3.5.1. Sơ đồ khối:
Hình 3.4. Khối giao thức
Mô hình của chuẩn IEEE 802.16 có 3 phần : khối người dùng (user), khối điều khiển (control), khối quản lý (managerment) như trong hình 3.4.
Tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004 liên quan đến khối người dùng và khối điều khiển. Nó định nghĩa hai lớp trong các khối này: lớp MAC (Medium Access Control Layer), lớp vật lý PHY (Physical Layer). Lớp MAC gồm có 3 lớp con: CS (Service-Specific Convergence Sublayer), MAC CPS (MAC Common Part Sublayer) và lớp con bảo mật (Security Sublayer). CS cung cấp những đáp ứng được yêu cầu cho quá trình lưu thông lớp. MAC CPS giải quyết vấn đề truyền tin không dây băng thông rộng. Lớp bảo mật cung cấp bảo mật viễn thông về mặt riêng tư, thông tin quốc gia, bản quyền của cá nhân.
Dưới lớp MAC, là lớp vật lý PHY, nó cung cấp khả năng truyền tải mạnh và thích nghi với môi trường không dây. Lớp PHY sử dụng 5 loại giao diện:
- WirelessMAN-SCTM (Line of Sight - LOS).
- WirelessMAN-SCaTM (Non Line of Sight - NLOS). - WirelessMAN-OFDMTM.
- WirelessMAN-OFDMATM. - WirelessHUMANTM.
Mặc dù mô hình trên chỉ mang tính chất tham khảo, nhưng có sự thống nhất chặt chẽ giữa chức năng MAC CPS và PHY, nó làm cho chức năng trở nên phụ thuộc và phức tạp hơn giữa chúng.
3.5.2. Lớp MAC:
Lớp MAC chuẩn IEEE 802.16 cung cấp giao diện hoạt động độc lập với lớp vật lý do giao diện lớp vật lý là giao diện vô tuyến. Phần chủ yếu của lớp MAC tập trung vào việc quản lý tài nguyên trên airlink(lien kết vô tuyến). Giải quyết được bài toán yêu cầu tốc độ dữ liệu cao trên cả hai kênh downlink và uplink. Các cơ chế điều khiển truy cập và thuật toán cấp phát băng thông hiệu quả có khả năng đáp ứng cho hàng trăm đầu cuối trên mỗi kênh.
Lớp MAC chuẩn IEEE 802.16 được xây dựng dựa trên kiến trúc tập trung, hỗ trợ mô hình Point-to-Point, Point-to- Multipoint và Mesh. Trạm BS đóng vai trị trung tâm với một ăngten-sectơ hóa có khả năng điều khiển đồng thời nhiều sectơ độc lập đồng thời.
Các giao thức MAC chuẩn 802.16 là hướng kết nối. Vào thời điểm truy cập mạng, mỗi SS sẽ tạo một hoặc nhiều kết nối để truyền tải dữ liệu trên cả hai hướng. Đơn vị lập lịch lớp MAC sẽ sử dụng tài nguyên airlink để cung cấp mức QoS phân biệt. Lớp MAC cũng được thực hiện chức năng tương thích liên kết (link adaption) và truyền lại tự động ARQ nhằm duy trì thong lượng tối đa với tỷ lệ lỗi bit (BER) chấp nhận được. Lớp MAC chuẩn IEEE 802.16 cũng điều khiển quá trình truy nhập và rời khỏi mạng của SS, thực hiện tạo và truyền các đơn vị dữ liệu giao thức PDU. Ngoài ra, lớp MAC chuẩn IEEE 802.16 còn cung cấp lớp con hội tụ đặc tả dịch vụ hỗ trợ lớp mạng tế bào ATM và lớp mạng gói.
Lớp MAC chuẩn IEEE 802.16 bao gồm 3 lớp: lớp con hội tụ đặc thù dịch vụ (CS: Convergence Sublayer);lớp con phần chung của MAC (MAC CPS); lớp con an ninh.
