Đây là một đặc điểm bổ sung cho IEEE 802.16e để hỗ trợ chuyển giao dễ dàng. Trong OFDM-TDMA và OFDMA, số lượng sóng mang con thường được giữ bằng nhau với phổ có sẵn. Số sóng mang con không thay đổi dẫn đến không gian sóng mang con thay đổi trong các hệ thống khác nhau. Điều này làm cho việc chuyển giao giữa các hệ thống gặp khó khăn. Ngoài ra, mỗi hệ thống cần một thiết kế riêng và chi phí cao.
OFDMA theo tỉ lệ xích (S-OFDMA) giải quyết các vấn đề này bằng cách giữ cho không gian sóng mang con không thay đổi. Nói cách khác, số sóng mang con có thể tăng hoặc giảm với những thay đổi trong một băng tần cho trước. Ví dụ, nếu một băng tần 5MHz được chia thành 512 sóng mang con, một băng tần 10MHz sẽđược chia thành 1024 sóng mang con.
Bởi vì không gian sóng mang con là giữ nguyên trong S-OFDMA nên một máy di động có thể chuyển giao giữa các hệ thống một cách suôn sẻ. Ngoài ra, với không gian sóng mang con không thay đổi, một thiết kế là phù hợp cho nhiều hệ thống và có thể tái sử dụng. Chi phí cho thiết kế và sản phẩm sẽ thấp hơn.
Cụ thể hơn thì S-OFDMA hỗ trợ một khoảng rộng băng thông để giải quyết một cách mềm dẻo việc phân chia phổ thay đổi và đáp ứng các yêu cầu khác hữu ích. Khả năng thay đổi tỷ lệ xích (scability) thực hiện bằng cách điều chỉnh kích thước FFT trong khi vẫn cố định khoảng cách tần số cho một sóng mang là 10.94 kHz. Do băng thông sóng mang con và độ dài của ký tự là cố định, tác động tới lớp cao hơn là nhỏ khi thay đổi băng tần. Các tham số S-OFDMA được mô tả trong bảng 3.1. Băng tần hệ thống của profile ban đầu được phát triển với phiên bản-1 là 5 và 10 MHz (được tô sáng trong bảng)
Parameters Values
System Channel Bandwidth (MHz) 1.25 5 10 20
FFT Size (NFFT) 128 512 1024 2048
Number of Sub-Channels 2 8 16 32
Sub-Carrier Frequency Spacing 10.94 kHz
Useful Symbol Time (Tb = 1/f) 91.4 microseconds
Guard Time (Tg =Tb/8) 11.4 microseconds
OFDMA Symbol Duration (Ts = Tb + Tg) 102.9 microseconds Number of OFDMA Symbols (5 ms Frame) 48
Bảng 2.1: Các tham số tỉ lệ OFDMA 2.4.5 So sánh OFDM và OFDMA
Theo kỹ thuật ghép kênh cơ bản thì OFDM được sử dụng cho định dạng 802.16 - 2004 rất phù hợp với các ứng dụng cốđịnh, trong khi chuẩn 802.16e lại sử dụng OFDMA lại đặc biệt thích hợp với mục đích ứng dụng trong di dộng và về bản chất OFDM ít phức tạp hơn so với SOFDMA.
Hình 2.11: Tương quan so sánh giữa OFDM và SOFDMA
OFDMA tạo cho các định dạng 802.16e linh hoạt hơn rất nhiều trong việc quản lý các dịch vụ người dùng khác nhau với nhiều kiểu anten và yếu tố hình dạng khác nhau, làm giảm bớt can nhiễu cho các thiết bị khách hàng có anten đẳng
hướng và khả năng truyền NLOS được cải thiện - những yếu tố rất cần thiết khi hỗ trợ các thuê bao di động. Việc tạo kênh phụ thuộc sẽ xác định các kênh con để có thể gán cho các thuê bao khác nhau, tùy thuộc vào trạng thái kênh và các yêu cầu dữ liệu của chúng. Điều này tạo điều kiện cho các nhà khai thác linh hoạt hơn trong việc quản lý băng thông và công suất phát, từđó dẫn đến việc sử dụng tài nguyên hiệu quả hơn.
