Điều chế thích ứng và mã hóa cho phép hệ thống WiMAX điều chỉnh mạch điều chế tín hiệu phụ thuộc vào điều kiện tín hiệu trên nhiễu (signal to noise ratio- SNR) của đường truyền. Khi đường truyền có chất lượng cao, mạch điều chế cao nhất được dùng và cho hệ thống dung lượng lớn hơn.
Trong mỗi vùng, người dùng có thể có các mạch điều chế tương ứng. Để tính tốn vùng che phủ được bởi mỗi mạng hệ thống điều chế, chúng tơi có thể xác định rõ khoảng cách lớn nhất Ri giữa trạm cơ sở đến user dùng 1 điều chế tương ứng. Khoảng cach được xác định rõ dùng tính tốn suy hao đường truyền như sau:
Theo mơ hình COST-231 Hata [Sẽ được giới thiệu thêm ở chương 4- Một vài mơ hình truyền dữ liệu cho đường truyền khơng dây băng rộng]– như mơ hình suy hao được kết hợp chặt chẽ. Mơ hình COST-231 mở rộng của mơ hình Hata- Okummura có chỉnh sửa phù hợp với mơi trường nơng thơn, ngoại ô và đô thị. Công thức tính tốn cơ bản cho vùng nơng thơn là:
PL[dB]=46.3 + 33.9log10(f) –13.82log10(hb) –ahm + 44.9-6.55log10(hb)log10(R) + Cm (2.10)
NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG ĐIỀU CHẾ VÀ MÃ HĨA THÍCH NGHI AMC ĐỂ NÂNG CAO DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG 802.16e (MOBILE WIMAX) ĐA NGƯỜI DÙNG
GVHD: Ts Đỗ Đình Thuấn
SVTH: Trần Nguyễn Văn Đoài Trang 46
f là tần số MHz, hb là độ cao của trạm BS tính theo mét, R là khoảng cách tự trạm BS đến người dùng (km), hm là chiều cao của vật thu (m), Cm là thông số cố định, 0 (dB) nếu là mô trường nông thôn/ ngoại ô và 3 (dB) với mơi trường thành thị, khi đó ta tính được cho mơi trường ngoại ơ và nơng thơn giới hạn a(hm) đươc xác định như sau:
a(hm) = [1.1 log10(f) – 0.7]hm – [1.56log10(f)-0.8] (2.11) Và với môi trường đô thị, giới hạn a(hm) được xác định theo:
a(hm) = 3.2[log10(11.75hm)]2 - 4.97 (2.12) PL[dB] = PE[dB] – SNR[dB] – N[dB] (2.13) PE là công suất phát và chúng ta xem xét trường hợp anten của BS và người dùng khơng có độ lợi. N là năng lượng nhiễu nhiệt (dB) tính theo cơng thức:
N(dB) = 10 log10 (τTW) (2.14)
Trong đó, τ = 1.38.10-23 W/ K-Hz là hằng số Boltzman, T là nhiệt độ Kelvin (T =290) và W là băng thông của đường truyền Hz.
Dùng cơng thức trên tính được mối quan hệ giữa khoảng cách và SNR như sau:
R = 10
𝑃[𝑑𝐵]−𝑆𝑁𝑅 [𝑑𝐵]−𝑁[𝑑𝐵]−46.3−33.9 log(ℎ𝑏)+𝑎ℎ𝑚−𝐶𝑚
10[44.9−6.55log (ℎ𝑏) (2.15)
Vì mục đích cho việc mơ tả được thuận lợi, chúng tơi xét theo ví dụ dựa trên băng thông cấp phép dành cho hệ thống mobile WiMAX tại tần số 2.5 Ghz và băng thơng hệ thống tính tốn cho 5 MHz. Tại băng thơng này, nhiễu nhiệt được tính với giá trị 1336,99 dB. Năng lượng phát cố định và bằng 1. Anten trạm cơ sở BS được xét với chiều cao 35m so với mặt đất. Anten phía thu có chiều cao cố định 1.5 m so với mặt đát trong môi trường ngoại ô.
