Theo các tiêu chuẩn thì WIMAX có thể hoạt động trong dải tần từ 2 GHz đến 11 GHz. Tuy nhiên ở các dải tần này thì WIMAX bị cạnh tranh bởi các dịch vụ khác như thông tin vệ tinh, thông tin di động thế hệ sau.
Ngồi ra cịn một số nhược điểm khác của WIMAX nữa khiến cho WIMAX dù là một cơng nghệ mang tính ưu việt cao nhưng vẫn chưa thực sự phổ biến và đem lại hiệu quả.
c. Các ứng dụng chủ yếu của WIMAX
1. Truy nhập Internet tốc độ cao. Với các đặc tính kỹ thuật cao thì WIMAX hồn tồn có thể thay thế ADSL để truy nhập Internet, đặc biệt ở những nơi có khó khăn cho việc triển khai cáp hữu tuyến hoặc đối với những nơi công cộng, người sử dụng lưu động.
58
2. Gọi điện thoại qua IP. Dịch vụ VoIP dựa trên hạ tầng của WIMAX. Người sử dụng có thể sử dụng máy điện thoại IP-Phone để nói chuyện thông qua việc kết nối bằng WIMAX.
3. Video Streaming. Hiện nay xem ti vi trực tuyến trên các thiết bị cầm tay, xách tay hoặc trên máy tính là rất nhiều, tuy nhiên với các công nghệ truy nhập hiện tại thì người sử dụng có khá nhiều khó khăn để xem tốt được vì sự hạn chế của cơng nghệ đường truyền, vì chất lượng dịch vụ… WIMAX với khả năng cung cấp đường truyền tốc độ cao với chất lượng tốt sẽ trở thành kênh thông tin quan trọng.
4.Trao đổi dữ liệu – chia sẻ tài nguyên. Thiết lập các mạng diện rộng – WAN để cùng chia sẻ thông tin, tài nguyên của một doanh nghiệp là việc làm rất cần thiết. Đối với các doanh nghiệp lớn, có các chi nhánh ở các địa bàn khác nhau thì việc sẵn sàng về cáp hữu tuyến là khó khăn trong khi đó với tính ưu việt, triển khai nhanh và đơn giản của mình thì WIMAX có thể hoàn toàn đáp ứng được điều này.
2.3.3 WIMAX tại Việt Nam
a. WIMAX cố định
Tháng 03 năm 2006, Bộ bưu chính viễn thơng Việt Nam cấp phép cho 4 Tổng cơng ty, tập đồn thử nghiệm WIMAX cố định ở dải tần số 3,3÷ 3,4 (GHz) gồm: Tập đồn bưu chính viễn thơng Việt Nam VNPT, Tổng công ty truyền thông đa phương tiện VTC, Tổng công ty viễn thơng qn đội Viettel, Tập đồn FPT. Sau đó, cơng ty viễn thơng điện lực EVN cũng đã được cấp phép thử nghiệm WIMAX cố định.
59
Ngày 01 tháng 10 năm 2007, chính phủ đã giao cho Bộ Thông tin và Truyền thông làm các thủ tục cấp phép thử nghiệm WIMAX di động tại Việt Nam cho các nhà cung cấp dịch vụ, trong đó:
Tập đồn Bưu chính viễn thơng Việt Nam VNPT sẽ thử nghiệm tại dải tần số 2.5 GHz.
Bốn doanh nghiệp sẽ thử nghiệm ở dải tần 2.3 GHz là: Tổng công ty viễn thông quân đội Vietel, Tổng công ty truyền thông đa phương tiện, Tập đồn FPT, Cơng ty viễn thông điện lực EVN.