Lớp con hội tụ đặc thù dịch vụ (CS): đảm bảo chuyển đổi các số liệu nhận từ mạng ngoài qua điểm truy nhập dịch vụ CS (CS SAP) vào các MAC SDU (đơn vị số liệu dịch vụ
MAC(MAC SAP). MAC SDU gồm: các đơn vị số liệu dịch vụ (SDU) từ mạng ngoài, nhận dạng luồng dịch vụ (SFID: Service Flow Identifier) MAC và nhận dạng kết nối (CID: Connection Identifier). Nó có thể có cả chức năng nén tiêu đề tải tin (PHS: Payload Header Supression). Nhiều đặc tả CS được đưa ra để cho phép giao tiếp với các giao thức khác nhau. Khuôn dạng bên trong của tải tin CS là duy nhất đối với CS và MAC CPS không cần biết khuôn dạng này hay bất kỳ thông tin nào về tải trọng CS.
Lớp con MAC CPS: cung cấp chức năng MAC lõi của hệ thống truy nhập như: cấp phát băng thông, thiết lập kết nối và duy trì kết nối. Nó nhận số liệu từ các CS khác nhau thông qua MAC SAP (được phân loại cho từng kết nối cụ thể). Áp dụng QoS cho truyền dẫn và lập biểu số liệu đưa đến lớp vật lý.
Lớp con an ninh: MAC cũng chứa một lớp con an ninh riêng để đảm bảo nhận thực,
trao đổi khóa và mật mã.
3.5.3. Lớp PHY :
Hệ thống IEEE 802.16 PHY hoạt động trong dải tần số 2-11GHz được thiết kế cho NLOS, tốc độ truyền dữ liệu là 1-75Mbps. Các loại điều chế bao gồm:
- QPSK, 16QAM, 64QAM, (256QAM). - Single Carrier.
- OFDM 256 Subcarrier.
PHY sử dụng anten định hướng và hai loại phương pháp song công: TDD và FDD.
3.5.3.1. Giới thiệu:
Lớp PHY là lớp chịu trách nhiệm về quá trình truyền của khung. Giao diện đầu tiên của nó là WirelessMAN-SC. Nó hoạt động trong dải tần số 10-66GHz, được thiết kế để ứng dụng trong LOS và thông qua điều chế sóng mang đơn. Nó được chọn bởi vì nó đủ lớn để cung cấp cho mạng viễn thông không dây băng thông rộng. Do tầm quan trọng trong việc quảng cáo ngày càng tăng trong dải tần số 2-11GHz cho NLOS nên một nhóm làm việc trong IEEE 802.16 đã phát triển thêm 3 loại giao diện. Ba loại giao diện mới là: WirelessMAN-SCa, WirelessMAN-OFDM và WirelessMAN-OFDMA.
- WirelessMAN-SCa: đây là giao diện sử dụng điều chế sóng mang đơn.
- WirelessMAN-OFDM: sử dụng ghép kênh phân chia theo tần số trực giao với 256 sóng mang.
- WirelessMAN-OFDMA: sử dụng truy cập ghép kênh phân chia theo tần số trực giao với 2048 sóng mang để cung cấp nhiều hơn một sóng mang trên một trạm thuê bao SS.
Ngày nay, do FFT cho phép làm việc với số lượng sóng mang lớn nên WirelessMAN-HUMAN đã ra đời.
Vì WiMAX chỉ đề cập đến OFDM và OFDMA nên ta sẽ xét cụ thể về 2 phần này.
♣ Tổng quan các tính năng của WirelessMAN OFDM:
Băng tần công tác cần thiết cho WirelessMAN OFDM là 2-11GHz, vì không thể đảm bảo truyền không trực xạ (NLOS: Non Line of Sight) trong băng tần cao hơn. Bảng 3.1 cho thấy các tính năng chính của lớp vật lý (PHY) của IEEE 802.16e -2005 cho hệ thống không dây cố định.
Bảng 3.1. Các tính năng của WirelessMAN OFDM
Tính năng Lợi ích
Dạng sóng 256 điểm FFT OFDM Để hỗ trợ các môi trường LOS và NLOS ngoài trời
Điều chế và thay đổi mã sửa lỗi thích ứng theo từng cụm sóng vô tuyến
Đảm bảo đường truyền vô tuyến bền vững nhưng vẫn duy trì tốc độ bit cực đại cho từng thuê bao
Hỗ trợ TDD và FDD Đáp ứng các điều lệ khác nhau ở các vùng khác nhau trên thế giới
Kích thước kênh linh hoạt (3,5MHz; 5MHz; 10 MHz...)