Xem xét với các số liệu bán kính R theo cơng thức (2.15) dành cho mỗi giá trị của SNR, một giá trị nhất định khoảng cách từ BS sẽ được lấy. Xem xét giá trị nhỏ nhất SNR cho mỗi vùng MCS theo bảng 1, giá trị lớn nhất của bán kính của mỗi vùng MCS được lấy (như được thể hiện ở cột 5 của bảng 2.5 bên dưới). Như vậy, chúng ta
SVTH: Trần Nguyễn Văn Đồi Trang 47 có thể xác định diện tích có bán kính cho mỗi vùng MCS cho mỗi điều kiện khác nhau.
Modulation Coding Receiver SNR (dB)
Byte/slot Maximum radius for mentioned example (m) BPSK 1/2 3.0 3 680.1263 QPSK 1/2 6.0 6 557.6335 3/4 8.5 9 472.5868 16QAM 1/2 6.0 12 557.6335 3/4 8.5 18 472.5868 64QAM 2/3 19.0 24 235.8517 3/4 21.0 27 206.6071
Bảng 2.5- Phân tích điều chế và mã hóa thích nghi với giá trị SNR tương ứng có được bán kính vùng phủ.
NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG ĐIỀU CHẾ VÀ MÃ HĨA THÍCH NGHI AMC ĐỂ NÂNG CAO DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG 802.16e (MOBILE WIMAX) ĐA NGƯỜI DÙNG
GVHD: Ts Đỗ Đình Thuấn
SVTH: Trần Nguyễn Văn Đoài Trang 48
CHƯƠNG 3
PHÂN TÍCH DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG MOBILE WiMAX 3.1 GIỚI THIỆU
Như những đề cập tại chương trên, theo tiêu chuẩn IEEE 802-16e2005 cho hệ thống WiMAX di động (mobile WiMAX) là một nhóm các tiêu chuẩn khác nhau chủ yếu tập trung vào PHY và lớp MAC ứng dụng với mục đích cung cấp khả năng tương tác giữa các thơng số kỹ thuật hệ thống khác nhau. Do đó, một giá trị linh hoạt cao được xem xét trong mỗi và tất cả các ứng dụng. Trên phần đầu của chúng, có liên quan đến truy cập cung cấp chẳng hạn như phân bổ nguồn lực và quá trình lập kế hoạch, thiết kế đáng kể linh hoạt.
Vì vậy, một hệ thống thực hiện mơ phỏng chính xác là hầu như khơng thể đạt được. Ngoài ra, việc phân bổ kênh năng động và lập kế hoạch làm cho nó khó khăn để giới thiệu một thủ tục khả năng ước lượng thực tế. Mặt khác, số lượng tín hiệu điều khiển (overhead) trên khơng phải là không đổi và thay đổi với số lượng người sử dụng một cách chưa thể dự đốn được. Nói cách khác, các thuê bao có thể có khả năng khác nhau trong công nghệ hỗ trợ các thủ tục báo hiệu cần thiết là khác nhau từ một thuê bao khác trong cả DL và UL. Hơn nữa, kể từ khi hệ thống hỗ trợ QoS thông số kỹ thuật khác nhau, các phương pháp cung cấp dịch vụ khác nhau được sử dụng trong phân bổ nguồn lực và quy trình lập kế hoạch một cách dựa trên thuê bao. Xem xét tất cả những bất ổn trên các tính tốn thơng lượng thực tế có vẻ là vơ cùng khó khăn.
Trong chương này, báo cáo cố gắng trình bày một thuật tốn để đạt được một giá trị xấp xỉ chấp nhận được đối với khả năng WiMAX di động trong cả hai downlink và uplink hướng dựa trên mơ hình giao thơng (trafic modeling). Một số giả định cơ bản để điều chế và phân phối ứng dụng được thực hiện được ngoại suy từ các tài liệu tham khảo xác thực và sẽ được giải thích chi tiết. Hỗ trợ chất lượng dịch vụ QoS, hai tham số (CR và OSR) được giới thiệu có một cuộn đáng kể trong hệ thống phân bổ nguồn lực và mơ hình lập kế hoạch. Từng bước loại bỏ phần mở đầu PHY và MAC được giải thích cho ước tính băng thơng hữu ích. Cuối cùng, một mã Matlab mơ phỏng để tính khả năng WiMAX di động trong cả DL và UL được trình bày trong phụ lục để giảm bớt cơng việc của các nhà quy hoạch mạng lưới.