Chương 3
60
WIMAX gặp phải một khó khăn lớn về vấn đề thông tin đa người sử dụng: Có nhiều người sử dụng trong cùng một vùng địa lý yêu cầu tốc độ truyền dữ liệu cao trong một băng thông hạn chế. Các kỹ thuật đa truy nhập cho phép các người sử dụng chia sẻ băng thông khả dụng bằng cách phân chia cho mỗi người sử dụng phần nhỏ trong tổng tài nguyên hệ thống. Có thể thấy rõ ràng rằng có sự khác biệt giữa các phương thức đa truy nhập khác nhau. Các khác nhau tự nhiên của lưu lượng WiMAX biết trước như VOIP, truyền dữ liệu, luồng video và các thử thách bên ngoài khi triển khai hệ thống như tính di động, các tế bào lân cận, yêu cầu cao về hiệu quả băng thông… làm cho vấn đề đa truy nhập khá phức tạp trong WIMAX.
WIMAX sử dụng công nghệ OFDM ở giao diện vô tuyến để truyền tải dữ liệu và cho phép các thuê bao truy nhập kênh. Cũng có nhiều cơng nghệ khác nhau ở giao diện này như FDMA, TDMA, CDMA,… Tuy nhiên OFDM đã chứng tỏ là nó có những ưu việt hơn rất nhiều về tốc độ truyền, tỷ lệ lỗi bít, cũng như hiệu quả sử dụng phổ tần nên đã được IEEE chọn làm công nghệ truyền dẫn cho truyền thông vô tuyến băng rộng trong chuẩn IEEE 802.16.
OFDM không phải là phương thức đa truy nhập mà là một kỹ thuật điều chế mà tạo ra nhiều luồng dữ liệu độc lập mà có thể được sử dụng bởi các người sử dụng khác nhau. Các hệ thống OFDM ban đầu như là DSL, 802.11a/g và các phiên bản của 802.16/WIMAX sử dụng OFDM đơn người sử dụng: tất cả các sóng mang con được sử dụng bởi người sử dụng đơn tại một thời điểm. Các người sử dụng tại cùng một địa điểm chia sẻ băng thông hệ thống bằng cách truyền dẫn vào các thời điểm khác nhau sau khi tranh giành kênh.
Trong phiên bản tiếp theo là WIMAX 802.16e, một phương pháp đa truy nhập khác đã được ứng dụng là đa truy nhập phân chia tần số trực giao (OFDMA). Đây là công nghệ được phát triển dựa trên kỹ thuật OFDM mà
61
trong đó các người sử dụng chia sẻ các sóng mang con và các khe thời gian với nhau.
Phiên bản 802.16e công bố cuối năm 2005, WIMAX đưa ra sự hỗ trợ với SOFDMA (một biến thể của OFDMA) có tính đến số lượng các sóng mang có thể biến đổi.
Trong chương này, đồ án sẽ tập trung vào các kỹ thuật cơ bản là OFDM, OFDMA, SOFDMA và phương thức đa truy nhập trong WIMAX. 3.1. HỆ THỐNG WIMAX THEO TIÊU CHUẨN 802.16X
Trong những phiên bản đầu, IEEE 802.16 được quy định hoạt động trong điều kiện tầm nhìn thẳng (LOS) với băng tần số cao từ 10GHz đến 66GHz. Đến phiên bản IEEE 802.16e, hệ thống đã được thiết kế để hoạt động trong dải tần từ 2 GHz đến 6 GHz. Ý nghĩa quan trọng của sự khác nhau giữa hai băng tần trên đó là khả năng hỗ trợ trong điều kiện không thẳng (NLOS) và ở tần số thấp khi mà các thiết bị không thể thực hiện được ở tần số cao.
Mơ hình tham chiếu chuẩn 802.16e của WiMAX di động chỉ tập trung vào hai lớp:
• Lớp vật lý PHY: thực hiện chức năng điều khiển truyền dẫn vô tuyến.
• Lớp điều khiển truy nhập phương tiện MAC: thực hiện chức năng quản lý, bảo mật, kết nối các mạng khác với 802.16.
