Đề tài Giới thiệu chung về WiMAX

WiMAX Overview & Technology Mục lục Mục lục hình ảnh Hình 1.1 Mô hình mạng WiMAX cố định 8 Hình 3.1 Cấu trúc khung OFDM dành cho truyền TDD 14 Hình 3.2 Cấu trúc khung OFDM dành cho truyền FDD 15 Hình 3.3 Cấu trúc khung WiMAX OFDM 18 Hình 3.4 Minh họa khung OFDMA với cấu trúc đa vùng 19 Hình 3.5 Mô hình lớp PHY và MAC 22 Hình 3.7 Định dạng MAC PDU 25 Hình 3.8 Generic MAC header format 26 Hình 3.9 Bandwidth request header 27 Hình 3.10 MAC management messages format 28 Hình 3.11 Ghép MAC PDU 28 Hình 3.12 MAC PDU encryption 29 Hình 3.13 Mô hình lớp con bảo mật 31 Hình 3.14 Giao thức chứng thực 34 Hình 4.1 Điều chế QPSK 36 Hình 4.2 Bộ biến đổi nối tiếp song song 37 Hình 4.3 Tổ hợp bit điều chế QPSK 37 Hình 4.4 Sơ đồ khối điều chế QPSK 38 Hình 4.5 Sơ đồ khối phương pháp điều chế M_QAM 39 Hình 4.6 Kỹ thuật ghép kênh theo tần số trực giao 40 Hình 4.7 Cấu trúc của một ký hiệu OFDM 41 Hình 4.8 Tiền tố vòng CP và hiện tượng đa đường 43 Hình 4.9 Hai chế độ song công TDD và FDD 44 Hình 4.10 Cấu trúc sóng mang con OFDMA 46 Hình 4.11 Kênh con hóa trong OFDMA 47 Hình 4.12 Sự tạo kênh trong mô hình FUSH 48 Hình 4.13 Cluster trong mô hình DL PUSH 48 Hình 4.14 Tile trong mô hình UL PUSH 49 Hình 4.15 Mô hình AMC 50 Hình 4.16 Nhóm các sóng mang con cho mỗi người dùng khác nhau 51 Hình 4.17 Cấu trúc khung công nghệ đa truy nhâp OFDMA 51 Hình 4.18 Điều chế thích nghi và mã hóa dựa trên khoảng cách với BS 54 Hình 4.19 Mô hình giao thức ARQ dừng và đợi 56 Hình 4.20 Mô hình giao thức ARQ lùi N 57 Hình 4.21 Giao thức ARQ lùi N với gói tin bị lỗi 58 Hình 4.22 Giao thức ARQ lùi N với ACK bị lỗi 58 Hình 4.23 Cơ chế yêu cầu lặp lại khi lỗi xảy ra 60 Hình 4.24 Hỗ trợ QoS WiMAX di động 62 Hình 4.25 Chuyển giao cứng HHO 66 Hình 4.26 Chuyển trạm gốc nhanh ( FBSS ) 67 Hình 4.27 Chuyển giao phân tập MDHO 68 Mục lục bảng biểu Bảng 3.1 Thông số định dạng của DLFP 15 Bảng 3.2 Một số bản tin sử dụng kết nối cơ sở 22 Bảng 3.3 Một số bản tin sử dụng kết nối quản lý sơ cấp 22 Bảng 3.4 Nội dung khóa chứng thực AK trong PMK version 2 31 Bảng 3.5 Bảng so sánh chuẩn 802.16d và 802.16e 33 Bảng 4.1 Các tham số tỉ lệ OFDMA 51 Bảng 4.2 Tốc độ dữ liệu PHY trong WiMAX di động 53 Bảng 4.3 Các dịch vụ WiMAX và QoS 61 Tổng quan về WiMAX Giới thiệu chung về WiMAX Wimax , tên viết tắt của Worldwide Interoperability for Microwave Access, là hệ thống truy nhập vi ba có tính tương tác toàn cầu dựa trên cơ sở tiêu chuẩn kỹ thuật IEEE 802.16-2004. Tiêu chuẩn này do hai tổ chức quốc tế đưa ra: Tổ công tác 802.16 trong ban tiêu chuẩn IEEE 802, và Diễn đàn WiMAX. Tổ công tác IEEE 802.16 là người chế định ra tiêu chuẩn; còn Diễn đàn WiMAX là người triển khai ứng dụng tiêu chuẩn IEEE 802.16. WiMAX là một công nghệ được tao ra bởi sự ảnh hưởng của các thành phần truyền tin và sự trang bị của các công ty, nó đã thúc đẩy và chứng nhận tính tương thích của thiết bị truy nhập băng rộng không dây, nó tương thích với chuẩn IEEE 802.16 và chuẩn ETSI-HIPERMAN. WiMax hoạt động gần giống với Wi-Fi nhưng được cải thiện khá nhiều để có thể tăng tốc độ truyền dẫn dữ liệu tới 70 Mbit/s với phạm vi hoạt động 2-10 km trong khu vực thành thị và 50 km tại những vùng hẻo lánh.  