2.5.1 THÔNG LƯỢNG VÀ TỐC ĐỘ DỮ LIỆU
Khái niệm hiệu quả kênh dùng để chỉ đạt được thông lượng (throughput) cao nhất có thể sử dụng một băng thông kênh có sẵn. Thông qua là một biện pháp trong mối quan tâm với một phần của tốc độ dữ liệu có thể được sử dụng để chuyển dữ liệu thành công tinh khiết (không tín hiệu hoặc thông điệp điều khiển) trên mạng nhất định trong một thời gian nhất định. Tỷ lệ các công thức sau đây tốc độ dữ liệu trong một lớp vật lý WiMAX OFDM:
𝑅 = 𝑁𝑢𝑠𝑒 𝑏𝑚𝐶𝑟
𝑇𝑠 (2.3)
Trong đó: bm số bit sử dụng để điều chế và bằng 1 nếu dùng điều chế BPSK, 2 cho QPSK, 4 cho 16-QAM và phổ biến nếu M là cấp điều chế đối với chòm sao điều chế M-QAM, M = 2𝑏𝑚. Cr là tỷ lệ mã hóa có thể được tìm thấy trong Bảng 2.2 cho mỗi profile burst (định dạng cụm) khác nhau. Một ký tự mất thời gian Ts, như hình 2.3 ta có:
Ts = Tg + Tb
= [G + 1] Tb (2.4)
Trong đó, G là tỷ số Tg /Tb với các dữ liệu tương ứng như: ¼, 1/8, 1/16 hoặc 1/32. Và Tb = 1/ ∆f, với phân hệ sóng mang con khoảng ∆f được xác định như sau:
SVTH: Trần Nguyễn Văn Đoài Trang 41
∆𝑓 = 𝐹𝑠
𝑁𝐹𝐹𝑇 (2.5)
Và:
𝐹𝑠 = 𝑓𝑙𝑜𝑜𝑟 (𝑛.𝐵𝑊8000) 8000 (2.6) Trong đó, FS là tần số lấy mẫu, n là hệ số mẫu, BW là băng thông kênh truyền và NFFT là số điểm cho FFT hoặc tổng số sóng mang con.
Hệ số mẫu liên kết với băng thông BW và Nuse (số sóng mang con sử dụng = tổng số sóng mang con – số sóng mang rỗng: the active subcarrier = total subcarrier – null subcarrier) xác định dãi sóng mang con và thời gian ký tự hữu dụng. Các thông số thay đổi từ OFDMA 802.16-2004 và khi đó xét đến giá trị 8/7 như sau: cho kênh có băng thông của băng tần 1.75 MHz khi n = 8/7 cho băng thông kênh truyền và với băng tần 1.25, 1.5, 2 hoặc 2.75 MHz thì n = 28/25 ngược lại cho băng thông kênh truyền không đặc biệt khác thì n = 8/7.
Số liệu NFFT và Nuse có thể tìm thấy trong bảng 2.1 và giá trị BW bố trí với băng thông kênh truyền có thể tìm thấy trong bảng 2.4.
Frequency Band (Band Index) (GHz) Bandwidth (MHz) OFDM FFT Size (I) 2.3 – 2.4 8.75 1024 10 1024 (II) 2.302-2.32 2.345-2.36 5 512 10 1024 (III) 2.496-2.69 5 512 10 1024 (IV) 3.3-3.4 5 512 7 1024 10 1024 (V) 3.4-3.8 5 512 7 1024 10 1024
Bảng 2.4- Các thông số tần số của Mobile WiMAX
Như bảng trên, thông tin bổ sung như 5 dải tần số khác nhau được quyết định bởi WiMAX Forum cho IEEE 802-16e-2005 và kích thước thông thường FFT của băng mỗi thông cũng được đề cập. Thêm thông tin về việc phân bổ các băng tần số sử dụng trong triển khai WiMAX trên toàn cầu được trình bày ở hình 2.10.
SVTH: Trần Nguyễn Văn Đoài Trang 42
Hình 2.10- Phần trăm các dải tần số của hệ thống WiMAX
Dựa trên tính toán thực hiện ở trên, thông qua lý thuyết có thể đạt được, nhưng cần lưu ý rằng các thông tin overhead khác nhau được bao gồm trong việc triển khai cả hai lớp vật lý- phusical và MAC phải được loại bỏ để yêu cầu đạt thông lượng thực tế. Các thông lượng thực tế không thể có được cách chi tiết và tất cả chúng ta có thể làm được là ước tính một giá trị xấp xỉ.