Hình 3.1 mơ tả cấu trúc tổng quát hệ thống WIMAX theo thứ tự các lớp.
62
Hình 3.1 Cấu trúc lớp PHY và MAC theo chuẩn 802.16x 3.1.1 Lớp vật lý PHY (Physical)
Lớp vật lý WIMAX được 802.16 định nghĩa có ba biến thể.
• WirelessMAN - SCa: giao diện được điều chế đơn sóng mang. • WirelessMAN - OFDM: 256 sóng mang, đa truy nhập của nhiều
trạm thuê bao khác nhau dựa trên kỹ thuật TDMA. Phương thức OFDM được WIMAX Forum lựa chọn cho các mô tả đầu tiên dựa trên 802.16 - 2004 (trước đây là 802.16 REVd).
• WirelessMAN - OFDMA: 2048 sóng mang. Đa truy nhập dựa trên việc cung cấp một tập các sóng mang con tới các trạm thu riêng lẻ (phương thức đa truy nhập OFDMA).
Nhằm thỏa mãn yêu cầu truyền trong điều kiện khơng nhìn thẳng (NLOS) và khả năng di động, chuyển vùng ở khoảng cách lớn (có thể lên tới
63
50 Km), lớp vật lý của WIMAX đã được ứng dụng các công nghệ điều chế, chống nhiễu và các hệ thống anten thông minh nhằm đạt được chất lượng tốt nhất.
Ø WIMAX hỗ trợ nhiều phương thức điều chế/truy nhập. Các phương thức điều chế được sử dụng như BPSK, QPSK, 16 QAM, 64 QAM… ứng với điều kiện của kênh truyền. Kênh tốt truyền tốc độ cao, kênh tồi truyền tốc độ thấp.
Ø Hỗ trợ truyền dẫn đa đường trong môi trường NLOS: Đối với truyền dẫn đa đường sóng vơ tuyến thường gây ra hiện tượng nhiễu tại đích đến, đây là một vấn đề cần giải quyết trong môi trường NLOS. Chuẩn 802.16e thêm vào các đặc điểm ở giao diện vô tuyến mới để giải quyết được vấn đề này và hỗ trợ cho các anten thông minh.
Ø Ghép kênh: WIMAX hỗ trợ cả hai phương thức ghép kênh TDD và FDD. TDD: kênh uplink và downlink chia sẻ 1 kênh tần số nhưng không phát đồng thời. FDD: hoạt động trên 2 kênh tần số tách biệt.
Ø Cấp phát băng tần kênh linh hoạt. Lớp vật lý hỗ trợ băng tần kênh với độ rộng linh hoạt (từ 3,5 đến 10 MHz). Điều này cho phép nhà khai thác sử dụng tiết kiệm băng tần hạn chế.
Ø Hiệu năng cụm (Robust Performance): Lớp vật lý sử dụng điều chế thích ứng theo mỗi cụm và áp dụng các phương pháp sửa lỗi trước, thay đổi theo các phương thức mã hoá tiên tiến. Điều này đảm bảo sự phục vụ cho giao diện vơ tuyến trong khi có thể tối đa dung lượng cho mỗi SS.
Các kỹ thuật được áp dụng trong WIMAX và ưu điểm của chúng được tóm tắt trong bảng 3.1.
64
Bảng 3.1
Tính năng lớp vật lý PHY
TÍNH NĂNG ƯU ĐIỂM
Truy cập OFDM
Hỗ trợ truyền dẫn đa đường trong mơi trường LOS và NLOS
Điều chế thích ứng và mã hoá sửa lỗi trước theo cụm
Đảm bảo các khung vô tuyến trong khi tối đa tốc độ bit/s cho mỗi thuê bao.
