Hình 2.1 cho thấy mô hình tham chiếu mạng NRM (Network Reference
Model) là một cách biểu diễn logic kiến trúc mạng. NRM nhận dạng các thực thể chức năng và các điểm tham chiếu giữa các thực thể chức năng dựa trên khả năng tương tác nào đạt được. NRM chia hệ thống đầu cuối tới đầu cuối thành 3 phần logic: (1) các trạm di động được sử dụng bởi các thuê bao để truy cập làm
việc; (2) mạng dịch vụ truy cập ASN (Acess Service Network) được điều khiển
bởi một NAP và bao gồm một hoặc nhiều hơn các trạm gốc và có một hoặc nhiều hơn các gateway ASN để hình thành mạng truy cập vô tuyến; và (3) mạng
dịch vụ kết nối CSN (Connectivity Service Network) được điều khiển bởi một
NSP và cung cấp các kết nối IP và tất cả các chức năng mạng lõi IP. Các thuê bao được phục vụ bởi CSN thuộc về NSP vãng lai; các thuê bao thuộc về NSP thường trú. Trong trường hợp không roaming, các NSP thường trú và vãng lai là một và giống nhau.
a, Các chức năng, các phân tích và các cấu hình ASN
ASN hình thành các chức năng sau:
• Kết nối lớp 2 dựa trên IEEE 802.16e-2005 với MS
• Lựa chọn và phát hiện mạng của CSN/NSP được yêu thích của thuê bao
• Proxy AAA (Authentication, Authorization, and Accounting): vận chuyển
thiết bị, người sử dụng và các khả năng dịch vụ tới các AAA NSP được chọn và lưu trữ tạm thời các cấu hình của người sử dụng.
• Gán và quản lý nguồn vô tuyến RRM (Radio Resource Manegement) dựa trên yêu cầu và/hoặc chính sách QoS từ NSP và ASP
• Các chức năng liên quan tới di động như chuyển vùng, quản lý vùng và
paging trong ASN, bao gồm việc hỗ trợ cho IP di động
ASN có thể được phân tích thành một hoặc nhiều trạm gốc (BS) và một hoặc nhiều gateway ASN (ASN-GW). NRM WiMAX định nghĩa đa cấu hình cho ASN, mỗi cấu hình đòi hỏi một sự phân tích các chức năng khác nhau trong ASN. Cấu hình ASN B đòi hỏi một thực thể đơn kết hợp với BS và ASN-GW. Cấu hình A và C chia các chức năng giữa BS và ASN-GW khác nhau không đáng kể, đặc biệt là các chức năng liên quan tới việc quản lý khả năng di động và quản lý nguồn vô tuyến.
BS được định nghĩa như là việc biểu diễn một sector với việc thực hiện gán tần số giao diện IEEE 802.16e tới MS. Cùng với các chức năng được điều
khiển bởi BS trong cả 2 cấu hình này bao gồm việc lập lịch cho đường lên,
đường xuống, sự phân loại lưu lượng, và việc quản lý luồng lưu lượng SFM (Service Flow Management) bằng cách hoạt động như là điểm nâng cao chính sách QoS PEP (Policy Enforcement Point) cho lưu lượng thông qua giao diện vô tuyến, cung cấp các trạng thái hoạt động đầu cuối (hoạt động, rỗi), hỗ trợ giao thức ngầm đối với ASN-GW, thu và phân phát khoá mã mật lưu lượng TEK (Traffic Encryption Key) và khoá mã mật cơ bản KEK (Key Encryption Key) tới
MS, phục vụ như proxy RSVP (Resource Reservation Protocol) cho việc quản lý
phiên và quản lý việc kết hợp nhóm multicast thông qua proxy giao thức quản lý
nhóm Internet IGMP (Internet Group Management Protocol). Một BS có thể
được kết nối tới nhiều hơn một ASN-GW cho việc cân bằng tải trọng hoặc các mục đích dư thừa.
Gateway ASN cung cấp việc quản lý location ASN và paging; hoạt động như là một server cho phiên mạng và quản lý di động; hình thành điều khiển thu nhận và lưu tạm thời các cấu hình thuê bao và các khoá mã mật; hoạt động như là một khách hàng cho việc quản lý di động/phiên; hình thành sự cho phép luồng
dịch vụ SFA (Service Flow Authorization) dựa trên cấu hình người sử dụng và
chính sách QoS; cung cấp chức năng foreign-agent và hình thành định tuyến (IPv4, IPv6) tới CSN được lựa chọn.
Cũng nên chú ý rằng gateway ASN có thể được phân tích một cách lựa
chọn thành 2 nhóm chức năng: các chức năng điểm quyết định DP (Decision
Point) và các chức năng điểm nâng cao EP (Enforcement Point). Các chức năng EP bao gồm các chức năng kế hoạch tải tin, và các chức năng DP có thể bao gồm các chức năng điều khiển kế hoạch không thông báo. Khi được phân tích theo
một cách như vậy thì các chức năng DP có thể được chia sẻ thông qua các đa
gateway ASN. Các ví dụ chức năng DP bao gồm việc quản lý gán trong ASN và paging, điều khiển nguồn vô tuyến địa phương và điều khiển truy cập, quản lý di động/phiên mạng (server), cân bằng tải trọng vô tuyến cho các quyết định chuyển vùng, chiếm giữ tạm thời cấu hình thuê bao và các khoá mã mật, và khách hàng/proxy AAA. Các ví dụ về các chức năng EP bao gồm việc thiết lập và quản lý ngầm di động với các BS, việc quản lý di động/phiên (khách hàng), cải thiện chính sách và QoS, foreign-agent và định tuyến tới CSN được lựa chọn.
b, Các chức năng CSN
• Gán địa chỉ IP tới MS cho các phiên người sử dụng
• Proxy AAA và server cho việc nhận thực, sự cho phép và tính toán (AAA)
• Quản lý QoS và chính sách dựa trên các thoả thuận mức dịch vụ SLA (Service-Level Agreements) hoặc với người sử dụng. CSN của NSP thường trú phân phối cấu hình thuê bao tới NAP một cách trực tiếp hoặc thông qua NSP vãng lai
• Tính cước thuê bao và thiết lập bộ tương tác
• Tunneling giữa CSN để hỗ trợ roaming giữa các NSP
• Quản lý di động giữa ASN và chức năng đại lý home IP di động
• Cơ sở hạ tầng kết nối và điều khiển chính sách cho các dịch vụ như truy
cập Internet, truy cập tới các mạng IP khác, các dịch vụ dựa trên việc định vùng, chia sẻ ngang hàng, mạng riêng ảo VPN (Virtual Private Network), các dịch vụ đa phương tiện IP, cải thiện luật và việc thông báo
c, Các điểm tham chiếu
NWG WiMAX định nghĩa điểm tham chiếu RP (Reference Point) như là
một đường truyền dựa trên khái niệm kết nối 2 nhóm chức năng có trong các thực thể chức năng khác nhau của ASN, CSN, hoặc MS. Các điểm tham chiếu không cần một giao diện vật lý Diễn đàn WiMAX sẽ kiểm tra khả năng liên thông của tất cả các RP mở rộng chỉ dựa trên các giao thức và các thủ tục được tiêu chuẩn hoá cụ thể cho một khả năng được hỗ trợ trên một RP được mở rộng.
Hình 2.1 Mô hình tham chiếu mạng WiMAX
Hình 2.1 cho thấy một số lượng các điểm tham chiếu được định nghĩa bởi NWG WiMAX. Các điểm tham chiếu này được liệt kê trong bảng 2.1. Release 1 sẽ cải thiện khả năng liên thông thông qua R1, R2, R3, R4, và R5 cho tất cả các cấu hình thực hiện ASN. Các điểm tham chiếu khác có thể lựa chọn và có thể không được cụ thể hoá và/hoặc được kiểm tra cho Release 1.
Bảng 2.2 Các điểm tham chiếu WiMAX
RPs Các điểm đầu
cuối
Mô tả
liên quan tới kế hoạch quản lý.
R2 MS và CSN Dành cho việc nhận thực, cho phép, quản lý cấu hình
host IP và quản lý di động. Chỉ có một giao diện logic và không có một giao diện giao thức trực tiếp nào giữa MS và CSN.
R3 ASN và CSN Hỗ trợ AAA, nâng cao chính sách, và các khả năng
quản lý di động. R3 chứa các phương pháp kế hoạch tải tin để vận chuyển dữ liệu IP giữa ASN và CSN.
R4 ASN và ASN Một tập hợp các giao thức kế hoạch điều khiển và tải tin
bắt đầu và kết thúc trong các thực thể khác nhau trong ASN phối hợp khả năng di động giữa các ASN. Trong Release 1, R4 là giao diện tương tác duy nhất giữa các ASN không đồng nhất hoặc không tương tự nhau.
R5 CSN và CSN Một tập hợp các giao thức kế hoạch điều khiển và tải tin
cho khả năng phối hợp hoạt động giữa mạng thường trú và mạng vãng lai.