Trong OFDM, tất cả các sóng mang đều được phát đi một cách song song với cùng một biên độ trong khi OFDMA chia không gian sóng mang thành NG nhóm mỗi nhóm có NE sóng mang và NE kênh con, mỗi kênh con này mang một sóng mang cho mỗi nhóm. Việc tạo kênh con này giúp cải thiện hiệu năng khi công suất phát từ một thiết bị người dùng bị hạn chế. Chẳng hạn trong OFDMA có 2048 sóng mang biến đổi thành NE = 32 và NG = 48 trong tuyến xuống và NG = 53, NE =32 trong tuyến lên với các sóng mang còn lại được dùng cho các băng bảo vệ và báo hiệu.
Hình 2.12: So sánh OFDM và OFDMA
Trong OFDM, các thiết bị người dùng phát đi bằng cách sử dụng toàn bộ một kênh cùng một lúc như hình vẽ bên dưới. Trong khi đó, OFDMA hỗ trợ đa truy nhập cho phép người dùng chỉ phát đi qua các kênh con được gán cho chúng. Như ví dụ trên, nếu 2048 sóng mang và 32 kênh con, nếu chỉ một kênh
con được gán cho một thiết bị thì toàn bộ công suất phát ra sẽ được tập trung trong 1/32 phổ khả dụng và có thểđem lại một độ lợi 15dB so với OFDM. Hơn thế nữa, hình thức đa truy nhập này là đặc biệt có lợi khi sử dụng các kênh rộng.
Hình 2.13: Đường lên trong OFDM và OFDMA
Trong OFDM, các thiết bị người dùng được gán các khe thời gian để phát, nhưng chỉ một thiết bị người dùng có thể phát trong một khe thời gian duy nhất. Trong OFDMA, việc tạo kênh con cho phép một số thiết bị được phát trong tại cùng một thời điểm thông qua các kênh con được gán cho chúng.
PHY 802.16e hỗ trợ TDD, FDD và hoạt động FDD bán song công (half-duplex). Tuy nhiên, phiên bản ban đầu của profile WiMAX di động chỉ có với chế độ TDD. Với phiên bản đang được nghiên cứu, profile FDD sẽ được xem xét bởi diễn đàn WiMAX để tạo ra các cơ hội kinh doanh mới cho những nơi có các yêu cầu về phổ nội hạt hoặc cấm đối với TDD, phù hợp hơn với triển khai FDD. TDD là một ứng dụng của công nghệ đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA (Time Division Multiple Access) để phân tách tín hiệu đi và tín hiệu về. TDD có một tiện ích lớn trong trường hợp bất đối xứng giữa tốc độ dữ liệu đường lên và và đường xuống . Khi số liệu đường lên tăng lên thì sẽ có một dải thông rộng hơn có thể phân phối cho nó giông như trước khi nó được co lại để có thể truyền đi. Một tiện ích khác khiến TDD được sử dụng trong WiMAX di động thế hệ đầu là đường tín hiệu radio đường lên và đường xuống là rất giống trong hệ thống di chuyển chậm điều đó có nghĩa là các công nghệ như tạo búp sóng (beamforming) làm việc rất tốt với hệ thống TDD. Sự sắp xếp có hệ thống của TDD có thể cấp phát một cách linh hoạt số lượng khe thời gian cho hai chiều truyền và nhận dữ liệu, điều này đặc biệt quan trọng trong các đường truyền Internet với tỉ lệ UL/DL không bị bắt buộc phải là 50/50. Xét một cách tổng quát thì TDD có thể mang lại sự linh hoạt cũng như giúp nâng cao năng lực của hệ thống lên rất nhiều. Tuy nhiên, việc sử dụng TDD trong phiên bản đầu này của WiMAX di động gặp phải một nhược điểm đó là bị hạn chế bởi dài tần nhỏ.