Tổ chức phi lợi nhuận WiMAX bao gồm các công ty sản xuất thiết bị và linh kiện truyền thông hàng đầu thế giới đang nỗ lực thúc đẩy và xác nhận tính tương thích và khả năng hoạt động tương tác của thiết bị truy cập không dây băng thông rộng tuân theo chuẩn kỹ thuật IEEE 802.16 và tăng tốc độ triển khai truy cập không dây băng thông rộng trên toàn cầu. Do đó các chuẩn 802.16 thường được biết đến với cái tên WiMAX. Công nghệ truy nhập không dây đang được triển khai ứng dụng có triển vọng nhằm bổ sung cho mạng thông tin di động. Mạng Wi-Fi chủ yếu phục vụ cho mạng cục bộ LAN, còn WiMAX phục vụ chủ yếu cho mạng đô thị MAN (Metropolitan Area Network). Mạng WiMAX cũng như mạng đô thị hữu tuyến (truyền dẫn qua cáp) như mạng DSL đều được sử dụng để phục vụ các thuê bao trong vùng tới 50km. Sự đi lên từ Wifi đến WiMAX Trên thực tế, trong thời gian qua, với sự ra đời của Wifi đã làm thay đổi cách thức trao đổi thông tin của người sử dụng.Tuy nhiên, do Wifi là công nghệ được thiết kế hướng tới các mạng LAN kh dây, chính vì vậy trong những trượng hợp cụ thể, khi áp dụng công nghệ này cho mạng MAN, thì nó đã bộc lộ rất nhiều những hạn chế. Trước hết Wifi được thiết kế cho mạng ít thuê bao,kênh truyền của nó cố định kích thước khoảng 20Mhz, do vậy rất kém linh hoạt. Bên cạnh đó, Wifi không hỗ trợ kiến trúc Mesh, một kiến trúc đảm bảo sự liên thông tốt trong mạng đô thị.Hơn nữa, nếu ta truyền trong môi trường tốt, ít nhiễu, tầm nhìn thẳng ( LOS ), dụng các Anten định hướng với công suất đủ lớn thì Wifi cũng chỉ đạt tới khoảng cách vài km, rất hạn chế cho việc phủ song trong một pham vi lớn… Sự ra đời của Wimax đã khắc phục được những nhược điểm trên của Wifi. Hiện nay, Wimax được xem là một giải pháp toàn diện của công nghệ không dây băng rộng trong đô thị, ngoại ô và những vùng nông thôn xa xôi hẻo lánh… Wimax cho phép truyền không dây các loại dữ liệu, hình ảnh, âm thanh nhanh hơn cả DSL hay cáp, và tất nhiên là nhanh hơn nhiều lần các công nghệ không dây hiện hành như 802.11a hay 802.11b mà không yêu cầu điều kiện truyền thẳng. WiMAX là mạng không dây phủ sóng một vùng rộng lớn, thuận tiện cho việc triển khai mạng nhanh, thuận lợi và có lợi ích kinh tế cao so với việc kéo cáp, đặc biệt là vùng có địa hình phức tạp. Vì vậy, mạng truy nhập không dây băng rộng WiMAX sẽ đáp ứng được các chương trình phổ cập Internet ở các vùng sâu, vùng xa, nơi có mật độ dân cư thưa. Đối với các