Hỗ trợ ghép kênh FDD và TDD
Hai phương pháp này đang được sử dụng rộng rãi, đem lại hiệu quả cao. Kích thước băng tần kênh
linh hoạt:
3,5MHz, 5MHz, 10MHz
Hỗ trợ việc sử dụng tiết kiệm băng tần hạn chế mà các nhà khai thác được
cấp phép
Được thiết kế để hỗ trợ các hệ thống anten thơng minh
Giảm chi phí và tăng độ lợi ở hệ thống, đặc biệt quan trọng khi triển khai mạng
băng rộng.
3.1.2. Lớp điều khiển truy nhập phương tiện MAC (Media Access Control) Control)
WIMAX đưa ra cùng một lớp MAC cho tất cả các lớp vật lý (đơn sóng mang, 256 OFDM và 2048 OFDMA). Lớp MAC này là kết nối được định hướng và dùng cho kết nối điểm - đa điểm. MAC có thể điều khiển chất lượng dịch vụ.
65
Lớp con hội tụ: làm nhiệm vụ chuyển đổi các gói tin từ các định dạng của mạng khác thành gói tin định dạng theo 802.16e và chuyển xuống lớp dưới. Hỗ trợ yêu cầu kết nối với các hệ thống khác tới mạng IP, ATM... Lớp con hội tụ được chuẩn 802.16e định nghĩa một cách tổng thể là để ánh xạ các dịch vụ đến và từ những kết nối MAC 802.16e. Một ánh xạ ở đây có thể hiểu là một kết nối 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 chuỗi nhận dạng kết nối (CID - Connection Identifier), có độ dài 16 bit. Nhiệm vụ chủ yếu của lớp này là phân loại các đơn vị dịch vụ dữ liệu (SDU - Service Data Unit), ánh xạ nó vào một kết nối MAC thích hợp, tức là vào một CID, đảm bảo cho việc xử lý QoS và cho phép định vị dải thông.
Lớp con phần chung: cung cấp các chức năng như truy cập, phân bố băng thơng, thiết lập, quản lý kết nối. Nhìn chung về kiến trúc tổng thể MAC 802.16e được thiết kế để hỗ trợ kiến trúc “điểm - đa điểm” với một BS trung tâm điều khiển nhiều khu vực độc lập đồng thời.
Lớp con bảo mật: cung cấp các cơ chế chứng thực, trao đổi khoá và mã hoá. Thực hiện chức năng ngăn chặn sự truy cập trái phép và nhận thực truy cập trong suốt quá trình thiết lập kết nối, ngồi ra cịn thực hiện chức năng điều khiển mật mã dữ liệu. Lớp con bảo mật cung cấp cho người sử dụng khả năng bảo mật và chứng thực thơng qua mạng khơng dây diện rộng. Nó có thể thực hiện được những điều này bởi được ứng dụng các chuyển đổi mã hoá cho MAC khi truyền dẫn qua các kết nối giữa SS và BS.
3.2. CÁC CÔNG NGHỆ ĐA TRUY NHẬP TRONG WIMAX 3.2.1. Công nghệ OFDM 3.2.1. Công nghệ OFDM
66
Một trong những yêu cầu chính trong hệ thống vơ tuyến băng rộng thế hệ thứ 2 là khả năng hoạt động trong điều kiện có tầm nhìn thẳng (LOS) và điều kiện khơng có tầm nhìn thẳng (NLOS). Hoạt động trong các điều kiện như vậy là một vấn đề gây rất nhiều khó khăn và hạn chế đối với các nhà khai thác viễn thông khi cung cấp dịch vụ cho các khách hàng.
Vấn đề ở đây là nhiễu và truyền dẫn đa đường, một số công nghệ trước đây cũng đã đưa ra giải pháp điều chế sóng mang đơn dùng cho các ứng dụng NLOS nhưng cũng chưa mang lại hiệu quả cao. Sự ra đời của kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) còn được gọi là kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao OMCM (Orthogonal Multi- Carrier Modulation) đã giải quyết được vấn đề này.
Về bản chất OFDM là kỹ thuật ghép kênh, tựa như FDM song với các sóng mang trực giao trên miền tần số. Phát hiện về khả năng có thể FDM với các sóng mang chồng lấn, và đặc biệt là chỉ rõ ra rằng tín hiệu OFDM về bản chất có thể sử dụng IFFT để thực hiện ở phía phát và FFT để giải ở đầu thu lần đầu tiên được Ebert và Weinstein đưa ra năm 1971. Gần đây OFDM mới trở nên phổ biến, bởi các nhà sản xuất có thể cung ứng ra thị trường những IC với chi phí rất kinh tế nhưng vẫn có thể đáp ứng được những hoạt động số tốc độ cao. Ngày nay, công nghệ này được sử dụng trong các hệ thống ADSL cũng như trong các hệ thống không dây như 802.11 a/g (Wi-fi) và 802.16 (WIMAX). Dạng tín hiệu OFDM được biểu diễn ở hình 3.2.
67
(a) (b) (c) Hình 3.2 Phổ của một sóng mang (a) và của tín hiệu OFDM (b,c) Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao này được thực hiện bằng cách chia dòng số liệu truyền đi thành nhiều các dòng số liệu song song với tốc độ dữ liệu giảm đi. Mỗi một dịng dữ liệu này sau đó được truyền lên những sóng mang riêng biệt, được gọi là các sóng mang con (Sub– carrier). Các sóng mang này được điều chế trực giao với nhau bằng cách chọn tần số cách quãng thích hợp giữa chúng, nghĩa là các kênh con được xếp đặt trên miền tần số cách nhau một khoảng đều đặn sao cho điểm cực đại của một kênh con là điểm khơng của kênh con lân cận. Những sóng mang này sau đó ghép thành các kênh tần số để truyền vô tuyến.
Điều này làm nguyên lý trực giao thoả mãn và cho phép chồng phổ giữa các sóng mang vì tính trực giao vẫn đảm bảo cho thiết bị thu nhận có thể phân biệt được các sóng mang con OFDM và khơi phục lại các tín hiệu này. Nhờ sự trực giao này mà hiệu quả sử dụng phổ tín hiệu của tồn bộ hệ thống tăng lên rõ rệt mà không gây ra nhiễu.
Trong OFDM việc điều chế được thực hiện ở trước khối IFFT (có thể là điều chế QPSK hay M-QAM...). Sau đó dịng thơng tin cần truyền đi được chia thành N dòng con song song điều chế N sóng mang con, thực chất là biến các dịng dữ liệu con thành các hệ số (phức) của IFFT.
68
Một ký hiệu OFDM được tạo thành từ các sóng mang con. Số lượng các sóng mang con phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ rộng kênh và mức độ nhiễu. Con số này tương ứng với kích thước FFT (Fast Fourier Transformer). Chuẩn giao tiếp vơ tuyến 802.16-2004 xác định rõ 256 sóng mang con, tương ứng với kích cỡ FFT 256 độ rộng kênh độc lập. Theo cách khác, chuẩn 802.16e- 2005 cung cấp các kích cỡ FFT từ 512 tới 2048 phù hợp với các độ rộng kênh từ 1.25 tới 20MHz để duy trì tương đối khoảng thời gian không đổi của ký tự và khoảng dãn cách giữa các sóng mang con độc lập với độ rộng kênh. Bảng 3-2 chỉ ra các kích cỡ FFT tương ứng với độ rộng kênh.
Bảng 3-2 Các băng thông kênh được hỗ trợ
Băng thơng kênh (MHz) Kích cỡ FFT
1,25 128
5 512
10 1024
20 2048
Sự kết hợp của các sóng mang con trực giao truyền song song với các ký tự có khoảng thời gian dài đảm bảo rằng lưu lượng băng thông rộng không bị hạn chế do môi trường bị che chắn tầm nhìn (NLOS) và nhiễu do hiện