Để tăng tính hiệu quả, TDD chia dòng dữ liệu ra thành nhiều khung và với mỗi khung này lại chia thành các khe thời gian để truyền đi và nhận về.
Đối với vấn đề xuyên nhiễu, TDD không yêu cầu sự đồng bộ hệ thống ở diện rộng, trái lại TDD sẽưu tiên chếđộ song công vì những lý do sau:
TDD cho phép điều chỉnh tỷ số đường xuống/đường lên để hỗ trợ lưu lượng đường xuống/đường lên một cách hiệu quả, trong khi đó với FDD, đường xuống và đường lên luôn luôn bị cốđịnh.
TDD đảm bảo sự trao đổi kênh để hỗ trợ khả năng điều chỉnh đường truyền, anten MIMO và các công nghệ anten tiên tiến khác.
Không giống như FDD với việc yêu cầu một cặp kênh, TDD chỉ yêu cầu một kênh đơn cho cả đường xuống và đường lên, điều này dẫn đến mềm dẻo hơn đối với sự phân chia phổ thay đổi.
Thiết kế bộ thu phát để triển khai TDD là ít phức tạp hơn và do đó sẽ tốn kém hơn.
Hình 2.15 minh hoạ cấu trúc khung OFDM với phương thức song công phân chia theo thời gian (TDD). Mỗi khung được chia thành khung con DL và UL riêng rẽ bởi các bộ chuyển dịch phát/thu và thu/phát (TTG và RTG tương ứng) để chống lại sự xung đột trong truyền dẫn DL và UL. Trong một khung, các thông tin điều khiển sau được sử dụng đểđảm bảo hoạt động hệ thống tối ưu:
Phần mào đầu khung (preamble): Được sử dụng cho đồng bộ, là ký hiệu OFDM đầu tiên của khung.
Tiêu đề điều khiển khung (FCH):FCH được đặt ngay sau phần mở đầu (preamble). Nó cung cấp các thông tin cấu hình khung như độ dài bản tin MAP, sơ đồ mã hoá và kênh con hiệu dụng.
DL-MAP và UL-MAP: Cung cấp sự phân bổ kênh con và thông tin điều khiển khác cho khung con DL và UL một cách tương ứng.
Khoảng UL (ranging): Kênh con UL được sử dụng cho trạm gốc di động (MS) để thực hiện thời gian vòng kín, tần số và sự điều chỉnh công suất cũng như yêu cầu băng tần.
UL CQICH: Kênh UL CQICH được phân bổ cho MS để trả lời lại các thông tin về trạng thái kênh.
UL ACK:Được sử dụng cho MS để trả lời lại thông báo DL HARQ.
2.4.7 Các đặc điểm lớp PHY cải tiến khác
WiMAX di động đã đưa ra các kỹ thuật: điều chế thích nghi và mã hóa (AMC), yêu cầu lập lại tự động lại kiểu kết hợp (HARQ), và phản hồi kênh nhanh (CQICH), để tăng cường khả năng phủ sóng và khả năng của WiMAX trong các ứng dụng di động.
Trong WiMAX di động ở đường xuống, bắt buộc phải có các hỗ trợ điều chế QPSK, 16 QAM và 64 QAM, còn ở đường lên 64 QAM là tùy chọn. Ngoài ra WiMAX còn hỗ trợ mã hóa vòng, mã hóa Turbo vòng với tốc độ mã thay đổi và mã lặp, còn mã Turbo và mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp (LDPC) cũng được hỗ trợ tùy chọn. Bảng sau tổng kết các nguyên lý mã hóa và điều chế được hỗ trợ trong profile WiMAX di dộng (với mã UL tuỳ chọn được chỉ ra với chữ in nghiêng).