Cung cấp nhu cầu khai thác linh hoạt trong các băng tần khác nhau phụ thuộc vào yêu cầu kênh khác nhau trên thế giới
Thiết kế để hỗ trợ các hệ thống an ten thích ứng (tạo búp) và STC
Các hệ thống này càng khả dụng và giá thành ngáy càng rẻ. Chúng cho phép giảm nhiễu, tăng độ lợi hệ thống và sẽ trở nên quan trong khi triển khai BWA.
Việc sử dụng nhiều điểm FFT trong WirelessMAN OFDM hơn trong 802.11a (256 so với 64) cho phép mở rộng thời gian một ký hiệu và vì thế khả năng chịu đựng trễ đa đường lớn hơn đối với hoạt động NLOS cự ly xa.
Để đảm bảo tính bền vững và thông lượng cực đai, các sơ đồ điều chế thích ứng được sử dụng trong chuẩn WirelessMAN OFDM: QPSK, 16QAM, 64 QAM. Khi điều kện kênh tốt, điều chế 64QAM tốc độ số liệu cao được lựa chọn, trái lại khi điều kiện kênh kém điều chế QPSK tốc độ số liệu thấp hơn được lựa chọn (hình 3.5).
Hình 3.5. Điều chế thích ứng trong lớp vật lý
Một tính năng tiên tiến khác của WirelessMAN OFDM là nó cho phép định cỡ kênh từ 1,75 MHz đến 20 MHz. Vì thế nhà sản suất thiết bị có thể linh hoạt sử dụng toàn bộ băng thông được cấp phát. Chẳng hạn nếu băng thông được cấp phát là 14 MHz, họ sẽ không sử dụng băng thông 6MHz vì sẽ lãng phí 2MHz. Họ có thể sử dụng băng thông 1,75MHz, 3,5 MHz cũng như 7MHz. Như vậy toàn bộ băng thông sẽ được sử dụng.
Cấu trúc khung
Hệ thống sử dụng khung có độ dài 0,5; 1 hay 2 ms. Mỗi khung được chia thành các khe vật lý (PS: Physical Slot) để ấn định băng thông và nhận dạng sự chuyển đổi lớp vật lý. Lớp vật lý OFDM hỗ trợ ba phương án ghép song công: FDD, TDD và HFDD. Mỗi khung bao gồm một khung con đường xuống và một khung con đường lên. Trong phương án FDD khung con đường xuống và đường lên được truyền trong toàn bộ thời gian khung nhưng ở hai tần số khác nhau. Trong phương án TDD, khung con đường lên được truyền tiếp sau khung con đường xuống trong cùng một thời gian khung trên cùng một sóng mang, giữa khai khung con này có một khoảng bảo vệ để tránh chồng lấn do đồng bộ không
tốt. Mỗi khung chứa các PDU (Protocol Data Unit: đơn vị số liệu giao thức) lớp vật lý, các khoảng trống và các khoảng bảo vệ. Cấu trúc khung con đường xuống và đường lên của OFDM được cho trên hình 3.6 và 3.7.
Khung con đường xuống chỉ chứa một PDU đường xuống. Khung con đường lên chứa các khoảng va chạm (tranh chấp) được lập biểu cho định cự ly khởi đầu, để yêu cầu băng thông và một hay nhiều PDU lớp vật lý đường lên từ các SS khác nhau. PDU lớp vật lý đường xuống bắt đầu bằng một tiền tố dài sử dụng cho đồng bộ lớp vật lý. Sau tiền tố này là cụm FCH (Frame Control Header: tiêu đề điều khiển khung). Cụm FCH có độ dài một ký hiệu OFDM được phát bằng cách điều chế BPSK với sơ đồ mã hóa kênh tỷ lệ mã 1/2. FCH chứa DLFP (DL Frame Prefix:tiền tố khung đường xuống) để đặc tả hồ sơ cụm và độ dài của một hay nhiều cum đường xuống tiếp sau FCH. Bản tin DL-MAP (sắp xếp đường xuống) (nếu được truyền trong khung này) sẽ là PDU của lớp MAC đầu tiên tiếp sau FCH. Sau DL-MAP (nếu được truyền) là UL-MAP (sắp xếp đường xuống). Tiếp theo UL-MAP là UCD (mô tả kênh đường lên) và DCD (mô tả kênh đường xuống) nếu các mô tả này đựơc truyền. Mặc dù cụm 1 chứa thông tin quảng bá, nhưng không nhất thiết phải sử dụng điều chế và mã hóa chắc chắn nhất. Có thể sử dụng sơ đồ điều chế mã hóa hiệu suất nhất cho tấtcả các SS của BS.