SVTH: Trần Nguyễn Văn Đoài Trang 49
3.2 PHÂN BỐ ĐIỀU CHẾ
Với mục đích phân tích dung lượng của 1 trạm cơ sở, phân phối điều chế của 1 khu vực dưới vùng che phủ được sử dụng.
Theo tiêu chuẩn IEEE 802.16e-2000 và như được mô tả trong Phần 2.3.4, hỗ trợ cho QPSK, 16QAM và 64QAM là bắt buộc trong DL với WiMAX di động. Trong UL, 64QAM là tùy chọn. Cả hai mã chập- Convolutional Code (CC) và Mã chập Turbo-Convolutional Turbo Code (CTC) với biến tỷ lệ mã và mã hóa lặp đi lặp lại được hỗ trợ.
Bảng 3.1 tóm tắt các chương trình mã hóa và điều chế hỗ trợ trong hồ sơ cá nhân WiMAX di động. Các mã UL tùy chọn và điều chế được in nghiêng.
DL UL
Modulation QPSK, 16QAM, 64QAM QBSK, 16QAM, 64QAM Code
Rate
CC 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 1/2, 2/3, 5/6 CTC 1/2, 2/3, 3/4,5/6 1/2, 2/3, 5/6 Repetition x2, x4, x6 x2, x4, x6
Bảng 3.1- Điều chế và mã hóa hỗ trợ cho WiMAX di động
Sử dụng của mỗi hồ sơ hệ thống trong số các cấu hình trên phụ thuộc vào cơng suất phía thu ở mỗi điểm của vùng phủ sóng. Như vậy, theo băng thơng được áp dụng, tiêu chuẩn định nghĩa một độ nhạy thu tối thiểu cho mỗi điều chế và hệ thống mã hóa. Chúng tôi đã kiểm tra tham số này trong cơng thức (2.8) được trình bày tại mục 2.5.2. Bảng 3.2 cho thấy SRX tối thiểu cho các cấu hình khác nhau có thể có liên quan đến hai băng thơng sử dụng nhiều nhất (5 và 10 MHz) trong WiMAX di động.
Theo ký thuật AMC, được mô tả tại mục 2.5.3, hệ thống cố gắng để ấn định mức cao nhất của cấp độ điều chế mỗi th bao để tối đa hóa thơng lượng tổng thể. Như có thể thu được từ cơng thức (2.9), xa hơn các thuê bao nhận được từ các trạm gốc, pathloss cao hơn nó sẽ bị ảnh hưởng. Căn cứ theo công thức (2.7), với giá trị pathloss lớn hơn, sức mạnh nhận được sẽ ít hơn. Do đó, xác suất cho các th bao cấp sự nhạy cảm nhận tối thiểu giảm. Nói cách khác, mức điều chế cao hơn sẽ có sẵn cho người sử dụng là đủ gần đến BS để thực hiện sự nhạy cảm nhận yêu cầu tối thiểu cho rằng mức độ điều chế. Mặt khác, việc kiểm tra pathloss cần một bản đồ chính xác về khu vực nghiên cứu. Trong một số trường hợp, những trở ngại có thể làm suy yếu tín hiệu nhận được của thuê bao dưới SRX cần thiết, trong khi người sử dụng là đủ gần để các BS. Ngoài ra, phân phối điều chế cũng phụ thuộc vào khả năng của các thuê bao đang cố gắng để kết nối theo vùng phủ sóng.
NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG ĐIỀU CHẾ VÀ MÃ HĨA THÍCH NGHI AMC ĐỂ NÂNG CAO DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG 802.16e (MOBILE WIMAX) ĐA NGƯỜI DÙNG
GVHD: Ts Đỗ Đình Thuấn
SVTH: Trần Nguyễn Văn Đoài Trang 50
SRX Modulation Type Coding Rate SNR 5 MHz 10MHz QPSK ½ 5 -92.30 -89.29 ¾ 8 -89.30 -86.29 16QAM ½ 10.5 -86.80 -83.79 ¾ 14 -83.30 -80.29 64QAM ½ 16 -81.30 -78.29 2/3 18 -79.30 -76.29 ¾ 20 -77.30 -74.29
Bảng 3.2- Giá trị nhỏ nhất độ nhạy phía thu với các kỹ thuật điều chế và mã hóa khác nhau
Để lấy được một thuật tốn phân tích tính khả năng WiMAX di động về tính tốn dung lượng, trong tài liệu này là một ví dụ thực tế về sự phân bố điều chế được giả định được hiển thị trong bảng 3.3. Giả định thuộc về hướng DL trong một môi trường đô thị và ngoại suy từ các thí nghiệm đo lường khác nhau được giới thiệu trong tài liệu tham khảo. Giá trị K đề cập đến số lượng các bit trên một biểu tượng trong mỗi loại điều chế.
Modulation Type Coding Rate Weigth K
BPSK 1/2 5.0 % 1 QPSK 1/2 2.5 % 2 3/4 2.5 % 2 16 QAM 1/2 5.0 % 4 3/4 5.0 % 4 64QAM 2/3 40.0 % 6 3/4 40.0 % 6
SVTH: Trần Nguyễn Văn Đoài Trang 51 Theo phân phối điều chế cho theo bảng 2.3 và dùng cơng thức tính tốn sau nguyên băng thông của kênh đường DL:
BWRAW = 𝐹𝐹𝑇𝑢𝑠𝑒. ∑(%𝑃.𝑘.𝑂𝐶𝑅)
𝑇𝑠 (3.1)
Trong đó, FFTuse là số các sóng mang con mang dữ liệu, nó phụ thuộc vào các băng thơng kênh truyền, hướng và hốn đổi dự án.
% P là tỷ lệ phần trăm (trọng lượng), k cho số bit trên một ký tự (symbol) và OCR cho tỷ lệ mã hóa tổng thể, tương ứng đối với từng loại điều chế có thể được tìm thấy trong Bảng 3.3. Ts có thể có được từ cơng thức(1.4) và trong khi phương trình cần có một giá trị G như là một đầu vào cho giá trị mào đầu tuần hoàn- Cyclic Prefix đặc trưng của symbol OFDM.
Chú ý rằng, chất lượng của FFTuse trong mỗi hướng dựa trên chế độ hoán vị (permutation model). Như mô tả hở phần 2.3.3, các câu lệnh của chế độ hoán vị trong chuẩn WiMAX là PUSC. Ngồi ra, từ mơ hình cluster trong đường DL và ốp lát trong UL được thực hiện dựa trên các cấu trúc khác nhau số lượng sóng mang con có thể sử dụng được là khác nhau trong mỗi hai hướng cho mỗi băng thông chung chung.
Hơn nữa, như những gì được đề cập ở trên, trong 1 frame TDD tổng băng thơng sẵn có được chia sẻ cho đường subframe DL và UL. Cũng với mục đích để đạt được nguyên băng thông trong mỗi hướng phân vùng thời gian này phải được xem xét. Ví dụ: nếu DLBW RAW được tính với 1 kênh truyền độ rộng 5MHz, giá trị FFTuse dùng PUCS là 360 cần được xem xét trong công thức (3.1), trong khi kết quả nên được mở rộng đến 𝐷𝐿
𝑇𝑜𝑡𝑎,. Mặt khác, cho ULBW raw, FFTUSE =272 cho PUSC 5MHz trong khi kết quả phải mở rộng đến 𝐷𝐿
𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 trong đó total = DL + UL.
3.3 PHÂN PHỐI ỨNG DỤNG
Một yếu tố quan trọng trong quy hoạch mạng lưới là để ước tính số lượng người sử dụng mỗi BS có thể hỗ trợ. Để có một ý tưởng về số lượng tối đa của các th bao là một BS điển hình có thể phục vụ các thơng tin của các loại lưu lượng truy cập có thể có khác nhau và các thông số của chúng là rất cần thiết. Tuy nhiên, kể từ khi các mạng WiMAX di động đã được triển khai nhưng trong một quy mô lớn, xu hướng thị trường và nhu cầu người sử dụng không được xác định rõ ràng. Mặt khác, ứng dụng hỗn hợp các mạng dữ liệu gói có là khó xử lý với các phương pháp thống kê cho trường hợp chung. Kỹ thuật đường truyền băng thông được phân bổ cho các
NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG ĐIỀU CHẾ VÀ MÃ HĨA THÍCH NGHI AMC ĐỂ NÂNG CAO DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG 802.16e (MOBILE WIMAX) ĐA NGƯỜI DÙNG
GVHD: Ts Đỗ Đình Thuấn
SVTH: Trần Nguyễn Văn Đồi Trang 52
hoạt động kết nối khác nhau thường còn lại để cấu hình nhà điều hành và khơng có trong tiêu chuẩn.
