Đối với TDD, một khung gồm hai phần, một cho đường lên và một cho đường xuống cách nhau bởi khoảng thời gian chuyển đổi Tr. Đối với đường xuống, bao gồm thứ tự các phần: phần preamble và điều khiển, phần dữ liệu của từng thuê bao, các thuê bao được sắp xếp từ cao tới thấp theo độ mạnh điều chế và mã hóa (QPSK →16QAM → 64QAM). Đối với đường lên, bao gồm thứ tự các phần: phần khởi tạo và phần dành để yêu cầu băng thông, cuối cùng là dữ liệu của các thuê bao. Dữ liệu của thuê bao bắt đầu với preamble để đồng bộ.
Đối với FDD, sẽ bao gồm hai loại khung: khung đường lên và khung đường xuống. Mỗi cái đều tương tự TDD, chỉ khác là khung đường lên và đường xuống được truyền ở các kênh riêng.
Đơn vị cơ bản trong điều chế OFDM là các symbol. Mỗi symbol mang bao nhiêu thông tin tùy thuộc vào phương pháp điều chế, mã hóa cũng như số sóng mang được sử dụng.
1.3. MƠ TẢ LỚP MAC 1.3.1. Mơ hình tham chiếu 1.3.1. Mơ hình tham chiếu
Lớp MAC mơ tả trong 802.16 bao gồm ba lớp con (Sublayer): lớp con hội tụ (CS), lớp con MAC (CPS) và lớp con bảo mật (Sercurity Sublayer). Lớp CS cung cấp bất cứ việc chuyển đổi hoặc ánh xạ từ các mạng mở rộng khác như ATM, Ethernet, thông qua một điểm truy nhập dịch vụ SAP. Lớp CS làm nhiệm vụ chuyển đổi các gói tin từ các định dạng của mạng khác thành các gói tin định dạng theo 802.16 và chuyển xuống cho lớp CPS. Tại đây sẽ diễn ra sự phân lớp dịch vụ của các mạng ngoài để ánh xạ vào một dịch vụ thích hợp trong 802.16.
Lớp CPS cung cấp các chức năng chính của lớp MAC như: chức năng truy nhập, phân bố băng thơng, thiết lập, quản lí kết nối. Lớp CPS sẽ nhận dữ liệu từ các CS khác nhau để phân lớp vào một kết nối MAC riêng. Chất lượng dịch vụ cũng sẽ được áp dụng trong việc truyền và sắp xếp dữ liệu.
Lớp con bảo mật cung cấp các cơ chế chứng thực, trao đổi khóa và mã hóa.
Hình 1.7: Lớp MAC trong mơ hình tham chiếu của 802.16
1.3.1.1. Lớp con hội tụ CS
Khái niệm CID
Một kết nối được hiểu là một ánh xạ từ MAC-BS tới MAC-SS với mục đích vận chuyển lưu lượng của một loại dịch vụ. Mỗi kết nối được xác định bởi một CID (Connection Identifier), có độ dài 16bit.
Lớp con hội tụ CS nằm ở trên đỉnh của lớp MAC, thực hiện một số các chức năng như: nhận các PDU từ lớp cao hơn, phân lớp dịch vụ các PDU đó, tùy theo các dịch vụ mà CS thực hiện xử lí các PDU, phân phối các PDU này xuống lớp con MAC thơng qua một điểm SAP thích hợp.
Tuy nhiên, nhiệm vụ chính của lớp CS là phân loại các đơn vị dịch vụ dữ liệu SDU, ánh xạ vào một kết nối MAC phù hợp, tức là vào một CID, đảm bảo cho việc xử lí QoS. Như vậy, lớp CS có thể sử dụng các thuật tốn tinh vi để ánh xạ hoặc cũng có thể thêm, thay đổi tiêu đề mỗi gói tin của lớp trên để xử lí. Hiện tại chỉ có hai định nghĩa được được cung cấp trong 802.16: ATM CS và Packet CS. ATM CS được định nghĩa cho các dịch vụ ATM còn Packet CS được định nghĩa cho các dịch vụ gói như IPv4, IPv6, Ethernet, VLAN,…Những định nghĩa khác có thể sẽ được hỗ trợ trong tương lai.
