Công nghệ an ten thông minh điển hình liên quan đến véc tơ phức hoặc hoạt
động ma trận của tín hiệu do có nhiều an ten. OFDMA cho phép các hoạt động an ten thông minh đợc thực hiện trên các sóng mang con véc tơ phẳng. Không còn sự cân bằng phức để bù cho sự giảm âm theo tần số. Do đó, OFDMA rất phù hợp để hỗ trợ công nghệ an ten thông minh. Thực tế, MIMO-OFDM/OFDMA đợc xem nh là một nền móng cho hệ thống truyền thông băng rộng thế hệ tiếp theo. WiMAX di
động hỗ trợ một loạt các công nghệ an ten thông minh để tăng cờng khả năng thực hiện của hệ thống. Các công nghệ an ten thông minh đợc hỗ trợ bao gồm:
Tạo chùm: với tạo chùm, hệ thống sử dụng đa ăn ten để truyền các tín hiệu
đã đợc đo với mục đích cải thiện vùng phủ và dung lợng của hệ thống và giảm thiểu khả năng thất thoát.
Mã hoá không gian-thời gian (STC): Đa dạng truyền ví dụ nh mã hoá
Alamuoti, đợc hỗ trợ để cung cấp sự đa dạng về không gian và giảm độ mê.
Ghép kênh không gian(SM): ghép kênh không gian đợc hỗ trợ để tận dụng u điểm của tốc độ cao và tăng thông lợng. Với ghép kênh không gian, nhiều luồng sẽ đợc truyền qua đa an ten. Nếu bộ thu cũng có đa an ten, nó có thể tách rời các luồng khác nhau để thu đợc thông lợng cao sơn so với hệ thống chỉ có một an ten.
Với 2*2 MIMO, SM tăng thông lợng đỉnh lên 2 lần bằng cách truyền 2 luồng số liệu. Trong UL, thiết bị kết cuối chỉ có duy nhất một anten truyền dẫn, 2 thiết bị kết cuối có thể truyền kết hợp trong cùng 1 khe nếu 2 luồng đợc ghép kênh theo không gian từ 2 an ten của cùng một thiết bị kết cuối.
Các đặc điểm đợc hỗ trợ trong profile WiMAX di động đợc liệt kê trong bảng sau:
Link Beam forming Space Time Coding Spatial Multiplexing DL Nt >2, Nr>14 Nt=2, Nr>1
Matrix A
Nt=2, Nr>2
Matrix B, vertical encoding
UL Nt >1, Nr>2 N/A Nt=1, Nr>2
Two-user collaborative SM Bảng 3: Các tham số của an-ten thông minh
WiMAX di động hỗ trợ chuyển mạch thích ứng giữa các tuỳ chọn này để tối
đa hoá lợi ích của công nghệ an ten thông minh trong các điều kiện kênh khác nhau. Ví dụ, SM cải thiện thông lợng đỉnh. Tuy nhiên, khi điều kiện kênh kém, tỷ lệ lỗi gói PER có thể cao và do đó vùng phủ đạt PER mục tiêu có thể bị giới hạn. Mặt khác, STC cung cấp một vùng phủ lớn bất kể điều kiện kênh nh thế nào nhng lại không cải thiện đợc băng thông đỉnh. WiMAX di động hỗ trợ chuyển mạch thích ứng giữa phơng thức đa MIMO để tối đa hoá hiệu quả phổ mà không giảm đi vùng phủ. Hình 11, chỉ ra cấu trúc cho việc hỗ trợ các đặc điểm an ten thông minh. Bảng sau cung cấp tổng kết về tốc độ số liệu đỉnh về mặt lý thuyết cho nhiều loại tỷ lệ DL/UL với giả sử các kênh con PUSC, 46 ký hiệu dữ liệu OFDM và băng tần kênh 10 MHz. Với 2*2 MIMO, tốc độ số liệu đỉnh của thiết bị kết cuối và sector đợc gấp
đôi. Tốc độ số liệu đỉnh DL tối đa là 63.36 Mbps khi tất cả ký hiệu số liệu đợc dành cho DL. Với UL cộng tác SM, tốc độ đỉnh dữ liệu của UL sector gấp đôi trong khi tốc độ số liệu đỉnh thiết bị kết cuối là không đổi. Tốc độ số liệu đỉnh thiết bị kết cuối UL và tốc độ số liệu đỉnh sector là 14.92Mbps và 29.84 Mbps tơng ứng khi tất cả ký tự số liệu đều dành cho UL. Bằng cách áp dụng các tỷ lệ DL/UL khác nhau, băng tần có thể đợc điều chỉnh giữa DL và UL để đảm bảo cho các mẫu lu lợng khác nhau.
