín hiệu truyền dẫn có 3 đặc tính cơ bản là tần số, biên độ và pha. Chúng có thể thay đổi riêng rẽ hoặc kết hợp để phù hợp với thông tin cần truyền. Vì vậy các loại điều chế cơ bản có thể đƣợc chia thành ASK, FSK và PSK. Ta có thể thu đƣợc nhiều phƣơng pháp điều chế bằng cách kết hợp các phƣơng pháp điều chế này. Tuy nhiên nhiễu và sự suy hao trên kênh truyền làm cho việc phát hiện symbol nào đƣợc truyền trở nên khó khăn hơn.
Các hệ FBWA sử dụng điều chế đơn sóng mang và điều chế đa sóng mang. Trong điều chế đơn sóng mang, dữ liệu truyền sử dụng một sóng mang đơn đƣợc điều chế dựa vào luồng dữ liệu. Trong điều chế sử dụng đa sóng mang, luồng dữ