DL UL
Modulation QPSK, 16QAM, 64QAM QPSK,16QAM, 64QAM
CC 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 1/2, 2/3, 5/6
CTC 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 1/2, 2/3, 5/6
Code Rate
Repetition x2, x4, x6 x2, x4, x6
Bảng 2.2: Các kỹ thuật mã hóa và điều chếđược hỗ trợ trong WiMAX
Sự tổ hợp các kỹ thuật điều chế và các tốc độ mã đem lại sự phân giải tốc độ dữ liệu như minh họa trong bảng 3.3 (với độ rộng kênh là 5 và 10 MHz với các kênh con PUSC). Độ dài khung là 5ms. Mỗi khung có 48 ký hiệu OFDM trong đó 44 ký hiệu sẵn sàng để truyền dữ liệu. Các giá trị trong ô bôi đen là để chỉ các tốc độ cho kỹ thuật 64QAM tùy chọn ởđường lên.
Parameter Downlink Uplink Downlink Uplink
System Bandwidth 5 MHz 10 MHz FFT Size 512 1024 Null Sub-Carriers 92 104 184 184 Pilot Sub-Carriers 60 136 120 280 Data Sub-Carriers 360 272 720 560 Sub-Channels 15 17 30 35
Frame Duration 5 milliseconds
OFDM Symbols/Frame 48
Data OFDM Symbols 44
5 MHz Channel 10 MHz Channel Mod. Code Rate Downlink
Rate, Mbps Rate, MbpsUplink Rate, MbpsDownlink Rate, MbpsUplink
1/2 CTC, 6x 0.53 0.38 1.06 0.78 1/2 CTC, 4x 0.79 0.57 1.58 1.18 1/2 CTC, 2x 1.58 1.14 3.17 2.35 1/2 CTC, 1x 3.17 2.28 6.34 4.70 QPSK 3/4 CTC 4.75 3.43 9.50 7.06 1/2 CTC 6.34 4.57 12.67 9.41 16QAM 3/4 CTC 9.50 6.85 19.01 14.11 1/2 CTC 9.50 6.85 19.01 14.11 2/3 CTC 12.67 9.14 24.34 18.82 3/4 CTC 14.26 10.28 28.51 21.17 64QAM 5/6 CTC 15.84 11.42 31.68 23.52
Bảng 2.3: Tốc độ dữ liệu PHY với các kênh con PUSC trong WiMAX di động
Bộ lâp lịch trạm gốc xác định tốc độ dữ liệu phù hợp mỗi cấp phát cụm (burts) dựa trên kích thước bộ đệm và điều kiện truyền sóng ở phía thu...Một kênh chỉ thị chất lượng kênh (CQI-channel quality indicator) được sử dụng để cung cấp thông tin trạng thái kênh từ thiết bị đầu cuối người sử dùng đến bộ lập lịch trạm gốc. Thông tin trạng thái kênh có thểđược phản hồi bởi CQICH bao gồm: CINR vật lý, CINR hiệu quả, sự lựa chọn chếđộ MIMO và sự lựa chọn kênh con. Với kỹ thuật TDD, thích nghi đường truyền cũng có thể tận dụng ưu điểm của việc đảo kênh để cung cấp việc đo chính xác hơn.