Trong tài liệu này, đã cố gắng để kiểm tra và giới thiệu các lớp ứng dụng khác nhau của WiMAX và để xác định một xấp xỉ đáng tin cậy cho các thông số mong muốn và tỷ lệ sử dụng liên quan đến từng ứng dụng.
3.3.1 HỖ TRỢ LUỒNG DỮ LIỆU- SERVICE FLOWS
Trong phần 2.4.4, bài báo cáo xem xét các hỗ trọ luồng dữ liệu được hỗ trợ bởi WiMAX di động. Trong phần này, chúng ta sẽ nhìn vào các thơng số được trình bày trước đây trong một điểm kỹ thuật đường tryền. Trong dòng dịch vụ tổng hợp liên quan đến mỗi ứng dụng có thể được xác định với hai loại tốc độ đường truyền thông dụng phân bổ: The Reserved Traffic Rate và The Sustained Rate.
Tốc độ dự trữ đường truyền- The Reserved Trafic Rate: đó là thơng tin tốc độ cam kết cho luồng dữ liệu. Tốc độ dữ liệu được vô điều kiện dành riêng cho dịng chảy và do đó có thể được trực tiếp trừ khỏi các kích thước kênh có sẵn người sử dụng để xác định dung lượng cịn lại. Tốc độ duy trì đường truyền- The Sustained Trafic Rate: đó là đỉnh cao nhất của tốc độ dữ liệu mà hệ thống cho phép. Đường truyền, được đề trình bởi một trạm phân phối tốc độ ở mức giới hạn bởi mức giá tối thiểu và tối đa, được xử lý bởi các trạm cơ sở trên cơ sở không đảm bảo.
Dựa trên các cơ sở về phương pháp tốc độ đường truyền ta có 3 hỗ trợ luồng dữ liệu có thể được định nghĩa để hỗ trợ cho các ứng dụng trong hệ thống WiMAX di động. Các hỗ trợ được thể hiên như sau:
CBR (Constant Bit Rate Service- Hỗ trợ cố định tốc độ Bit) hỗ trợ giá trị lớn nhất tốc độ dữ trữ đường truyền. Hỗ trợ này phù hợp cho các ứng dụng với giá trị nghiêm ngạch về độ trễ và ràng buộc thơng lượng và tạo ra một dịng ổn định của các gói kích thước cố định như VoIP.
VBR (Variable Bit Rate Service- Hỗ trợ biến đổi tốc độ Bit) hỗ trợ giá trị nhỏ nhất về dự trữ- reserved tốc độ đường truyền và lớn nhất về duy trì tốc độ đường truyền. các loại hỗ trợ luồng dữ liệu này phù hợp với các ứng dụng tạo ra tải lưu lượng dao động bao gồm cả video nén.
SVTH: Trần Nguyễn Văn Đoài Trang 53 BE (Best Effort Service- Hỗ trợ nội lực tốt nhất) được dành cho hỗ trợ luồng dữ liệu với yêu cầu chất lương dịch vụ QoS chặt chẽ nhất về độ trễ truy cập kênh và khơng có sự đảm bảo băng thông. Dịch vụ nỗ lực tốt nhất phù hợp cho các ứng dụng như duyệt web và chuyển tập tin đó có thể chịu đựng bị gián đoạn liên tục và làm giảm thơng lượng mà khơng có hậu quả nghiêm trọng. Dành cho các hỗ trợ dữ liệu luồng tốt nhất, đường truyền bị tác động được gửi như dung lượng dư thừa đó là có sẵn sau khi đáp ứng các loại hình dịch vụ khác đảm bảo.