vùng mật độ dân cư vừa phải (ngoại vi các thành phố lớn nơi đòi hỏi cung cấp đa dịch vụ với chất lượng được đảm bảo) thì việc triển khai WiMAX để cung cấp các dịch vụ đa phương tiện sẽ nhanh và có hiệu quả kinh tế cao hơn và với việc cung cấp băng thông rộng sẽ đáp ứng được các yêu cầu về chất lượng. WiMAX có những ưu thế vượt trội so với các công nghệ cung cấp dịch vụ băng thông rộng hiện nay về tốc độ truyền dữ liệu và giá cả thấp do cung cấp các dịch vụ trên nền IP. Với khả năng truy nhập từ xa, tốc độ dữ liệu cao đáp ứng đa dạng các dịch vụ như Internet tốc độ cao, thoại qua IP, video luồng/chơi game trực tuyến cùng với các ứng dụng cộng thêm cho doanh nghiệp như hội nghị video và giám sát video, mạng riêng ảo bảo mật... WiMAX phù hợp với các ứng dụng truy cập xách tay, với sự hợp nhất trong các máy tính xách tay và PDA, cho phép truy nhập không dây băng rộng ngoài trời ở các khu vực đô thị, đồng thời cũng thích ứng với các ứng dụng truy nhập băng rộng cố định ở những vùng xa xôi, hẻo lánh. WiMAX là một giải pháp tuyệt vời về mặt công nghệ kết nối nhưng sẽ cần một chi phí lớn phải bỏ ra để phát triển hạ tầng cho một hệ thống mới trong khi hệ thống cũ vẫn còn chưa được sử dụng hết. Quả thực, nếu phải đầu tư một khoản kinh phí để triển khai WiMAX trên một quy mô lớn trong khi công nghệ 3G vẫn là tiềm năng chưa khai thác hết thì chắc chắn các công ty viễn thông sẽ phải tính toán và cân nhắc hết sức kỹ lưỡng trước khi bỏ tiền đầu tư cho việc phát triển dịch vụ này. Hai mô hình ứng dụng WiMAX Tiêu chuẩn IEEE 802.16 đề xuất 2 mô hình ứng dụng: Mô hình ứng dụng cố định Mô hình ứng dụng di động. Mô hình ứng dụng cố định (Fixed WiMAX) Mô hình cố định sử dụng các thiết bị theo tiêu chuẩn IEEE.802.16-2004. Tiêu chuẩn này gọi là “không dây cố định” vì thiết bị thông tin làm việc với các anten đặt cố định tại nhà các thuê bao. Anten đặt trên nóc nhà hoặc trên cột tháp tương tự như chảo thông tin vệ tinh. Hình 1.1 Mô hình mạng WiMAX cố định Tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004 cũng cho phép đặt anten trong nhà nhưng tất nhiên tín hiệu thu không khỏe bằng anten ngoài trời. Băng tần công tác ( theo quy định và phân bổ của quốc gia ) trong băng 2,5GHz hoặc 3,5GHz. Độ rộng băng tầng là 3,5MHz. Trong mạng cố định, WiMAX thực hiện cách tiếp nối không dây đến các modem cáp, đến các đôi dây thuê bao của mạch xDSL hoặc mạch Tx/Ex (truyền phát/chuyển mạch) và mạch OC-x (truyền tải qua sóng quang). WiMAX cố định có thể phục vụ cho các loại người dùng (user) như: các xí nghiệp, các khu dân cư nhỏ lẻ, mạng cáp truy nhập WLAN công cộng nối tới mạng đô thị, các trạm gốc BS của mạng thông tin di động và các mạch điều khiển trạm BS. Về cách phân bố theo địa lý, các user thì có thể phân tán tại các địa phương như nông thôn và các vùng sâu vùng xa khó đưa mạng cáp hữu tuyến đến đó.  