1.3.1.2. Lớp con phần chung MAC CPS
Sự trao đổi giữa các BS và SS trong một vùng thường có dạng kiến trúc P2P, PMP và Mesh. Kiến trúc P2P xảy ra khi chỉ có một BS và một SS, các kết nối thực hiện giữa từng cặp BS, SS.
Hình 1.8: Kiến trúc P2P
Kiến trúc PMP cung cấp một kết nối giữa một BS với nhiều SS khác nhau. So với P2P, PMP có khả năng phục vụ cao hơn, hiệu suất tốt nhưng phạm vi bao phủ thường hẹp hơn nhiều. Kiến trúc PMP thường được tổ chức thành các vùng (sector) và hỗ trợ tốt truyền thông multicast (một bản tin từ một người có thể gửi truyền tới một nhóm người xác định).
Hình 1.9: Kiến trúc PMP
Ban đầu thiết kế chưa có kiến trúc Mesh, sau này khi có thêm thiết kế bổ sung 802.16a, kiến trúc Mesh đã được thêm vào. Kiến trúc Mesh là kiến trúc mà bao giờ cũng có một đường liên kết giữa hai điểm bất kì.
Hình 1.10: Kiến trúc Mesh
Đối với PMP, sẽ có một BS làm trung tâm, làm nhiệm vụ phục vụ và quản lí đồng thời nhiều SS khác nhau trong một vùng. Tại đường xuống, thường toàn bộ dữ liệu sẽ được phát quảng bá (có thể truyền theo kiểu TDD). SS phân tích và kiểm tra xem dữ liệu nào trong số đó được gửi tới mình để thu nhận, SS sẽ kiểm tra trường CID trong MAC PDU và chỉ chấp nhận xử lí những PDU có CID thích hợp. Tại đường lên, việc truyền của SS tùy vào lớp dịch vụ nó đăng kí.
Mặc dù 802.16 hỗ trợ cả ba kiểu kiến trúc trên nhưng kiến trúc PMP được quan tâm nhất. Kiến trúc PMP có một BS làm trung tâm cung cấp kết nối cho nhiều SS. Trên đường xuống (downlink), dữ liệu đưa tới SS được hợp kênh theo kiểu TDM. Các SS chia sẻ đường lên theo dạng TDMA.
1.3.1.3. Lớp con bảo mật
Khác với các chuẩn không dây băng rộng khác, 802.16 thiết kế hẳn một lớp con bảo mật, cung cấp các cơ chế điều khiển truy nhập tin cậy, đảm bảo an toàn cho dữ liệu trên đường truyền.
1.3.2. Đánh địa chỉ
Mỗi SS có một địa chỉ cứng gọi là địa chỉ MAC 48bit, được định nghĩa như trong 802 nói chung. Địa chỉ MAC xác định duy nhất cho thiết bị trên tồn thế giới. Nó được sử dụng trong q trình khởi tạo kết nối và có thể được
dùng để chứng thực giữa BS và SS với nhau.
Đối với PMP: Các SS được phân biệt bởi các kết nối, hay là các CID (hỗ
trợ trao đổi các thông tin như thông tin điều khiển đường truyền, cấp phát băng thông, điều khiển truy nhập, điều khiển công suất,… ). Trong 802.16
phân ra làm hai loại kết nối: kết nối quản lí và kết nối vận chuyển. Kết nối
quản lí làm nhiệm vụ điều khiển quá trình trao đổi tin giữa SS và BS. Kết nối
quản lí có ba dạng: kết nối cơ bản (Basic Connection) được sử dụng để trao
đổi các bản tin quản lí ngắn, khẩn cấp, các bản tin điều khiển đường truyền.