WiMAX di động cũng hỗ trợ HARQ. HARQ cho phép sử dụng giao thức “dừng và đợi” N kênh cung cấp khả năng đáp ứng nhanh đểđóng gói lỗi và cải tiến khả năng phủ sóng đường biên cell. Sự dư thừa tăng được hỗ trợ để cải tiến hơn về độ tin cậy của việc truyền lại. Một kênh ACK cũng được cung cấp trong đường đường lên cho tín hiệu HARQ ACK/NACK. HARQ kết hợp với CQICH và AMC cung cấp sự tương thích liên kết mạnh trong môi trường di động với tốc độ cao. [6]
2.4 Mô tả lớp MAC
Chuẩn 802.16 được phát triển từ yêu cầu về việc cung cấp đa dạng dịch vụ băng rộng bao gồm thoại, dữ liệu, và video. Lớp MAC là hướng kết nối bao gồm ba phân lớp con. Lớp con hội tụ dịch vụ riêng (SSCS) cung cấp mọi sự biến đổi hay ánh xạ dữ liệu mạng ngoài, nhận dữ liệu mạng ngoài qua điểm truy nhập dịch vụ CS SAP, các MAC SDU (đơn vị dữ liệu dịch vụ) được nhận bởi lớp con phần chung MAC CPS thông qua MAC SAP.
Chức năng CS SAP bao gồm việc phân loại các SDU mạng ngoài, kết hợp chúng với nhận dạng luồng dịch vụ MAC thích hợp (SFID) và nhận dạng kết nối (CID). Nó còn bao gồm các chức năng như nén tiêu đề tải trọng (PHS), nhiều chi tiết kĩ thuật CS được cung cấp cho giao diện với nhiều loại giao thức. Định dạng bên trong của tải trọng CS là duy nhất với mỗi CS, và các MAC CPS không yêu cầu hiểu dược định dạng của nó hay phân tích bất kì thông tin nào từ tải trọng CS.
Hình 2.16: Phân lớp MAC và các chức năng
Thực thể quản lí Lớp con phần chung MAC
Lớp con bảo mật Thực thể quản lí PHY Thực thể quản lí Lớp con hội tụ dịch vụ đặc biệt SSCS H ệ th ố ng qu ả n lí m ạ ng PHY SAP MAC SAP CS SAP Lớp con phần chung MAC (MAC CPS) Lớp con bảo mật (MAC SS) Lớp vật lí (PHY) Lớp con hội tụ dịch vụ đặc biệt (MAC SSCS) PHY MA C mặt bằng dữ liệu/ điều khiển Mặt bằng quản lí Quy mô chuẩn hóa
MAC CPS cung cấp các chức năng MAC chính của việc truy nhập hệ thống, cấp phát độ rộng dải tần, thiết lập và duy trì kết nối. Nó nhận dữ liệu từ nhiều CS thông qua MAC SAP, phân loại thành các kết nối MAC cụ thể. QoS được áp dụng cho việc truyền và lập lịch dữ liệu thông qua lớp PHY sử dụng 4 loại dịch vụ cơ bản.
Có hai loại kết nối đó là các kết nối quản lý và kết nối truyền tải dữ liệu. Các kết nối quản lí có ba loại: cơ bản, sơ cấp và thứ cấp. Một kết nối cơ bản được tạo ra cho mỗi MS khi nó gia nhập vào mạng. Kết nối sơ cấp cũng được tạo ra cho mỗi MS ở thời điểm vào mạng nhưng đuợc dùng cho các bản tin quản lí dung sai trễ. Loại kết nối quản lí thứ ba, loại thứ cấp được dùng cho các bản tin quản lí IP tóm lược (như DHCP, SNMP, TFP). Các kết nối truyền tải dữ liệu có thểđược cung cấp hoặc được thiết lập theo yêu cầu. Chúng được dùng cho các luồng lưu lượng người dùng. Đơn điểm hoặc đa điểm có thểđược dùng cho truyền dẫn. Tuy nhiên chúng ta sẽ không đi sâu vào cấu trúc của từng phân lớp con mà sẽ xem xét các đặc tính của lớp MAC nói chung theo cách phân chia như sau:
2.5.1 Dịch vụ lập lịch MAC
Dịch vụ lập lịch MAC WiMAX di động được thiết kế để phân bổ hiệu quả các dịch vụ số liệu băng rộng bao gồm thoại, dữ liệu, và video trên kênh vô tuyến băng rộng thay đổi theo thời gian. Dịch vụ lập lịch MAC có các thuộc tính sau: