2.3.1. Lớp con hội tụ MAC chuyên biệt về dịch vụ (CS)
Chuẩn định nghĩa hai lớp con quy tụ chuyên biệt về dịch vụ tổng thể để ánh xạ các dịch vụ đến và từ những kết nối MAC. Lớp con quy tụ ATM đƣợc định nghĩa cho những dịch vụ ATM và lớp con quy tụ gói đƣợc định nghĩa để ánh xạ các dịch vụ gói nhƣ IPv4, IPv6, Ethernet và VLAN. Nhiệm vụ chủ yếu của lớp con là phân loại các SDU (đơn vị dữ liệu dịch vụ) theo kết nối MAC thích hợp, bảo toàn hay cho phép QoS và cho phép định vị dải thông. Ngoài những chức năng cơ bản này, các lớp con quy tụ có thể cũng thực hiện nhiều chức năng phức tạp hơn nhƣ chặn và xây dựng lại đầu mục tải tối đa để nâng cao hiệu suất kết nối không gian.
2.3.2. Lớp con phần chung MAC (Common Part Sublayer MAC)
Lớp con phần chung MAC (MAC CPS) là trung tâm của chuẩn. Trong lớp con này, các quy tắc cho quản lý kết nối, định vị dải thông và cơ cấu cho truy nhập hệ thống đƣợc định nghĩa. Ngoài ra các chức năng nhƣ lập lịch đƣờng lên, yêu cầu và cấp phát dải thông, và yêu cầu lặp lại tự động (ARQ) cũng đƣợc định nghĩa.
2.3.2.1. Các định dạng MAC PDU
MAC-BS và MAC-MS trao đổi các bản tin, và các bản tin này đƣợc xem nhƣ các PDU. Định dạng của MAC PDU nhƣ hình 2.9. Trên hình ta có thể thấy bản tin bao gồm ba phần: header MAC chiều dài cố định là 6 bytes, payload chiều dài thay đổi và CRC. Các MAC PDU có thể chứa hoặc các bản tin quản lý MAC hoặc dữ liệu lớp con hội tụ - MAC SDU. Payload là tùy chọn, CRC cũng tùy chọn và chỉ đƣợc sử dụng nếu MS yêu cầu trong các tham số QoS.
Có hai loại header MAC: header MAC chung (GMH) và header MAC yêu cầu dải thông (BR). GMH đƣợc sử dụng để truyền dữ liệu hoặc các bản tin quản lý MAC. Header BR đƣợc sử dụng bởi MS để yêu cầu nhiều dải thông hơn trên UL. Header MAC và các bản tin quản lý MAC không đƣợc mật hóa.
Các loại MAC - PDU bao gồm:
- MAC PDU dữ liệu: payload là các MAC SDU, các segment.
- MAC PDU quản lý: payload là các bản tin quản lý MAC hoặc các gói IP đƣợc gói gọn trong các MAC CS PDU, đƣợc truyền trên các kết nối quản lý.
- Các MAC PDU yêu cầu dải thông: HT =1; và không có payload, chỉ có header.
2.3.2.2. Cơ cấu ARQ
ARQ sẽ không đƣợc sử dụng với đặc tả PHY WirelessMAN-SC. Cơ cấu ARQ là một phần của MAC, mà là tùy chọn bổ sung. Khi đƣợc bổ sung, ARQ có thể đƣợc phép trên cơ sở mỗi kết nối. Mỗi kết nối ARQ sẽ đƣợc chỉ rõ và đƣợc dàn xếp trong thời gian tạo kết nối. Một kết nối không thể có sự kết hợp cả lƣu lƣợng ARQ và không ARQ. Chỉ hiệu quả với các ứng dụng không thời gian thực.
2.3.2.3. Truy nhập kênh và QoS
IEEE 802.16 có thể hỗ trợ nhiều dịch vụ thông tin (dữ liệu, thoại, video) với các yêu cầu QoS khác nhau. Cơ cấu nguyên lý để cung cấp QoS là phải kết hợp các gói qua giao diện MAC vào một luồng dịch vụ đƣợc nhận biết bởi CID. Một luồng dịch vụ là một luồng vô hƣớng mà đƣợc cung cấp một QoS riêng biệt. MS và BS cung cấp QoS này theo tập tham số QoS đƣợc định nghĩa cho luồng dịch vụ. Mục đích chính của các đặc tính QoS đƣợc định nghĩa ở đây là để xác định thứ tự và lập lịch truyền ở giao diện không gian.
2.3.3. Lớp con bảo mật
Toàn bộ bảo mật của 802.16 dựa vào lớp con bảo mật. Lớp con bảo mật là lớp con giữa MAC CPS và lớp vật lý. Mục tiêu của nó là để cung cấp điều khiển truy nhập, bảo mật liên kết dữ liệu, chịu trách nhiệm mật hóa, giải mã dữ liệu vào/ra ở lớp vật lý (PHY). Đồng thời sử dụng cho cấp phép và trao đổi khóa bảo mật, ngăn chặn đánh cắp dịch vụ.
Bảo mật của 802.16 gồm các thành phần sau: các liên kết bảo mật (SA), chứng nhận X.509, giao thức cấp phép quản lý khóa riêng tƣ (authorization PKM), quản lý khóa và riêng tƣ (PKM), mật hóa dữ liệu. Chƣơng 3 sẽ nghiên cứu sâu hơn về vấn đề bảo mật trong WiMax.
2.4. LỚP CON HỘI TỤ TRUYỀN TC
Giữa PHY và MAC là một lớp con hội tụ truyền dẫn TC. Lớp này thực hiện sự biến đổi các MAC PDU độ dài có thể thay đổi vào trong các khối FEC độ dài cố định (cộng thêm có thể là một khối đƣợc rút ngắn vào đoạn cuối) của mỗi cụm. Lớp TC có một PDU có kích thƣớc khớp với khối FEC hiện thời bị đầy. Nó bắt đầu với 1 con trỏ chỉ ra vị trí đầu mục MAC PDU tiếp theo bắt đầu bên trong khối FEC.
PDU của lớp con TC P = con trỏ 1 byte
Hình 2.10: Định dạng TC PDU
Khuôn dạng PDU TC cho phép đồng bộ hoá MAC PDU tiếp sau trong trƣờng hợp khối FEC trƣớc đó có những lỗi không thể phục hồi đƣợc. Không có lớp TC, một SS hay BS nhận sẽ mất toàn bộ phần còn lại của một cụm khi có một lỗi không thể sửa chữa xuất hiện.
Preamble Khối PDU đầu tiên
khởi đầu trong TC hiện tại
Khối PDU thứ 2
khởi đầu trong TC hiện tại Khối PDU khởi
đầu trong TC ngay trƣớc
CHƢƠNG 3
NGHIÊN CỨU CÁC VẤN ĐỀ KỸ THUẬT MẠNG TRUY NHẬP BĂNG RỘNG KHÔNG DÂY WIMAX
Trong mạng truy nhập băng rộng không dây WiMax có rất nhiều vấn đề kỹ thuật cần phải nghiên cứu, tìm hiểu để lựa chọn được phương án kỹ thuật tối ưu với chi phí triển khai mạng kinh tế và hiệu quả. Trong phạm vi của luận văn này sẽ đề cập tới một số vấn đề chính và có liên hệ với tình hình thực tế tại Việt nam như: băng tần, topo mạng, điều chế, mã hóa, đa truy nhập và song công, trải phổ, mô hình kênh, mô hình suy hao đường truyền, dung lượng, bảo mật, anten. Trong đó sẽ tập trung đi sâu vào mô hình suy hao đường truyền WiMax.
3.1. CÁC BĂNG TẦN CHO WIMAX [34, 38, 39]
Bảng 3.1 trình bày các dải tần số có thể sử dụng trong WiMax.
Tên dải tần Dải tần số Độ rộng dải tần Loại
Dƣới 1 GHz 698MHz - 806MHz 108 MHz Cấp phép 2,3 GHz 2,300 - 2,400 GHz 100 MHz Cấp phép 2,5 GHz 2,495 - 2,690 GHz 195 MHz Cấp phép 3,3 GHz 3,300 - 3,400 GHz 100 MHz Cấp phép 3,5 GHz FBWA 3,410 - 3,600 GHz 190 MHz Cấp phép 3,7GHz 3,600 - 3,800 GHz 200 MHz Cấp phép 5 GHz RLAN 5,470 - 5,725 GHz 255 MHz Không cấp phép 5,8 GHz 5,725 - 5,850 GHz 125 MHz Không cấp phép 10,5 GHz FBWA 10,150 - 10, 300 GHz 10,500 - 10.650 GHz 2x150 MHz Cấp phép 26 GHz FBWA 24,577 - 25,417 GHz 25,585 - 26,425 GHz 2x280 MHz Cấp phép
3.1.1. Băng tần cấp phép
3.1.1.1. Băng dưới 1GHz
Với các tần số càng thấp, sóng vô tuyến truyền lan càng xa, số trạm gốc cần sử dụng càng ít, tức mức đầu tƣ cho hệ thống thấp đi. Vì vậy, WiMax Forum cũng đang xem xét khả năng sử dụng các băng tần dƣới 1GHz, đặc biệt là băng 698MHz - 806MHz. Hiện nay, một số nƣớc đang thực hiện việc chuyển đổi từ truyền hình tƣơng tự sang truyền hình số, nên sẽ giải phóng đƣợc một phần phổ tần sử dụng cho WBA/WiMax.
Với Việt Nam, do đặc điểm có rất nhiều đài truyền hình địa phƣơng nên các kênh trong giải 470-806MHz dành cho truyền hình đƣợc sử dụng dày đặc cho các hệ thống truyền hình tƣơng tự. Hiện chƣa có lộ trình cụ thể nào để chuyển đổi các hệ thống truyền hình tƣơng tự này sang truyền hình số, nên chƣa thấy có khả năng có băng tần để cấp cho WBA/WiMax ở đây.
3.1.1.2. Băng tần 2.3 GHz
Băng 2.3GHz cũng có đặc tính truyền sóng tƣơng tự nhƣ băng 2.5GHz nên là băng tần đƣợc WiMax Forum xem xét cho WiMax di động. Hiện có một số nƣớc phân bổ băng tần này cho WBA nhƣ Hàn Quốc (triển khai WiBro), Úc, Mỹ, Canada, Singapore. Singapore đã cho đấu thầu 10 khối 5MHz trong dải 2300- 2350MHz để sử dụng cho WBA với các điều kiện tƣơng tự nhƣ với băng 2.5GHz. Úc chia băng tần này thành các khối 7MHz, không qui định cụ thể về công nghệ hay độ rộng kênh, ƣu tiên cho ứng dụng cố định. Mỹ chia thành 5 khối 10MHz, không qui định cụ thể về độ rộng kênh, cho phép triển khai cả TDD và FDD.
Đối với Việt Nam, đây cũng là một băng tần có khả năng sẽ đƣợc sử dụng để triển khai Mobile WiMax (theo chuẩn 802.16e - 2005)
3.1.1.3. Băng tần 2,5 GHz
Đã đƣợc cấp phát trong phần lớn các nƣớc trên thế giới, bao gồm bắc Mỹ, Mỹ Latin, Đông và Tây Âu và nhiều vùng của châu Á - Thái Bình Dƣơng. Mỗi quốc gia thƣờng cấp phát dải khác nhau, vì vậy phổ đƣợc cấp phát qua các vùng có thể từ
2,495 GHz đến 2,690 GHz. Tổng phổ khả dụng là 195 MHz, bao gồm các dải phòng vệ và các kênh MDS, gữa 2.495 GHz và 2.690 GHz. Hỗ trợ FDD, TDD. Phổ trên mỗi đăng ký là 22.5 MHz, một block 16.5 MHz và một block 6 MHz, tổng số 8 đăng ký.
Băng tần này là băng tần đƣợc WiMax Forum ƣu tiên lựa chọn cho WiMax di động theo chuẩn 802.16-2005. Có hai lý do cho sự lựa chọn này. Thứ nhất, so với các băng trên 3GHz điều kiện truyền sóng của băng tần này thích hợp cho các ứng dụng di động. Thứ hai là khả năng băng tần này sẽ đƣợc nhiều nƣớc cho phép sử dụng WBA bao gồm cả WiMax. WiMax ở băng tần này có độ rộng kênh là 5MHz, chế độ song công TDD, FDD. Vì vậy, hiện đã có một số nƣớc nhƣ Mỹ, Brazil, Mexico, Singapore, Canada, Liên hiệp Anh (UK), Australia cho phép sử dụng một phần băng tần tần này cho WBA. Trung Quốc và Ân Độ cũng đang xem xét.
Với Việt Nam, Quy hoạch phổ vô tuyến điện quốc gia đƣợc Thủ tƣớng Chính phủ phê duyệt cuối năm 2005 đã quy định băng tần 2500-2690 MHz sẽ đƣợc sử dụng cho các hệ thống thông tin di động thế hệ mới, không triển khai thêm các thiết bị khác trong băng tần này. Vì vậy, có thể hiểu công nghệ WiMax di động cũng là một đối tƣợng của quy định này.
3.1.1.4. Băng tần 3.3 GHz
Băng tần này đó đƣợc phân bổ ở Ấn Độ, Trung Quốc và Việt Nam đang xem xét phân bổ chính thức. Do Ấn Độ và Trung Quốc là hai thị trƣờng lớn, nên dù chƣa có nhiều nƣớc cấp băng tần này cho WBA, nhƣng thiết bị WiMAX cũng đã đƣợc sản xuất. Chuẩn WiMax áp dụng ở băng tần này tƣơng tự nhƣ với băng 3.5GHz, đó là WiMax cố định, chế độ song công FDD hoặc TDD, độ rộng kênh 3.5MHz hoặc 7MHz. Do Ấn Độ chỉ cho phép sử dụng đoạn băng tần 3316-3400MHz, nên các thiết bị WiMax hiện tại cũng chỉ làm việc trong đoạn này với tối đa 2x9 kênh 3.5MHz. Vì vậy, nếu cứ 4 nhà khai thác sử dụng băng tần này thì thƣờng mỗi nhà khai thác chỉ đƣợc cấp sử dụng 2x2 kênh 3.5MHz. Trong khi đó, theo ý kiến của các chuyên gia Alvarion, một trong những hãng cung cấp thiết bị WiMax, thì để khai thác hiệu quả, mỗi nhà khai thác nên đƣợc cấp ít nhất 2x3 kênh 3.5MHz.
3.1.1.5. Băng tần 3,5 GHz
Ở châu Âu, Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu đã phân phối dải 3,5 GHz cho các giải pháp WiMAX đăng ký. Tổng phổ khả dụng, thay đổi theo quốc gia nhƣng nói chung khoảng 200MHz giữa 3,4 GHz và 3,8 GHz. Hỗ trợ cả FDD và TDD, một vài quốc gia chỉ sử dụng FDD trong khi các quốc gia khác cho phép sử dụng FDD hoặc TDD. Phổ trên mỗi đăng ký thay đổi từ 25MHz đến 256 MHz.
3.1.1.6. Băng 3,7 GHz
Băng 3600-3800MHz đƣợc một số nƣớc châu Âu xem xét để cấp cho WBA. Tuy nhiên, do một phần băng tần này (từ 3.7-3.8GHz) đang đƣợc nhiều hệ thống vệ tinh viễn thông sử dụng (đƣờng xuống băng C), đặc biệt là ở khu vực châu Á, nên ít khả năng băng tần này sẽ đƣợc chấp nhận cho WiMax ở châu Á.
3.1.1.7. Băng tần 10,5 GHz và 26 GHz
Các dải tần 3,5GHz, 10,5Ghz, 26Ghz đƣợc khuyến cáo dùng cho mạng FBWA ở Châu Âu. Dải tần 3,5Ghz và 10,5Ghz đƣợc dự định sử dụng cho các ứng dụng điểm - đa điểm, trong khi đó dải tần 26Ghz đƣợc triển khai rất tốt cho các liên kết radio cố định điểm - điểm truyền thống.
3.1.2. Băng tần không cấp phép
3.1.2.1. Băng tần 5GHz
Dải tần 5 GHz radio LAN (RLAN) trên thực tế có hai băng tần số: 5,150 - 5,350 GHz và 5,470 - 5,725 GHz. Các dải tần này đƣợc chỉ định dùng cho RLAN, nó đƣợc tổ chức viễn thông thế giới ITU (International Telecommunication Union) giới hạn sử dụng cho các mạng WLAN. Dải tần này không cần cấp phép nhƣng lại chỉ có thể sử dụng cho các thiết bị RLAN. Thực tế chỉ có băng tần 5,470 - 5,725 đƣợc dự định sử dụng cho các ứng dụng ngoài trời thông thƣờng, độ rộng dải tần tối đa có thể sử dụng là 255 MHz. Độ rộng dải tần lớn cho phép chúng ta sử dụng nhiều kênh hoạt động trong cùng một khu vực địa lý, làm gia tăng dung lƣợng tiềm năng của mạng, giảm can nhiễu và làm cho việc thiết kế mạng dễ dàng hơn nhiều.
3.1.2.2. Băng tần 5.8 GHz
Băng tần này đƣợc WiMax Forum quan tâm vì đây là băng tần đƣợc nhiều nƣớc cho phép sử dụng không cần cấp phép và với công suất cao hơn so với các đoạn băng tần khác trong dải 5GHz (5125-5250MHz, 5250-5350MHz), vốn thƣờng đƣợc sử dụng cho các ứng dụng trong nhà. Theo WiMax Forum thì băng tần này thích hợp để triển khai WiMax cố định, độ rộng phân kênh là 10MHz, phƣơng thức song công đƣợc sử dụng là TDD, không có FDD.
3.1.3. Lựa chọn băng tần WiMax tại Việt Nam [22, 25, 26]
Khi thiết kế một mạng truy nhập băng rộng không dây ta phải lựa chọn băng tần hoạt động cho mạng trong số các băng tần đƣợc phép sử dụng. Các tiêu chí để lựa chọn băng tần hoạt động bao gồm:
Dải tần cấp phép
Dung lƣợng tập trung phụ thuộc vào vùng dịch vụ
Mật độ thuê bao trong vùng dịch vụ, địa hình của vùng dịch vụ Mức độ nhiễu trong các băng tần không cần cấp phép
Vấn đề suy hao đƣờng truyền vô tuyến trong băng tần đó. Giá thành thiết bị hoạt động trong băng tần đó
Lựa chọn sử dụng băng tần cấp phép hay không cấp phép đòi hỏi phải có một sự tính toán rất kỹ lƣỡng. Trong mỗi khu vực địa lý mỗi nhà cung cấp dịch vụ đƣợc cấp phép duy nhất quyền sử dụng một số dải tần trong các băng tần này, do đó các băng tần đƣợc cấp phép có khả năng bảo vệ hệ thống WiMax khỏi sự can nhiễu các hệ thống khác. Trong các băng tần không cấp phép mức can nhiễu là không thể dự đoán cũng nhƣ kiểm soát đƣợc. Vùng phủ sóng và mức năng lƣợng phát xạ của mỗi BS đƣợc kiểm soát, tính toán chặt chẽ, chính xác. Hình 3.1 là sự lựa chọn băng tần triển khai WiMax ở một số khu vực trên thế giới.
Tại Việt nam, băng tần 3.3GHz được lựa chọn cho hệ thống Fixed WiMax (theo chuẩn IEEE 802.16d - 2004) và băng tần 2,3 GHz (hoặc 2,5 GHz) được lựa chọn cho hệ thống Mobile WiMax (theo chuẩn 802.16e - 2005). Sự lựa chọn trên dựa theo các tiêu chí:
Đây là băng tần cấp phép nên có thể kiểm soát can nhiễu.
Trong bảng trên ta thấy đây là băng tần cho phép năng lƣợng truyền lớn. Những tần số thuộc băng tần này bé nên có thể thoả mãn yêu cầu NLOS. Tốc độ dữ liệu cao khoảng 15Mbps cho mỗi sector.
3.2. TOPO MẠNG WIMAX [24]
3.2.1. Phân loại topo mạng: Topo mạng WiMax có thể chia làm 3 loại chính:
- Điểm - điểm PTP (Point -To - Point): Chứa một hoặc nhiều liên kết điểm - điểm sử dụng anten có hƣớng tính cao tại cả hai đầu cuối của mỗi liến kết
- Điểm - đa điểm PMP (Point-to-MultiPoint): Chứa một số các trạm phát sóng gốc