Các giá trị overhead được thêm vào trong lớp vật lý như sau: Theo cấu trúc ký tự OFDM (Symbol OFDM) một tiền tố tuần hoàn (Cyclic refix) được thêm vào ký tự hữu ích (useful symbol) với một tỷ lệ G. Vì vậy, thông qua tính toán lý thuyết phải được giảm với một yếu tố của 4/5, 8/9, 16/17 hoặc 32/33 theo cấu hình CP để trích xuất các bit tải (payload bit) thực tế. Mặt khác, trong cấu hình OFDMA, không phải tất cả các sóng mang con được sử dụng để truyền dữ liệu. Vì vậy, dựa trên số lượng các sóng mang con dữ liệu trong mỗi băng thông kênh thông thực tế có thể được ước tính.
Ngoài ra các overhead lớp vật lý, lớp MAC giảm thông lượng lý thuyết vì sự tồn tại của các bit mào đầu, PDU headers và các bit mã CRC mặc dù tải dữ liệu. Những bit overhead được giao và không có một phương pháp chi tiết để xác định số lượng chính xác của họ. Tuy nhiên, trong chương sau một ước lượng tốt được trình bày trong để loại bỏ chúng.
SVTH: Trần Nguyễn Văn Đoài Trang 43
2.5.2 VÙNG BAO PHỦ
Mối quan hệ sau giữ cho tất cả các đường dây truyền dữ liệu bao gồm các kênh không dây- wirreless channel .
Pr = Pt + Gr - PL +Gr (2.7) Trong đó:
Pr là giá trị công suất thu nhỏ nhất phía thu nhận được. Pt là công suất phía phát.
Gr là độ lợi phía thu. PL là giá trị Pathloss.
Độ nhạy phía thu (Sensitivity) hay giá trị công suất phía thu nhỏ nhất có thể tính toán theo công thức sau:
𝑃𝑟,𝑚𝑖𝑛 = −114 + 𝑆𝑁𝑅 − 10𝑙𝑜𝑔𝑅 + 10𝑙𝑜𝑔 (𝐹𝑠𝑁𝑢𝑠𝑒
𝑁𝐹𝐹𝑇 ) + 𝐼𝑚𝑝𝐿𝑜𝑠𝑠 + 𝑁𝐹(2.8)
Như có thể thấy Pr min phụ thuộc nhiễu phía nhận SNR, SNRRx. Điều đó được xác định trong các tiêu chuẩn dựa trên mức điều chế khác nhau và tỷ lệ mã hóa kênh.
ImpLoss là độ giảm thực hiện, trong đó bao gồm các hiệu ứng thu không lý tưởng như lỗi ước lượng kênh, theo dõi lỗi, lỗi lượng tử hóa, và nhiễu phase. Giá trị giả định là 5 dB. NF là nhiễu máy thu hình, tham chiếu đến giá trị giả định port anten. Giá trị giả định là 8 dB. Pt, Gr, Gr là những sản phẩm giá trị cụ thể được giới thiệu với các nhà sản xuất.
Giá trị Pathloss (PL) ở đây, nói chung, liên quan đến tất cả các loại khác nhau của các suy hao trong các máy phát và nhận bao gồm tổn thất quy mô lớn và cũng có tác động mờ dần- fading và không chỉ mất mát gây ra bởi khoảng cách. Tuy nhiên, trong khoảng cách ngắn và vì đơn giản, trong mô hình hóa không gian tự do- Free Space Model các vật cản giữa các máy phát và thu được bỏ qua.
PL(d) = 32,44 + 20 log10(𝑓) + 20 log10(𝑑) (2.9)
Mối quan hệ trên pathloss môi trường không gian tự do tính với khoảng cách d (cell range) phụ thuộc vào chức năng. Điều đó ngụ ý rằng, có công suất nhỏ nhất
SVTH: Trần Nguyễn Văn Đoài Trang 44 nhận được từ công thức (2.8), pathloss tối đa có thể được tính toán bằng cách sử dụng công thức (2.7). Cuối cùng, giá trị lớn nhất dải cell với phạm vi giá trị (d), trong đó giới thiệu bán kính phủ sóng của chúng tôi có thể được tính toán bằng cách sử dụng (2.9), trong đó tham số f đại diện cho tần số sóng mang được sử dụng.
Thay vì mô hình không gian tự do có rất nhiều mối quan hệ được biết khác nhau để tính toán pathloss tối đa được gọi là Mô hình lan truyền- Propagation Models. Các thông số khác được định nghĩa trong mô hình như vậy để xem xét các tác động môi trường trong các tính toán của chúng tôi. Các tham số này chia môi trường được nghiên cứu vào các đô thị, khu vực ngoại ô và nông thôn. Hệ số khác có mặt trong các phương pháp tính toán khác nhau pathloss cho phù hợp với điều kiện tốt nhất có thể như: chiều cao trung bình anten của các trạm di động và trạm cơ sở, các loại địa hình từng khu vực, tần số và các yếu tố điều chỉnh mờ dần fading và vv. Một số ví dụ của các mô hình tuyên truyền là: COST-231 Hata hoặc Walfisch-Ikegami, mô hình SUI và mô hình suy hao multihop. Trong chương cuối cùng những giá trị có liên quan đến các ứng dụng WiMAX sẽ được kiểm tra.