Kết nối sơ cấp (primary connection) dùng để trao đổi các bản tin quản lí dài
hơn, có thể trễ lâu hơn. Cịn kết nối thứ cấp (Secondary Connection) không
yêu cầu chặt chẽ về độ trễ, được dùng để trao đổi các bản tin IP có tính chất quản lí như DHCP, TFTP, SNMP,… Kết nối vận chuyển mang các đơn vị dữ liệu của dịch vụ.
Kết nối được định nghĩa bởi một số CID 16 bit. Tại thời điểm SS khởi tạo kết nối, ba kết nối quản lí (management connection) sẽ được thiết lập trong đó hai liên kết đầu bắt buộc phải có là kết nối cơ bản và kết nối sơ cấp, kết nối thứ cấp là tùy lựa chọn. Các kết nối này thể hiện các mức độ chất lượng khác nhau cho các bản tin trao đổi giữa SS và BS.
802.16 MAC có tính hướng kết nối. Tất cả các dịch vụ, kể cả các dịch vụ phi kết nối cũng sẽ được ánh xạ vào một kết nối mới.
802.16 cung cấp cơ chế yêu cầu băng thông kết hợp với chất lượng dịch vụ và các thông số về lưu lượng, vận chuyển, phân phối dữ liệu một cách hợp lý đến lớp CS và thực hiện tất cả những hoạt động liên quan tới các thỏa thuận
dịch vụ. Các kết nối sẽ được tham chiếu bởi CID. Kết nối có thể ở dạng băng thơng liên tục hoặc băng thơng theo u cầu.
Ngồi các kết nối quản lí trên, SS cịn được phân bố các loại kết nối khác. Các kết nối vận chuyển (transport connection) dùng để vận chuyển loại dữ liệu tùy vào các thỏa thuận giữa SS và BS, một kết nối dành cho truy nhập dựa trên sự va chạm (Contention-based Access), một kết nối dành cho phát bản tin broadcast, báo hiệu, các kết nối cho multicast.
Đối với Mesh: Khi giao tiếp với Mesh BS, các nút sẽ sử dụng một tham
số NodeID 16 bit. NodeID được đính vào sau tiêu đề của MAC PDU. Để đánh địa chỉ trong một neighbourhood, một số LinkID 8 bit được sử dụng. Mỗi nút đăng kí một ID cho một kết nối với neighbour của nó. Một phần CID sẽ được sử dụng làm LinkID.
1.3.3. Gói tin MAC PDU
1.3.3.1. Định dạng của MAC PDU
Đơn vị dữ liệu MAC PDU dùng để trao đổi thông tin giữa các lớp MAC của BS và SS. MAC PDU có hai dạng: dạng thơng thường và dạng u cầu
băng thông. MAC PDU thường bắt đầu bởi một tiêu đề có chiều dài cố định.
Tiếp theo tải (payload), tải có độ dài thay đổi, vì vậy MAC PDU cũng có chiều dài thay đổi. Cuối cùng là mã CRC. MAC PDU yêu cầu băng thông chỉ chứa phần tiêu đề.
Các PDU đồng thời cũng được dùng để trao đổi giữa các thực thể trong cùng một lớp hoặc giữa hai lớp cạnh nhau trong một mơ hình phân lớp.
Hình 1.11: Các SDU, PDU qua từng lớp
Đơn vị dữ liệu SDU được gửi từ lớp trên xuống, giả sử từ lớp N+1 xuống lớp N, tại lớp N, SDU được xử lí, thêm các thơng tin điều khiển để trở thành PDU của lớp N và SDU của lớp N-1.