DL/UL Ratio 1:0 3:1 2:1 3:2 1:1 0:1
User
Peak SIMO DL 31.68 23.04 20.16 18.72 15.84 0
UL 0 4.03 5.04 6.05 7.06 14.11
MIMO DL 63.36 46.08 40.32 37.44 31.68 0
UL 0 4.03 5.04 6.05 7.06 14.11
Bảng 4: Cấu hình Data rate cho SIMO/MIMO
(Kênh 10MHz, khung 5ms, Kênh con PUSC, 44 ký hiệu dữ liệu OFDM)
2.4.2. Tái sử dụng phân đoạn tần số (fractional)
WiMAX di động hỗ trợ việc tái sử dụng tần số bằng một, nghĩa là mọi cell/
sector hoạt động trên cùng một kênh tần số để tối đa hiệu quả phổ. Tuy nhiên, do xuyên nhiễu kênh lớn (CCI) trong việc tái sử dụng tần số bằng một, thiết bị kết cuối tại biên của các cell có thể chịu sự suy giảm về chất lợng kết nối. Với WiMAX di
động, thiết bị kết cuối hoạt động trên các kênh con, chỉ chiếm một phần nhỏ trong toàn bé băng thông kênh, vấn đề xuyên nhiễu biên của cell có thể đợc giải quyết dễ
DL/UL Ratio 1:0 3:1 2:1 3:2 1:1 0:1
Sector
Peak SIMO DL 31.68 23.04 20.16 18.72 15.84 0
UL 0 4.03 5.04 6.05 7.06 14.11
MIMO DL 63.36 46.08 40.32 37.44 31.68 0
UL 0 8.06 10.08 12.10 14.12 28.22
Hình 8: Chuyển mạch thích ứng cho an-ten thông minh
dàng bằng việc sử dụng kênh với cấu hình phù hợp mà không phải dùng đến kế hoạch tần số truyền thống.
Trong WiMAX di động, tái sử dụng kênh con mềm dẻo đợc làm cho thuận tiện bằng các phân đoạn kênh con và vùng hoán vị. Một đoạn là một phân vùng của một kênh con OFDMA khả dụng (một đoạn có thể bao gồm tất cả các kênh con).
Một đoạn đợc sử dụng cho việc triển khai một MAC đơn.
Vùng hoán vị là một số các ký hiệu OFDMA liền kề trong DL hoặc trong UL mà sử dụng cùng hoán vị. Khung con DL hoặc UL có thể chứa nhiều hơn một vùng hoán vị nh đợc chỉ ra trong hình 9:
Hình 9: Kiến trúc khung đa vùng (Multi-Zone)
Mẫu tái sử dụng kênh con có thể đợc cấu hình để thiết bị kết cuối gần trạm gốc hoạt động tại vùng với tất cả kênh con khả dụng. Trong khi đối với thiết bị kết cuối biên, mỗi cell hoặc sector hoạt động trong vùng với một phần của tất cả các kênh. Trong hình 12 F1, F2, F3 đại diện các tập hợp kênh con trong cùng một kênh tần số. Với cấu hình này, tái sử dụng tần số nguyên tải một đợc duy trì cho thiết bị kết cuối trung tâm để tối u hoá hiệu quả của phổ và tái sử dụng phân đoạn tần số đ- ợc thực hiện cho thiết bị kết cuối biên để đảm bảo chất lợng kết nối thiết bị kết cuối biên và thông lợng. Kế hoạch sử dụng lại kênh con có thể đợc thực hiện tơng ứng qua các sector hoặc cell dựa trên tải và điều kiện can nhiễu của mạng. Do đó, tất cả
Khung con luồng xuống DL
Khung con luồng lên UL
Bắt buộc có trong khung Chuyển vùng IEs trong DL-MAP
các cell hoặc sector có thể hoạt động trên cùng một kênh tần số mà không cần kế hoạch tần số.