Các cụm đường xuống sau FCH được truyền với các hồ sơ cụm khác nhau. Mỗi cụm chứa một số nguyên các ký hiệu OFDM. Vị trí và hồ sơ cụm thứ nhất được đặc tả trong DLFP. Vị trí và hồ sơ của các cụm tiếp theo đựơc đặc tả trong DL-MAP đựơc phát quảng bá trong cụm 1.
DL-MAP xác định mức độ sử dụng các đoạn thời gian đường xuống cho một cụm. UL-MAP xác định mức độ sử dụng đường lên được thể hiện ở dịch thời cụm so với thời điểm cấp phát ban đầu.
DDC và UDC là các bản tin MAC để mô tả các đặc tính lớp vật lý của kênh đường xuống và đường lên.
Hình 3.6. Cấu trúc khung OFDM đường xuống
Hình 3.7. Cấu trúc khung OFDM đường lên.
Sơ đồ khối máy phát và máy thu WirelessMAN OFDM
Máy phát và máy thu WirelessMAN OFDM có thể được chia thành 2 phần: phần băng gốc và phần vô tuyến (xem hình 3.8).
Hình 3.8. Sơ đồ khối máy phát và máy thu WirelessMAN OFDM
Ký hiệu:
Re: Phần thực, Im: Phần ảo,
D/A: biến đổi số vào tương tự, A/D: biến đổi tương tự vào số, IFLO: Bộ giao động nội trung tần, RFLO: Bộ giao động nội vô tuyến, Sync: Mạch đồng bộ
Trước hết luồng bit tại đầu ra của MAC được đưa đến băng gốc của máy phát, sau xử lý băng gốc, luồng số được chia thành phần thực (Re) và phần ảo (Im). Sau biến đổi số và tương tự (D/A), phần thực và phần ảo đựơc biến đổi vào các sóng đồng pha và vuông góc. Sóng đồng pha được nhân với sóng mang trung tần hàm cos, còn sóng vuông góc được nhân với sóng mang trung tần hàm sin. Sau đó hai sóng này đựơc cộng với nhau để tạo thành sóng mang trung tần được điều chế. Cuối cùng sóng này được nhân với sóng mang vô tuyến để được biến đổi nâng tần trước khi vào anten.
Tại máy thu, các thao tác ngược được thực hiện theo thứ tự ngược lại. Cần đảm bảo đồng bộ chính xác để đảm bảo xử lý băng gốc chính xác. Cần đồng bộ tín hiệu OFDM cần thiết để phát hiện gói. Đồng bộ bao gồm đồng bộ ký hiệu và đồng bộ tần số.
Phát hiện gói nhằm tìm ra vị trí đầu của gói, quá trình này được thực hiện với sự hỗ trợ của các ký hiệu hoa tiêu (chẳng hạn các tiền tố). Có hai cách để thực hiện điều này: (1) Lấy tự tương quan tín hiệu thu, trong trường hợp này tiền tố thường bao gồm hai phần giống nhau; (2) Lấy tương quan tín hiệu thu với các tiền tố. Vị trí nhận đựơc giá trị đỉnh chính là điểm đầu của gói.