R6 BS và ASN-
GW
Một tập hợp các giao thức kế hoạch điều khiển và tải tin cho việc trao đổi thông tin giữa BS và ASN-GW. Kế hoạch tải tin bao gồm đường dữ liệu trong ASN hoặc các tunnel các ASN giữa BS và ASN-GW. Kế hoạch điều khiển bao gồm các giao thức cho việc quản lý tunnel di động (thiết lập, sửa đổi và giải phóng) dựa trên các hiện tượng di động MS. R6 cũng có thể hoạt động như là một đường cáp cho việc trao đổi thông tin các trạng thái MAC giữa các BS lân cận.
R7 ASN-GW-DP
và ASN-GW-
Một tập hợp có thể lựa chọn các giao thức kế hoạch điều khiển cho việc phối hợp giữa 2 nhóm chức năng
EP được xác định trong R6.
R8 BS và BS Một tập hợp các luồng bản tin kế hoạch điều khiển và
các luồng dữ liệu kế hoạch tải tin giữa các BS để đảm bảo chuyển vùng nhanh và liên tục. Kế hoạch tải tin bao gồm các giao thức cho phép việc vận chuyển dữ liệu giữa các BS liên quan tới việc chuyển vùng của một MS nhất định. Kế hoạch điều khiển này bao gồm giao thức trao đổi thông tin giữa các BS được định nghĩa trong IEEE 802.16e-2005 và các giao thức bổ sung cho phép việc điều khiển vận chuyển dữ liệu giữa BS liên quan tới việc chuyển vùng của một MS nhất định.
CHƯƠNG 3
ỨNG DỤNG OFDM TRONG WiMAX 3.1 Tại sao phải ứng dụng OFDM 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 cập kênh. Có nhiều công nghệ khác nhau ở
rất nhiều về tốc độ truyền, tỷ lệ lỗi bit, 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. Trong các môi trường truyền dẫn, môi trường vô tuyến là một môi trường truyền dẫn khắc nghiệt nhất. Nó gây suy hao tín hiệu về biên độ cũng như suy hao lựa chọn tần số, kèm theo các hiệu ứng pha đinh đa đường. Sự suy hao này đặc biệt tăng nhanh theo khoảng cách và ở tần số cao, ngoài ra còn tùy thuộc vào địa hình là thành thị, đồng bằng hay miền núi mà sự suy giảm cũng khác nhau.
Hình 3.1 Suy giảm tín hiệu theo khoảng cách
Hình 3.1 là kết quả nghiên cứu trên các hệ thống ISM tần số 2,4 GHz và UNII tần số 5,4 GHz, minh hoạ sự suy giảm theo khoảng cách trong không gian tự do.
Trong môi trường truyền dẫn đa đường, nhiễu giữa các symbol (ISI) gây bởi tín hiệu phản xạ có thời gian trễ khác nhau theo các hướng khác nhau từ máy phát đến máy thu là điều không thể tránh khỏi. Ảnh hưởng này làm biến dạng hoàn toàn mẫu tín hiệu, dẫn tới việc khôi phục lại tín hiệu gốc ban đầu ở máy thu trở nên rất khó khăn. Các kỹ thuật sử dụng trải phổ trực tiếp DS-CDMA như trong chuẩn 802.11b rất dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu đa đường vì thời gian trễ có thể vượt quá khoảng thời gian của một symbol. OFDM sử dụng kỹ thuật truyền
song song nhiều băng tần con nên kéo dài thời gian truyền một ký tự lên nhiều
lần. Ngoài ra, OFDM còn chèn thêm một khoảng bảo vệ GI (guard interval)
thường lớn hơn thời gian trễ tối đa của kênh truyền vào giữa hai symbol nên nhiễu ISI bị loại bỏ hoàn toàn.
Nhiễu gây bởi pha đinh lựa chọn tần số cũng là một vấn đề gây ảnh hưởng lớn đến chất lượng truyền dẫn tín hiệu. Tuy nhiên, OFDM cũng mềm dẻo hơn CDMA khi giải quyết vấn đề này, bằng cách chia nhỏ độ rộng băng thông kênh có sẵn thành các kênh con, khi đó mỗi kênh con này chịu ảnh hưởng của pha đinh gần như là phẳng. OFDM có thể khôi phục lại kênh truyền thông qua tín hiệu dẫn đường được truyền đi cùng với dòng tín hiệu thông tin. Ngoài ra, đối với các kênh con suy giảm nghiêm trọng về tần số thì OFDM còn có một lựa chọn nữa để giảm tỷ lệ lỗi bit là giảm bớt số bít mã hoá cho một tín hiệu điều chế tại kênh tần số đó.