2.4.3. Dịch vụ Multicast và Broadcast (MBS)
MBS đợc hỗ trợ bởi WiMAX di động kết hợp các đặc điểm tốt nhất của DVB-H, Media FLO và 3GPP E-UTRA và thoả mãn các yêu cầu sau:
− Tốc độ số liệu và vùng phủ cao sử dụng mạng tần số đơn (SFN).
− Sự phân bổ mềm dẻo các nguồn tài nguyên vô tuyến
− Tiêu thụ công suất MS thấp
− Hỗ trợ casting-data, luồng video và audio.
− Thời gian chuyển mạch kênh thấp
Profile Mobile WiMAX phiên bản 1 xác định một bộ công cụ để bắt đầu chuyển giao dịch vụ MBS. Dịch vụ MBS có thể đợc hỗ trợ bằng cách hoặc xây dựng một vùng MBS riêng trong khung DL cùng với dịch vụ unicast (MBS) hoặc dành toàn bộ một khung cho MBS (chỉ có DL) cho riêng dịch vụ broadcast. Hình 12 chỉ ra việc xây dựng vùng DL/UL khi hỗn hợp dịch vụ broadcast và unicast đợc hỗ trợ.
Vùng MBS hỗ trợ phơng thức đa BS MBS sử dụng mạng tần số đơn (SFN) và độ dài mềm dẻo của vùng MBS cho phép linh hoạt đặt các nguồn tài nguyên vô tuyến tới l-
Hình 10: Tái sử dụng tần số
u lợng MBS. Cần đợc lu ý rằng đa vùng MBS cũng có thể khả thi. Có một ký hiệu
để nhận diện MAP IE vùng MBS trên mỗi vùng MBS. MS truy nhập DL MAP để xác nhận ban đầu các vùng MBS và các phân đoạn MBS MAP trong mỗi vùng. Sau
đó MS có thể đọc lần lợt MBS MAP mà không tham chiếu DL MAP trừ khi mất
đồng bộ với MBS MAP. MBS MAP IE chỉ ra cấu hình PHY vùng MBS và xác định phân đoạn của mỗi vùng MBS qua tham số bù ký tự OFDMA. MBS MAP đợc phân bổ tại kênh con đầu tiên của ký tự OFDM đầu tiên của vùng MBS liên quan. MBS
đa BS không yêu cầu MS đợc đăng ký tới bất cứ trạm gốc nào. MBS có thể truy cập khi MS trong chế độ Idle để tiêu thụ công suất thấp. Độ mềm dẻo của WiMAX di
động để hỗ trợ MBS tích hợp và dịch vụ unicast đa ra một loạt các ứng dụng.
Hình 11: MBS nhúng hỗ trợ bởi WiMAX di động - vùng MBS 2.5. Đánh giá khả năng hệ thống WiMAX di động
2.5.1. Tham số hệ thống WiMAX di động
Do WiMAX di động đợc dựa trên OFDMA có thể mở rộng cấp độ, nó có thể
đợc cấu hình mềm dẻo để hoạt động trên các băng tần khác nhau bằng cách điều chỉnh các tham số hệ thống. Chúng ta xem xét hệ thống WiMAX di động với các
đặc điểm sau nh là một trờng hợp nghiên cứu để đánh giá về mặt chất lợng của khả
năng thực hiện hệ thống WiMAX di động. Trong các bảng sau, bảng 5 cung cấp các
Khung con luồng xuống DL Khung con luồng lên UL
tham số hệ thống, bảng 6 tổng kết các tham số OFDMA, và bảng 7 chỉ ra mô hình kênh sử dụng để đánh giá.
Thông số Giá trị
Số lợng Cell 3 sector 19
Tần số hoạt động 2500 MHz
Ghép kênh TDD
Băng thông 10 MHz
Khoảng cách từ BS đến BS 2,8 km
Khoảng cách nhỏ nhất từ máy di động đến BS 36m
Kiểu antenna 70º (-3 dB) với hệ số trớc - sau là 20 dB
Chiều cao của BS 32m
Chiều cao máy đầu cuối di động 1.5m
Tăng ích của antenna BS 15 dBi
T¨ng Ých antenna MS -1 dBi
Công suất bộ khuyếch đại công suất lớn nhất BS 43 dBm Công suất bộ khuyếch đại công suất lớn nhất thiết
bị đầu cuối di động
23 dBm
# of BS Tx/Rx Antenna Tx: 2 hoặc 4; Rx: 2 hoặc 4
# of MS Tx/Rx Antenna Tx: 1 ; Rx: 2
Chỉ số ồn BS 4 dB
Chỉ số ồn MS 7 dB
Bảng 5: Thông số hệ thống Mobile WiMAX
Thông số Giá trị
Băng thông hệ thống (MHz) 10
TÇn sè lÊy mÉu (Fυ in MHz) 11.2
KÝch thíc FFT (NFFT) 1024
Số kênh con 10.94 kHz
Thời gian hiệu dụng (Tb = 1/f) 91.4 às
Giãn cách (Tg = Tb/8) 11.4 às
Độ rộng ký hiệu OFDMA (Ts= Tb + Tg) 102.9 às
Khoảng thời gian định khung 5 às
Sè ký tù OFDMA 48
DL PUSC Null Sub-carriers 184
Pilot Sub-carriers 120
Data Sub-carriers 720
Sub-channel 30
UL PUSC Null Sub-carriers 184
Pilot Sub-carriers 280
Data Sub-carriers 560
Sub-channel 35
Bảng 6: Thông số OFDMA
Thông số Giá trị
Kiểu truyền lan COST 231 Suburban
Log-Normal Shadowing SD (σs) 8 dB
BS Shadowing Correlation 0.5
Penetration Loss 10 dB
Bảng 7: Kiểu truyền lan 2.5.2. Ngân quỹ đờng link của WiMAX di động
Tính toán ngân quỹ đờng link sau đợc dựa trên các tham số hệ thống và mô
hình truyền trong bảng 7-9 trong phần 5.1. Giá trị 5.56 dB đợc sử dụng cho độ lệch biên trong bảng nhằm đảm bảo xác suất phủ là 75% tại các biên của cell và xác suất bao phủ 90% trên toàn bộ diện tích. Biên can nhiễu là 2dB cho DL và tơng ứng là 3dB cho UL với giả sử tái sử dụng tần số 1/3/1. Biên can nhiễu có thể đợc giảm xuống còn 0.2dB cho mô hình tái sử dụng 1/3/3 nhng với giá phải trả là giảm hiệu quả của phổ. Đa dạng marco thu đợc là 4 dB với giả sử suy hao tơng đối là 0,5dB.
Khoảng cell có thể đợc ớc đoán từ ngân quỹ kết nối dùng bất cứ model truyền (Propagation model) nào. Công cụ dự đoán khoảng cell này dựa trên các kết quả thí nghiệm trên băng tần 2GHz và không thể dự đoán chính xác trên băng tần 2.5GHz.
Mô hình Erceg-Greenstein là một mô hình đợc sử dụng rộng rãi trong băng tần số này và dự đoán khoảng cell lớn hơn xấp xỉ 70%. Một model hay đợc dùng để dự
đoán khoảng trong WiMAX di động sẽ đợc giới thiệu ở các phần dới đây.
Lu ý là ngân quỹ đờng kết nối tơng đơng băng thông DL là 4,32Mbps và băng thông UL là 109Kbps; các giá trị cao hơn một cách đáng kể so với hệ thống 3G. Băng thông rộng và tần số sóng mang cao hơn dẫn đến kết quả là cỡ cell nhỏ hơn một chút. Một chú ý nữa là tổn thất đờng truyền tối đa cho phép là 128.2dB, t-
ơng ứng với tốc độ số liệu biên của cell DL của 5.76Mbps và tốc độ số liệu biên cell UL của 115 kbps, cao hơn nhiều so với tốc độ số liệu của hệ thống 3G. Tốc độ số liệu cao hơn tại biên của cell và tần số mang cao hơn dẫn đến kích thức của cell nhỏ hơn. Nh là một sự lựa chọn nữa, dự phòng đờng truyền tốt hơn và kích thớc cell lớn hơn có thể đạt đợc tại tốc độ số liệu biên cell nhỏ hơn, nh đợc chỉ ra trong bảng 8 và 9.
§êng xuèng Mobile WiMAX
Cấu trúc trạm gốc MAP Lu lợng-PUSC Đơn vị
Công suất phát cho mỗi thành phần antenna 10.0 10.0 10.0 Watt
Số lợng thành phần Antenna phát 2 2 2
Hệ số liên kết theo chu kỳ 3.0 3.0 3.0 dB
Hệ số Antenna phát 15.0 15.0 15.0 dBi
Hệ số khuyếch đại công suất Pilot -0.7 -0.7 -0.7 dB
EIRP 57.3 57.3 57.3 dBm
Vùng hoán vị cơ sở PUSC PUSC PUSC
Số lợng sóng mang phụ bị chiếm 840 840 840
Công suất mỗi sóng mang phụ bị chiếm 28.1 28.1 28.1 dBm
Mobile Unit, (Handset Indoor)
Hệ số Antenna thu -1.0 -1.0 -1.0 dBi
Hệ số phân tập Antenna thu (2 Antenna) 3.0 3.0 3.0 dB
Chỉ số tạp âm máy thu 7.0 7.0 7.0 dB
Giới hạn
Log Normal Fade Margin 5.56 5.56 5.56 dB
Fast Fading Margin 6.0 2.0 2.0 dB
Interference Margin 2.0 2.0 2.0 dB
Penetration Loss 10.0 10.0 10.0 dB
Total Margin 23.56 19.56 19.56 dB
Độ nhạy máy thu di động
Tạp âm nhiệt 174 174 174 dBm/Hz
Sub-carrier Spacing 10.94 10.94 10.94 kHz
Modulation QPSK 1/8 QPSK 1/2 16QAM1/2
SNR Required -3.31 3.49 8.93 dB
Delta from limiting cell range distance 0.82 DL Trafic Data Rate
Rx Sensitivity (per sub-carrier) -129.9 -123.2 -117.7 dBm
Rx Sensitivity (composite) -100.7 -93.9 -88.4 dB
System Gain 160.0 153.3 147.8 dB
Maximum Allowable Path Loss 136.4 133.7 128.2 dB
Bảng 8: DL Link Budget for Mobile WiMAX
Mobile Units (Handset Indoor) FB Channel Traffic Full Allocation Units
Permutation Zone FB Channel PUSC PUSC
Sóng mang phụ sẵn có 70 840 840
Kênh phụ đợc chỉ định 2.5 3 9
Sóng mang phụ đợc chỉ định 70 72 216
Sóng mang dữ liệu đợc chỉ định 60 48 144
Công suất cho mỗi sang mạng phụ bị chiếm giữ
3.56 3.44 -1.33 dBm
Hệ số antenna thu 15.0 15.0 15 dBi
Hệ số phân tập antenna thu 3.0 3.0 3.0 dBi
Chỉ số tạp âm máy thu 4.0 4.0 4.0 dB
Giới hạn Log Normal Fade 5.56 5.56 5.56 dB
Giới hạn Fading nhanh 4.0 2.0 2.0 dB
Giới hạn nhiễu 3.0 3.0 3.0 dB
Penetration Loss 10.0 10.0 10.0 dB
Giới hạn tổng 22.56 20.56 20.56 dB
Tạp âm nhiệt -174 -174 -174 dBm/Hz
Không gian sóng mang phụ 10.94 10.94 10.94 kHz
Mobile Units (Handset Indoor) FB Channel Traffic Full Allocation Units
Modulation Type Ranging QPSK 1/8 QPSK 1/8
SNR Required -6.0 -2.5 -2.5 dB
Delta from limiting cell range distance 0.66
Tốc độ dữ liệu lu lợng UL 38 115 Kbps
Độ nhạy máy thu (cho mỗi sang mang phô)
-135.6 -132.1 -132.1 dBm
Độ nhạy máy thu (tổng hợp) -117.8 -111.1 -108.8 dBm
System Gain 157.2 153.5 148.8 dB
Maximum Allowable Path Loss 134.6 133.0 128.2 dB
Bảng 9: UL Link Budget for Mobile WiMAX
2.5.3. Độ tin cậy MAP WiMAX di động và tiêu đề
Thông tin điều khiển của WiMAX di động nằm trong trong định dạng của bản tin MAP tại nơi bắt đầu của mỗi khung. Bản tin MAP điều khiển sử phân bổ DL và UL. Bản tin MAP cho phép điều khiển mềm dẻo sự phân bổ nguồn tài nguyên trong cả DL và UL để cải thiện hiệu quả phổ và QoS.