Các tín hiệu thu tương tự cần được lấy mẫu tại thời điểm chính xác của chu ký lấy mẫu (chu kỳ A/D)cho quá trình xử lý tín hiệu số. Tuy nhiên pha và chu kỳ lấy mẫu luôn
vòng khóa pha trễ (DPLL: Delay Phase Locked Loop) và VCO để điều chỉnh tần số A/D. Vì phía thu luôn có thể xác định chính xác được vị trí cảu các hoa tiêu trên chăm tín hiệu và lấy mẫu sai chỉ dẫn đến quay chăm tín hiệu, vì thế dựa trên khoảng cách quay ta có thể tính ra được các tần số cần thiết để điều chỉnh A/D.
Các hệ thống OFDM rất nhậy cảm với dịch tần vì đây là nguyên nhân dẫn đến mất tính trực giao giữa các sóng mang con. Dịch tần được ước tính với sự hỗ trợ cuả các tiền tố vì dịch pha trên chăm tín hiệu dẫn đến dịch tần số các sóng mang con. Có thể thực hiện ước tính trong cả miền thời gian lẫn miền tần số dựa trên một tiêu chuẩn thống kê nào đó, chẳng hạn khả giống cực đại. Đầu ra của bộ ước tính đựơc đưa ngược trở về để điều chỉnh VCO.
Cấu trúc băng gốc được trình bày trên hình 3.9.
Hình 3.9. Sơ đồ khối băng gốc của máy phát và máy thu WirelessMAN OFDM
Trước hết luồng bit từ MAC được ngẫu nhiên hóa, sau đó được mã hóa kênh để chống lại các ảnh hưởng là giảm chất lượng của kênh như: tạp âm, phađinh và nhiễu. Để tăng hiệu quả mã hóa kênh luồng số sau mã hóa kênh được đan xen. Mã hóa kênh có thể là Reed-Solomon, xoắn kết hợp chích bỏ (để điều chỉnh tốc độ bit). Mã turbo và mã turbo xoắn (CTC) cùng với đan xen CTC cũng có thể được sử dụng ở dạng tùy chọn.
Điều chế thực hiện sắp xếp tín hiệu số vào dạng tương tự để có thể truyền nó trên kênh. Điều chế đựơc sử dụng là BPSK. QPSK, 16QAM và 64QAM mã Gray.
Điều chế OFDM bao gồm ba phần: lắp ráp khung OFDM, tạo lập tín hiệu OFDM bằng IFFT và chèn tiền tố chu trình (CP: Cyclic Prefix).
Tại phía thu ngoài các khối thực hiện thao tác ngược so với phát, ngoài ra còn có thêm bộ cân bằng kênh. Có ba dạng bộ cân bằng kênh trong miền tần số: bộ cân bằng LS
được hỗ trợ bởi hoa tiêu, bộ cân bằng LMMSE với hỗ trợ hoa tiêuy và bộ cân bằng LS với hỗ trợ tiền tố.
Kênh truyền là kênh AWGN và phađinh Rayleigh. ♣ WirelessMAN OFDMA
WirelessMAN OFDMA được xây dựng trên cơ sở điều chế OFDM và được thiết kế cho hoạt động không trực xạ (NLOS) trong băng tần thấp hơn 11 MHz.
Khe OFDMA và vùng số liệu
Một khe trong OFDMA PHY (lớp vật lý OFDMA) đòi hỏi cả kích thước thời gian lẫn kênh con và là đơn vị tối thiểu dành cho số liệu.
Định nghĩa khe OFDMA phụ thuộc vào cấu trúc ký hiệu OFDM, trong khi cấu trúc này thay đổi đối với đường lên và đường xuống.
√ Đối với FUSC đường xuống sử dụng hóan vị sóng mang con phân bố, mỗi khe là một kênh con trong một ký hiệu OFDMA
√ Đối với PUSC đường xuống sử dụng hoán vị sóng mang con phân bố, một khe là một kênh con trong hai ký hiệu OFDMA
√ Đối với PUSC đường lên sử dụng sóng mang con phân bố và đối với các TUSC1 và TUSC2 một khe là một sóng mang con trong ba ký hiệu OFDMA
Sắp xếp số liệu OFDMA
Số liệu MAC được xử lý sau đó được sắp xếp lên miền số liệu cho đường xuống và đường lên theo các giải thuật sau. Miền số liệu được coi là một nhóm các kênh con liên tục trong một nhóm các ký hiệu OFDMA liên tục. Một ấn định có dạng chữ nhật kích thước