Wimax làm việc ở dải tần 2-11GHz, gồm cả dải tần đăng kí, có thể truyền NLOS hoặc LOS.
Đổi dải tần đăng kí, Wimax sử dụng hai dải tần là 2.5GHz và 3.5GHz. Hai dải tần này dùng sử dụng hầu như khắp thế giới. Còn đối với dải tần khong đăng kí, Wimax chỉ sử dụng UNII 5GHz vì ISM 2.4GHz đã được sử dụng rất nhiều, nếu tiếp tục sử dụng ISM 2.4GHz thì các dịch vụ của Wimax se gặp các vấn đế về nhiễu.
Không như một số hệ thống khác, Wimax hỗ trợ độ rộng kênh rất linh hoạt có thể dao động từ 1.25GHz đến 20GHz. Băng thông là một tài nguyên rất quý giá, chỉ hỗ trợ kênh có độ rộng 6MHz trong khi nhà cung cấp được sở hữu
một dải thông có rộng 8MHz thì như vậy sẽ lãng phí mất 2MHz. Bây giờ, thay vì hỗ trợ 6MHz, hệ thống hỗ trợ cả kênh có độ rộng 4MHz, như vậy nhà cung cấp địch vụ sẽ sử dụng được toàn bộ dải thông mà mình được cấp.
Tính năng làm việc được trên rất nhiều dải tần và cung cấp cáp có độ rộng linh hoạt cho phép xây dựng nên một hệ thống Wimax hiệu quả, tối ưu và phổ rộng. Làm cho Wimax trở nên ưu việt hơn các công nghệ khác, thúc dẩy sự phát triển của công nghệ này.
2.3.2 Cấu trúc khung tín hiệu trong hệ thống WiMAX
Trong giao diện vô tuyến WiMAX, các ký hiệu OFDM gốc được biến đổi theo thuật toán biến đổi Fourier nhanh FFT 256 điểm. Tương tự như các hệ thống OFDM khác, một phần của 256 sóng mang con này được dùng để làm băng bảo vệ (guard band) và sóng mang con có tần số trung tâm cũng không được sử dụng. Trong hệ thống WiMAX thực tế chỉ có 200 sóng mang con được sử dụng trong đó 192 sóng mang dùng cho truyền số liệu và 8 sóng mang còn lại dùng làm kênh hoa tiêu (hình 2.7). Sóng mang hoa tiêu sử dụng điều chế BPSK còn sóng mang dữ liệu sử dụng điều chế BPSK, QPSK, 16 QAM và 64 QAM.
Hình 2.7 : Các sóng mang con OFDM
Cấu hình hệ thống WiMAX có thể được thiết lập để sử dụng khoảng băng thông từ 1,25 MHz đến 20MHz và nó cũng không phụ thuộc vào băng thông được lựa chọn, các ký hiệu luôn luôn chứa 200 sóng mang. Đối với các hệ thống băng hẹp, các sóng mang con có khoảng cách rất nhỏ do đó khoảng thời gian của mỗi ký hiệu sẽ tương đối dài (khoảng thời gian của mỗi ký hiệu được định nghĩa là nghịch đảo của khoảng cách sóng mang con). Với khoảng cách sóng
mang hẹp và các ký hiệu dài, hệ thống có thể giải quyết các vấn đề làm suy giảm chất lượng kênh truyền như vấn đề đa hướng (multipath). Khoảng thời gian của mỗi ký hiệu dài là sự khác nhau chính giữa hệ thống WiMAX và các hệ thống LAN không dây (WLAN có các ký hiệu tương đối ngắn), chính đặc điểm này cung cấp cho WiMAX những thuận lợi rõ rệt trong việc triển khai các dịch vụ với khoảng cách xa và không trong tầm nhìn thẳng NLOS.
Hình 2.8 : Cấu trúc khung kênh đường lên và đường xuống
Các hệ thống WiMAX có thể sử dụng công nghệ TDD, FDD hoặc FDD bán song công. Hình 2.8 miêu tả một cấu trúc điển hình của một khung TDD khi trạm gốc BS và máy thuê bao cùng phát trên cùng một tần số vô tuyến được phân cách theo thời gian. Trạm gốc phát một khung con hướng xuống thuê bao sau đó là một khoảng bảo vệ phát/thu TTG (transmit/receive transition gap), tiếp theo, từng thuê bao sẽ phát các khung hướng lên. Các thuê bao được đồng bộ với trạm gốc và do đó các khung của chúng sẽ không chồng lấn nhau khi các khung này cùng trạm gốc. Sau mỗi khung hướng lên, một khoảng bảo vệ thu/phát RTG (receive/transmit transision gap) được phát đi trước khi trạm gốc BS bắt đầu phát khung con tiếp theo.
Các khung con hướng xuống luôn luôn được bắt đầu với hoa tiêu, theo sau hoa tiêu là các byte mào đầu (header) và một hay nhiều cụm số liệu hướng xuống. Các cụm số liệu hướng xuống được hình thành từ các ký hiệu trong một cụm. Trong từng cụm thì kiểu điều chế là cố định tuy nhiên với các cụm khác nhau có thể sử dụng các phương pháp điều chế khác nhau. Các cụm được truyền đi đầu tiên thường sử dụng các phương pháp điều chế có khả năng chống lỗi cao như BPSK và QPSK, các cụm tiếp sau có thể sử dụng các phương pháp điều chế
với khả năng chống lỗi yếu hơn như 16 QAM và 64 QAM. Các khung con hướng xuống chứa cả 4 loại điều chế theo thứ tự đầu tiên là BPSK tiếp theo là QPSK, 16QAM và cuối cùng là 64QAM.
Truyền dẫn cho cả hướng lên và hướng xuống đều bắt đầu bằng hoa tiêu. Các hoa tiêu này cho phép máy thu đồng bộ với máy phát và nó cũng được sử dụng để đánh giá chất lượng kênh. Truyền dẫn hướng xuống thường bắt đầu với hoa tiêu dài. Hoa tiêu dài (hình 2.9) gồm có 2 ký hiệu được điều chế QPSK. Ký hiệu đầu tiên sử dụng 50 sóng mang con (các sóng mang con thứ 4), ký hiệu thứ 2 sử dụng 100 sóng mang con (các sóng mang con lẻ) trong tổng số 200 sóng mang con khả dụng. Các ký hiệu hoa tiêu được phát đi với công suất cao hơn khoảng 3dB so với các ký hiệu khác trong khung con hướng xuống. Điều này cho phép máy thu dễ dàng giải điều chế và giải mã chính xác. Một hoa tiêu ngắn được sử dụng trước mỗi cụm số liệu hướng lên. Hoa tiêu ngắn là một ký hiệu đơn của 100 sóng mang QPSK (tất cả các sóng mang được đánh số chẵn). Khi sử dụng các cụm hướng xuống dài có chứa rất nhiều ký hiệu, ta có thể chèn các hoa tiêu ngắn vào giữa các cum hướng xuống. Các hoa tiêu ngắn này giúp máy thu thực hiện đồng bộ lại và định kênh.
Hình 2.9: Hoa tiêu dài
Theo sau các hoa tiêu trong một khung là byte mào đầu điều khiển khung FCH (frame control header). Byte mào đầu điều khiển khung FCH là một ký hiệu đơn của điều chế BPSK. Ký hiệu này có chứa 88 bit mào đầu dùng để miêu tả các thông tin quan trọng của hệ thống như nhận dạng trạm gốc (BS ID), hồ sơ cụm số liệu hướng xuống mà máy thu cần để giải mã khung con. FCH không chứa đủ thông tin để miêu tả đầy đủ về hệ thống và đường lên nhưng nó chứa đủ thông tin để máy thu có thể bắt đầu giải mã các cụm số liệu đường xuống.
Các cụm số liệu đường xuống chứa thông tin người dùng cũng như các bản tin điều khiển. Mỗi cụm số liệu đường xuống chứa một hay nhiều ký hiệu. Mỗi ký hiệu chứa 12 đến 108 byte tải tin, số lượng cụ thể phụ thuộc vào phương pháp điều chế và độ lợi mã hóa (coding gain).
2.3.3 Kỹ thuật song công TDD và FDD
WiMax hỗ trợ hai phương thức song công TDD và FDD. Trong băng tần được phép, phương thức song công có thể là TDD hoặc FDD. Trong băng tần không cấp phép phương thức song công là TDD.
• Song công phân chia theo tần số FDD (Frequency Division Duplex)
Đường xuống và đường lên sử dụng hai tần số khác nhau. Đường xuống cho phép song công hoàn toàn, đường lên có thể là song công hoàn toàn (SS thu phát đồng thời) hoặc bán song công (SS thu hoặc phát tại một thời điểm
• Song công phân chia theo thời gian TDD ( Time Division Duplex)
Các khung dữ liệu đường lên và đường xuống chia sẻ cùng một kênh một kênh tần số và được ghép luân phiên theo thời gian. Các khung TDD có độ dài cố định, chứa một khung đường lên và một khung đường xuống. Việc chia khung TDD có tính chất thích nghi, các khoảng thời gian cho một khung TDD có thể là 0,5ms, 1ms hoặc 2ms.
Khung đường lên lại được chia thành nhiều khe thời gian con nhờ công nghệ OFDM, mỗi khe dành cho một trạm thuê bao SS gửi các khung PHY PDU của mình, mỗi khung PHY PDU có một burst dữ liệu đường xuống.
TDD là khoảng giữa burts hướng xuống và burts hướng lên theo sau. Khoảng này mở ra một khoảng thời gian để trạm phát sóng BS có thể chuyển từ trạng thái nhận tin sang trạng thái truyền tin. Trong khoảng thời gian này, trạm phát sóng BS và thuê bao SS không được phát sóng bất cứ dữ liệu gì đã được điều chế tuy nhiên nó cho phép bộ phát sóng của BS có thể truyền đi những xung dốc xuống. Các anten/phát khởi động, bộ thu tín hiệu BS tích cực. Sau
khoảng thời gian này bộ thu phát sóng BS sẽ tìm được các tín hiệu đầu tiên của burst uplink.
RTG là khoảng giữa burst hướng lên và burst hướng xuống theo sau. Khoảng này cho phép phép trạm phát sóng BS chuyển từ trạng thái nhận dữ liệu sang trạng thái phát dữ liệu, trong khoảng thời gian này BS không phát dữ liệu đã điều chế, tuy nhiên cho phép BS phát tín hiệu dốc lên, anten thu/phát tín hiệu khởi động, bộ thu tín hiệu của thuê bao SS được tích cực. Sau khoảng thời gian này thuê bao SS sẽ tìm những dữ liệu đã được điều chế QPSK trong burst hướng xuống. khoảng thời gian này là bội số khe vật lý PS (Physical Slot) bắt đầu tính từ biên giới của khe vật lý này.
… …. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 2.10: Cấu trúc khung OFDM với kỹ thuật sông công TDD
Các tham số trong cấu trúc khung OFDM
+ Preamble: tiền đồng bộ, được dùng để thiết lập tính đồng bộ. + FCH (Frame Control Header): tiêu đề điều khiển khung + PDU: đơn vị dữ liệu giao thức
Các khung thời TDD Trục thời gian
Khung đường xuống
DL PHY PDU Khe dành cho
ranging trong Khe cho yêu cầu băng thông UL PHY PDU SS#1 UL PHY PDU SS#1
Mỗi khung PHY PDU đường xuống có nhiều burst dữ liệu đường xuống được điều chế/ mã hóa khác phù hợp cho từng SS
Mỗi khung PHY PHU đường lên có một burst dữ liệu đường lên, được điều chế/mã hóa tùy theo từng SS
Preamble FCH DL burst
#1 DL burst #2 DL burst # m
preamble UL burst
Khung gian đường
lên
RTG
+ Ranging: thiết lập các thông số truyền dẫn chính trong dải cho phép giữa SS và BS để có thể liên lạc được với BS, ví dụ như độ lệch thời gian, mức công suất phát.
2.3.4 Điều chế và mã hóa
Lớp vật lý vô tuyến của Wimax dựa theo lớp vật lý vô tuyến MAN_OFDM mô tả trong chuẩn 802.16 MAN_OFDM là dạng ghép kênh phân chia theo tần số trực giao với điểm biến đổi FFT. Đây là giao tiếp bắt buộc trong băng tần không cần cấp phép, trên cơ sở kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM..
2.3.4.1 Mã hóa kênh
a. Ngẫu nhiên hóa
Mã ngẫu nhiên hóa dữ liệu được thực hiện trên mỗi burst dữ liệu cả đường lên và đường xuống. Ngẫu nhiên hóa được thực hiện trên từng đường lên hoặc đường xuống, nghĩa là với một khối dữ liệu (được xác định bởi các kênh con trên miền tần số và các ký hiệu OFDM trên miền thời gian) của mỗi đường sẽ được dùng một cách độc lập.
Mã ngẫu nhiên hóa đảm bảo được sự đồng bộ với bên thu, đồng hồ bên thu sẽ dễ dàng được khôi phục hơn, qua đó sự giải đều cũng dễ dàng hơn. Còn đối với các thiết bị mà không có được bộ giải điều chế ngẫu nhiên thì các tín hiệu này giống như các tín hiệu nhiễu, tạp âm ( xác suất bit 1 và 0 là ngang nhau), nó sẽ không thu nhận được
b.Kiểm soát lỗi
FEC (forward error correction) có khả năng thay đổi kích thước block và khả năng sửa lỗi. FEC này được liên kết với một mã nhân chập khối bên trong để truyền dữ liệu tới hạn một cách thông suốt, như các truy nhập điều khiển khung và truy nhập khởi đầu.
Hệ thống sử sụng một khung 0.5, 1 hoặc 2 ms. Khung này được chia ra thành những khe vật lý cho mục đích cấp phát và nhận biết dải thông thuộc các chuyển tiếp PHY. Một khe vật lý được định nghĩa cho 4 ký hiệu QAM (quadrature amplitude modulation). Trong phương án TDD của PHY, khung con của đường lên kế tiếp theo khung con của đường xuống trong cùng một tần số sóng mang. Trong phương án FDD, các khung con của đường lên và đường xuống cuối cùng cũng trùng khớp nhưng chúng được mang trên những tần số riêng biệt.
Khung con của đường xuống bắt đầu với một đoạn điều khiển khung có chứa DL-MAP cho khung đường xuống hiện hành cũng như UL-MAP cho thời gian định rõ trong tương lai. Khung con đường xuống có chứa một TDM- portion (đoạn TDM) ngay tiếp theo đoạn điều khiển khung. Dữ liệu đường xuống được truyền tới mỗi SS khi sử dụng một burst-profile thỏa thuận.
Trong các hệ thống, sau đoạn TDM là một đoạn TDMA có chứa một đoạn mở đầu (preamble) phụ tại điểm xuất phát của mỗi burst-profile mới. Đặc tính này cho phép hỗ trợ tốt hơn các SS bán song công. Trong một hệ thống FDD được hoạch định hiệu quả với nhiều SS bán song công, một số có thể truyền sớm hơn trong khung hơn là chúng nhận. Vì bản chất bán song công, các SS này mất sự đồng bộ hóa với đường xuống. TDMA-preamble cho phép chúng lấy lại sự đồng bộ hóa đó.
Một khung con đường lên điển hình cho PHY 10–66 GHz. Không giống như đường xuống, UL-MAP cấp giải thông cho các SS cụ thể. Các SS truyền trong vùng cấp phát được ấn định có sử dụng burst-profile chỉ rõ bởi UIUC (Uplink Interval Usage Code) trong mục vào (entry) UL-MAP cấp dải thông cho
chúng. Khung con đường lên có thể cũng chứa những định vị trên cơ sở cạnh tranh cho truy nhập hệ thống lúc ban đầu và "broadcast" hay "multicast" các yêu cầu dải thông. Những cơ hội truy cập cho truy nhập hệ thống lúc ban đầu được xác định độ lớn để cho phép thêm thời gian bảo vệ các SS mà chúng đã không được giải quyết thời gian truyền cần thiết để bù lại độ trễ toàn phần (round-trip delay) cho BS.
Giữa PHY và MAC là một lớp con hội tụ truyền TC (transmission convergence). Lớp này thực hiện sự biến đổi các PDU (protocol data units) MAC độ dài có thể thay đổi vào trong các block FEC độ dài cố định (cộng thêm có thể là một block được rút ngắn vào đoạn cuối) của mỗi “burst”. Lớp TC có một PDU có kích thước khớp với block FEC hiện thời bị đầy. Nó bắt đầu với một con trỏ chỉ ra vị trí đầu mục PDU MAC tiếp theo bắt đầu bên trong block FEC. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Khuôn dạng PDU TC cho phép đồng bộ hóa lại PDU MAC tiếp sau trong trường hợp block FEC trước đó có những lỗi không thể phục hồi được. Không có lớp TC, một SS hay BS nhận sẽ mất toàn bộ phần còn lại của một "burst" khi một lỗi không thể sửa chữa xuất hiện.
c. Quá trình cài xen
Tất cả các bit dữ liệu sau khi đã mã hóa sẽ được cài xen bởi một nộ cài khối với kích thước tương ứng với số bit đã mã hóa trên các kênh con được cung cấp trên mỗi ký tự OFDM. Hàm cài xen được định nghĩa bởi một phép hoán vị 2 bước. bước đầu tiên đảm bảo các bit đã mã hóa gần nhau được ánh xạ vào một sóng mạng phụ không kề nhau. Phép hoán vị thứ hai đảm bảo các bit đã mã hóa gần nhau được ánh xạ luân phiên vào các bit ít hay nhiều ý nghĩa hơn của chùm ký hiệu, do đó tránh được việc xảy ra các bit có độ tin cậy thấp trong thời gian dài.
Hình 2.12: Quá trình cài xen
2.3.4.2 Điều chế
a. Điều chế số
Sau quá trình đan xen bit, các bit dữ liệu được vào theo tốc bộ tạo ánh xạ chùm. Các kỹ thuật điều chế được hỗ trợ bao gồm BPSK, QPSK ánh xạ Gray, 16 QAM và 64 QAM. Các chùm ánh xạ sẽ được khôi phục lại bằng cách ghép chùm điểm với hệ số chỉ thị
b. Điều khiển công suất
Các thuật toán điều khiển công suất được sử dụng để cải tiến hiệu suất tổng thể của hệ thống, nó được thực hiện nhờ trạm gốc gửi thông tin điều khiển công suát tới từng CPE để ổn định mức công suất phát sao cho mức thu được tại