Ngoài hai đặc điểm nổi bật là khả năng chống nhiễu ISI, ICI (InterCarier Interference) và nâng cao hiệu suất sử dụng phổ, OFDM còn có các ưu điểm là cho phép thông tin tốc độ cao truyền song song với thông tin tốc độ thấp trên các kênh băng hẹp. Khi đó các kênh con có thể coi là các kênh pha đinh phẳng, nên ở máy thu chỉ cần sử dụng các bộ san bằng với cấu trúc đơn giản cũng có thể đảm bảo việc thu nhận thông tin một cách chính xác. Hệ thống OFDM chống được ảnh hưởng của pha đinh chọn lọc theo tần số và thực hiện điều chế tín hiệu đơn giản và hiệu quả nhờ sử dụng kỹ thuật biến đổi Fourier nhanh FFT.
Như vậy, OFDM là giải pháp kỹ thuật rất thích hợp cho truyền dẫn vô tuyến tốc độ cao như WiMAX.
3.2 Ứng dụng công nghệ OFDM trong WiMAX
Phần này tìm hiểu về việc công nghệ OFDM được ứng dụng trong các hệ thống WiMAX như thế nào. Mặc dù đơn giản về định nghĩa nhưng những phẩm chất của OFDM có thể gây hiểu lầm nếu không hiểu được mỗi bước xử lý tín hiệu. Để tạo cơ sở cho vấn đề này, chúng ta xem xét một hệ thống OFDM thông dải và sau đó đưa ra các giá trị cụ thể cho các thông số hệ thống quan trọng.
Hình 3.2 Máy phát băng gốc OFDM
Hình 3.2 minh hoạ một thiết bị điều chế thông dải. Đầu vào là L symbol
QAM độc lập (vectơ X), và L symbol này được coi như các sóng mang con riêng
biệt. Các symbol mang dữ liệu này có thể được hình thành từ một luồng bit bằng một bộ ánh xạ symbol và bộ chuyển đổi nối tiếp thành song song (S/P). Sau đó IFFT L điểm tạo ra L vectơ x miền thời gian, tức là chu kỳ được mở rộng để có chiều dài L(1+G), với G là phần mào đầu. Sau đó chuyển đổi song song thành nối tiếp các vectơ này để tạo ra một tín hiệu số băng rộng tập trung quanh một sóng vô tuyến đơn tại tần số sóng mang là fc =wc/ 2p.
Các thông số cơ bản được tổng kết trong bảng 3.2 cùng với một vài giá trị bằng số tiềm năng. Ví dụ, nếu điều chế QAM 16 được sử dụng thì tốc độ dữ liệu chưa xử lý của hệ thống WiMAX này sẽ là:
( ) 2 7 2 log 1 768log (16) 10 24 1024 1,125 d L M B R L G MHz Mbps = + = =
Trong đó B là độ rộng băng thông danh định, L là số lượng sóng mang con, Ld là các sóng mang con dữ liệu, M là bậc điều chế và G là độ dài khoảng phòng vệ.
Như vậy, mỗi sóng mang con trong Ld sóng mang con mang dữ liệu có độ
rộng băng thông B/L mang log ( )2 M bit dữ liệu. Một lượng thiệt hại tiếp đầu
thêm vào là (1 + G) phải được sử dụng cho tiếp đầu tuần hoàn vì nó bao gồm
thông tin thừa và không dùng để truyền dẫn các symbol dữ liệu thực sự.
Bảng 3.1 Tổng kết các thông số OFDM
Symbol Mô tả Mối quan hệ Giá trị WiMAX
B* Độ rộng băng thông danh
định
B = 1/TS 10 MHz
L* Số lượng sóng mang con Kích thước
IFFT/FFT 1024 G* % của L dành cho CP 1/8 Ld* Các sóng mang con L - pilot/null 768
TS Thời gian lấy mẫu TS = 1/B 1 μs
Ng Các symbol phòng vệ Ng = GL 128
Tg Thời gian phòng vệ Tg = TSNg 12,8 μs
T Thời gian symbol OFDM T = TS(L + Ng) 115,2 μs
BSC Độ rộng băng thông sóng
mang con
BSC = B/L 9,76 KHz
* biểu diễn các thông số WiMAX được cụ thể hoá, các thông số OFDM khác có
thể được rút ra từ những giá trị này.
Lớp vật lý WiMAX dựa trên OFDM. OFDM là sơ đồ truyền dẫn cho phép thông tin đa phương tiện, truyền video và dữ liệu tốc độ cao, và được sử dụng trong các hệ thống băng rộng thương mại khác nhau bên cạnh WiMAX, bao gồm
DSL, WiFi, truyền hình số mang xách được DVB-H (Digital Video Broadcast-
Handheld) và MediaFLO. OFDM là một sơ đồ hiệu quả và đơn giản cho việc