Do bản tin MAP chứa thông tin phân bổ nguồn tài nguyên cho toàn bộ khung, độ tin cậy của bản tin MAP quan trọng sống còn đối với hệ thống. Vùng phủ kênh điều khiển DL đợc mô tả sử dụng cấu hình mô phỏng đợc đợc nêu trớc đó có thể có hoặc không có sự đa dạng truyền dịch vòng (CSTD). CSTD là ý tởng thích ứng về đa dạng độ trễ cho hệ thống OFDM. Với CSTD, mỗi phần tử an ten trong mảng truyền dẫn gửi một phiên bản dịch chuyển vòng tròn của cùng ký tự miền thời gian OFDM (với ký tự b), x(n, b) (0<=n<N-1, trong đó N là kích thớc FFT hệ thống). Ví dụ nếu có an ten truyền Mb tại trạm gốc và nếu anten 1 gửi một phiên bản không dịch chuyển của ký hiệu OFDM, thì anten m truyền cùng ký tự OFDM, nhng chuyển dịch vòng tròn trong miền thời gian bởi (m-1) D. Để ý rằng mỗi anten thêm một tiền tố vòng tròn sau khi chuyển dịch vòng tròn ký tự OFDM và do đó phần bảo vệ delay-spread đợc cung cấp bởi tiền tố vòng tròn không bị ảnh hởng bởi CSTD.
Hình 12: Giả lập hiệu quả trung bình của kênh điều khiển cho kênh TU
Hình 12 chỉ ra chức năng phân bố tích luỹ (CDF) của độ bao phủ kênh điều khiển cho nhiều tốc độ lặp lại với 1, 2, 4 anten sử dụng mô hình truyền sóng đợc xác định trong bảng 9. Có thể quan sát qua số liệu rằng dùng CSTD với 2 an ten thu và phát, mã R=1/2 CTC với sự lặp lại là 6, xấp xĩ 95% độ bao phủ cell đạt đợc tại
điểm hoạt động PER 1%. Do đó nên để ý rằng khả năng của MAP có thể đợc tăng cờng xa hơn bằng sử dụng bộ loại bỏ can nhiễu tại khối di động.
Kích thớc bản tin MAP là thay đổi. Kích thớc này thay đổi với các thiết bị kết cuối đợc phân bổ trong một khung. Khi một mạng bị bùng nổ lu lợng ví dụ nh là FTP và HTTP, thiết bị kết cuối đợc sắp xếp trên khung thờng là rất nhỏ (bé hơn 10).
Trong trờng hợp này, sự phân bổ nguồn tài nguyên đợc thực hiện hiệu quả nhất và bản tin MAP chủ yếu chứa tiêu đề MAP cố định. Tiêu đề MAP trong giả thiết này
điển hình là <10% trong một kênh 10Mhz với kích thớc khung 5 ms. Khi lu lợng VoIP chiếm u thế trong một mạng, số lợng thiết bị kết cuối đợc sắp xếp trên một khung có thể lớn. Tiêu đề MAP tăng tuyến tính theo số lợng thiết bị kết cuối.