Hình dưới đây mơ tả dạng của MAC PDU
Hình 1.12: Cấu trúc của MAC PDU
Mỗi MAC PDU bao gồm phần tiêu đề có chiều dài cố định. Tiếp theo là tải, tải bao gồm các tiêu đề con (subheader) và MAC SDU. Tải cũng có thể có độ dài bằng 0 trong trường hợp đó là MAC PDU dùng để yêu cầu băng thông.
CRC cũng là một tùy chọn trong 802.16. Với 802.16a (Wimax), CRC là tuỳ chọn bắt buộc.
Vì MAC PDU có hai dạng nên phần tiêu đề cũng có hai định dạng và được phân biệt bởi trường HT. Tiêu đề có chiều dài cố định 48 bit. Khi trường HT=0, MAC PDU ở dạng thông thường, ngược lại khi HT=1, MAC PDU ở dạng yêu cầu băng thông.
Dạng thông thường được dùng để truyền các bản tin quản lí hoặc dữ
liệu truyền từ lớp CS xuống. Cấu trúc của nó được mơ tả ở hình dưới đây:
Hình 1.13: Cấu trúc tiêu đề MAC PDU dạng thông thường
Các MAC SDU được chuyển từ lớp CS xuống có thể được phân mảnh hoặc hợp nhất lại trước khi được đưa vào các kết nối. Phân mảnh là quá trình một gói tin MAC SDU được tách ra làm nhiều MAC PDU để truyền và hợp nhất lại tức là kết hợp nhiều MAC SDU thành một MAC PDU để truyền. Cả hai tiến trình này đều có thể xảy ra đồng thời và được khởi tạo bởi BS cũng
như SS. Điều này sẽ tạo nên sự linh hoạt, mềm dẻo và hiệu quả trong việc phân bố băng thông. Trường Type mơ tả sự tồn tại của chức năng đó.
Trường Type được được mơ tả cụ thể dưới
Bảng 1.3: Bảng mô tả ý nghĩa các bit Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0 Các bit Ý nghĩa
Bit 5
Tiêu đề con Mesh nắm giữ thông tin về Node ID trong mơ hình dạng mesh. Bit này cho biết trong tải của MAC PDU có tiêu đề con Mesh (Mesh subheader) hay khơng.
1= có tiêu đề con Mesh
0= khơng có tiêu đề con Mesh Bit 4
Bit này dùng cho tải ARQ Feedback 1= Có tải ARQ Feedback
0= Khơng có tải ARQ Feedback
Bit 3
Bit này dùng để chỉ định xem có xảy ra sự đóng gói hay phân mảnh MAC PDU khơng
1=Có 0=Khơng
Bit 2
Bit này thể hiện xem trong tải của MAC PDU có tiêu đề con phân mảnh không. Tiêu đề con phân mảnh dùng để quản lí việc phân mảnh
1= có tiêu đề con phân mảnh
0= khơng có tiêu đề con phân mảnh
Bit 1
Bit này thể hiện xem trong tải của MAC PDU có tiêu đề con hợp nhất hay khơng. Tiêu đề con hợp nhất dùng để quản lí việc đóng gói
1= có tiêu đề con hợp nhất
0= khơng có tiêu đề con hợp nhất Bit 0
Tiêu đề mang một số thơng tin quản lí 1= có tiêu đề
Dạng yêu cầu băng thông được sử dụng để yêu cầu băng thông thêm vào. Ở dạng này, bản tin sẽ không chứa tải. Cấu trúc của dạng này được mơ tả ở hình dưới đây.
Hình 1.14: Cấu trúc tiêu đề MAC PDU dạng yêu cầu băng thông
Cấu trúc dạng yêu cầu băng thông khác với cấu trúc tiêu đề dạng thông thường ở một số trường sau:
Trường HT luôn được thiết lập bằng 1
Trường EC luôn được thiết lập bằng 0: dạng MAC PDU này sẽ khơng được mã hóa.
Trường Type có 3 bit, có hai giá trị được sử dụng: 001 tương ứng với yêu cầu tăng băng thông và 000 tương ứng với yêu cầu gộp chung lại.
Trường BR (Bandwith Request): trường cho biết số byte được u cầu (khơng tính tiêu đề của lớp vật lí).
1.3.3.2. Truyền các MAC PDU
Các MAC PDU được truyền trong các burst. Các burst PHY có thể chứa nhiều khối FEC. Các MAC PDU có thể kéo dài qua các đường biên khối. Quá trình truyền gồm các bước sau:
Ghép nối
Phân đoạn
Đóng gói
Tính CRC
Mật mã hóa các MAC PDU
Đệm
a./ Ghép nối MAC PDU
Có nhiều MAC PDU được ghép nối trong cùng một burst PHY. Các MAC PDU có thể được ghép trong một luồng truyền dẫn đơn ở đường lên hoặc đường xuống. Do mỗi MAC PDU được nhận dạng bởi một CID, thực thể MAC nhận có thể tạo ra MAC SDU (sau khi lắp ráp MAC SDU từ một hay nhiều MAC PDU đã nhận) đến trường hợp chính xác của MAC SAP. Các bản tin quản lí MAC, dữ liệu người dùng, và các MAC PDU yêu cầu băng tần có thể được ghép vào cùng một luồng truyền dẫn.
Hình 1.15: Nhiều MAC PDU được ghép vào trong cùng một PHY burst
b. Phân đoạn MAC PDU
Mỗi MAC SDU có thể được phân đoạn thành nhiều phân đoạn, mỗi phân đoạn được đóng gói thành một MAC PDU. Quá trình này được đảm bảo để cho phép sử dụng băng tần có sẵn hiệu quả liên quan đến các yêu cầu QoS của mỗi luồng dịch vụ của một kết nối. Khả năng phân đoạn và lắp ráp là bắt buộc.
Độ tin cậy của lưu lượng phân đoạn trên một kết nối được định nghĩa khi kết nối được tạo ra bởi MAC SAP. Việc phân đoạn có thể được khởi tạo bởi BS cho các kết nối đường xuống và bởi SS cho các kết nối đường lên.
Các kết nối không ARQ: với các kết nối không ARQ, các phân đoạn
được phát chỉ một lần và theo tuần tự. Số tuần tự được gán cho mỗi phân đoạn cho phép đầu thu tái tạo lại tải trọng ban đầu và phát hiện mất bất kì gói nào ngay lập tức. Một kết nối có thể chỉ có một trạng thái phân đoạn ở một thời gian bất kì cho trước
Tải trọng MAC PDU CRC HT Tải trọng MAC PDU CRC HT Tải trọng MAC PDU CRC HT FEC block 1 FEC block 2 FEC block 3 FEC block m FEC
MAC PDU 1 MAC PDU 2 MAC PDU k
Mào đầu OFDM symbol 1 OFDM symbol 2 OFDM symbol n PHY Burst
Các kết nối ARQ: với các kết nối ARQ, phân đoạn được định dạng cho mỗi luồng truyền dẫn bằng cách ghép một tập hợp các khối ARQ với các số tuần tự liền nhau. Giá trị BSN trong tiêu đề con phân đoạn là BSN cho khối ARQ đầu tiên xuất hiện trong phân đoạn. FSH là tiêu đề con phân đoạn có độ dài 8 bit.
Hình 1.16: Mỗi MAC PDU được phân đoạn thành nhiều segment c./ Đóng gói các MAC PDU c./ Đóng gói các MAC PDU
Đóng gói được thực hiện trên mỗi kết nối, MAC có thể gói nhiều MAC SDU vào một MAC PDU đơn. Đóng gói tạo ra việc sử dụng chỉ số thuộc tính kết nối là kết nối mang các gói có độ dài thay đổi hay độ dài cố định. Phía phát hồn tồn chủ động trong việc đóng gói hay khơng một nhóm các MAC