2.6 ĐIỀU CHẾ VÀ MÃ THÍCH NGHI AMC
So sánh các mối quan hệ (Công thức 2.7) và (2.8) cho tốc độ dữ liệu và tính toán độ độ nhạy, cách tương ứng, người ta có thể ngoại suy một mối quan hệ quan trọng giữa tỷ lệ tối đa dữ liệu có sẵn và bán kính vùng phủ sóng. Từ khi Pr min là tỷ lệ thuận với tần số lấy mẫu Fs, và do đó băng thông cao BW sẽ cho kết quả trong thời gian ít hơn trong suốt điều chế ký tự và do đó tốc độ dữ liệu cao hơn. Mặt khác, có độ Pr min cao hơn có nghĩa giá trị nhỏ PL và hậu quả phạm vi cell nhỏ hơn. Nhìn chung, mang lại lợi ích băng thông cao hơn sẽ cung cấp tốc độ dữ liệu cao hơn với chi phí bán kính phủ sóng ngắn hơn. Tiên đề này là ý tưởng cơ sở cho các kỹ thuật AMC được sử dụng trong WiMAX để cung cấp thông lượng tối đa cho mỗi người dùng giao tiếp trong mạng. Để dùng mức điều chế khác nhau sử dụng các mức giá khác nhau mã hóa (52 nhóm hồ sơ- burst profile trong Bảng 2.2) được sử dụng dựa trên nhu cầu của khách hàng và khoảng cách từ các trạm cơ sở. Một thách thức chính trong AMC là kiểm soát có hiệu quả ba số lượng cùng một lúc: truyền tải điện- transmit power, truyền tải tỷ lệ- transmit rate (chòm sao-constellation), và tỷ lệ mã hóa- coding rate. Mức điều chế thích hợp cho mỗi SS được lựa chọn bởi các BTS cơ sở dựa trên CQICH nhận được mang thông tin phản hồi SNIR của kênh. Hình 2.11 minh họa bán kính phủ sóng của các cấp điều chế khác nhau xung quanh một BS. Điều chế thích nghi và công nghệ mã hóa làm tăng đáng kể công suất hệ thống tổng thể.
SVTH: Trần Nguyễn Văn Đoài Trang 45
Hình 2.11- Điều chế và mã hóa thích nghi
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 toán vùng che phủ được bởi mỗi mạng hệ thống điều chế, chúng tôi 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 toán suy hao đường truyền như sau:
Theo mô hình COST-231 Hata [Sẽ được giới thiệu thêm ở chương 4- Một vài mô hình truyền dữ liệu cho đường truyền không dây băng rộng]– như mô hình suy hao được kết hợp chặt chẽ. Mô hình COST-231 mở rộng của mô hình Hata- Okummura có chỉnh sửa phù hợp với môi trường nông thôn, ngoại ô và đô thị. Công thức tính toán cơ bản cho vùng nông thôn là:
PL[dB]=46.3 + 33.9log10(f) –13.82log10(hb) –ahm + 44.9-6.55log10(hb)log10(R) + Cm
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 môi trường thành thị, khi đó ta tính được cho môi trường ngoại ô và nông thôn 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 không có độ lợi. N là năng lượng nhiễu nhiệt (dB) tính theo công 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 công 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 mô tả được thuận lợi, chúng tôi xét theo ví dụ dựa trên băng thông cấp phép dành cho hệ thống mobile WiMAX tại tần số 2.5 Ghz và băng thông hệ thống tính toán cho 5 MHz. Tại băng thông 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 công 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 Đoài 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.
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 thông 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 mô phỏng chính xác là hầu như không 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 không phải là không đổi và thay đổi với số lượng người sử dụng một cách chưa thể dự đoán 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 toán thông lượng thực tế có vẻ là vô cùng khó khăn.
Trong chương này, báo cáo cố gắng trình bày một thuật toán 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 mô hình giao thông (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 mô hình lập kế hoạch. Từng bước loại bỏ phần mở đầu PHY và MAC được giải thích cho ước tính băng thông hữu ích. Cuối cùng, một mã Matlab mô phỏng để tính khả năng WiMAX di động trong cả DL và UL được trình bày trong phụ lục để giảm bớt công 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.