Sơ đồ kết cấu mạng WiMAX được đưa  ra trên hình 1.4. Trong mô hình này bộ phận vô tuyến gồm các trạm gốc WiMAX BS (làm việc với anten đặt trên tháp cao) và các trạm phụ SS (SubStation). Các trạm WiMAX BS nối với mạng đô thị MAN hoặc mạng PSTN Mô hình ứng dụng WiMAX di động Mô hình WiMAX di động sử dụng các thiết bị phù hợp với tiêu chuẩn IEEE 802.16e. Tiêu chuẩn 802.16e bổ sung cho tiêu chuẩn 802.16-2004 hướng tới các user cá nhân di động, làm việc trong băng tần thấp hơn 6GHz. Mạng lưới này phối hợp cùng WLAN, mạng di động cellular 3G có thể tạo thành mạng di động có vùng phủ sóng rộng. Hy vọng các nhà cung cấp viễn thông hiệp đồng cộng tác để thực hiện được mạng viễn thông digital truy nhập không dây có phạm vi phủ sóng rộng thỏa mãn được các nhu cầu đa dạng của thuê bao. Tiêu chuẩn IEEE 802.16e được thông qua trong năm 2005. Các chuẩn trong WiMAX Chuẩn IEEE 802.16 - 2001 Chuẩn IEEE 802.16-2001 được hoàn thành vào tháng 10/2001 và được công bố vào ngày 08/04/2002, định nghĩa đặc tả kỹ thuật giao diện không gian WirelessMAN™ cho các mạng vùng đô thị. Việc hoàn thành chuẩn báo trước sự chấp nhận truy nhập không dây băng rộng như một công cụ chủ yếu mới trong sự cố gắng liên kết các tòa nhà và cơ quan doanh nghiệp với các mạng viễn thông nòng cốt trên thế giới. Như trong định nghĩa chuẩn IEEE 802.16, một mạng vùng đô thị không dây cung cấp sự truy nhập mạng cho các tòa nhà thông qua ăngten ngoài trời có thể truyền thông với các trạm cơ sở rađiô trung tâm (BS). Do hệ thống không dây có khả năng hướng vào những vùng địa lý rộng, hoang vắng mà không cần phát triển cơ sở hạ tầng tốn kém như trong việc triển khai các kết nối cáp nên công nghệ tỏ ra ít tốn kém hơn trong việc triển khai và như vậy dẫn đến sự truy cập băng rộng tăng lên ở khắp mọi nơi. Bản thiết kế MAC WirelessMAN có thể làm thích nghi mọi kết nối với chất lượng dịch vụ (QoS) hoàn hảo. Với công nghệ được mở rộng theo hướng này, nó là chuẩn được phát triển để hỗ trợ những người cung luôn cần sự di chuyển ( ví dụ như trong xe cộ chẳng hạn ). Chuẩn IEEE 802.16 đã được thiết kế để mở ra một tập các giao diện không gian (air interfaces) dựa trên một giao thức MAC thông thường nhưng với các đặc tả lớp vật lý phụ thuộc vào việc sử dụng và những điều chỉnh phổ có liên quan. Chuẩn hướng vào các tần số từ 10 – 66 GHz, nơi phổ rộng hiện có sẵn để sử dụng trên toàn cầu, nhưng tại đó những bước sóng ngắn được xem như những thách thức trong việc triển khai. Chính vì lý do đó đã là tiền đề cho sự ra đời của chuẩn mới, chuẩn 802.16a. Chuẩn IEEE 802.16a Chuẩn 802.16a được hoàn thành vào tháng 11 - 2002 và được công bố vào tháng 4 - 2003. Chuẩn này cung cấp khả năng truy cập băng rộng không dây ở đầu cuối và điểm kết nối bằng băng tần 2-11 GHz, bao gồm cả những phổ cấp phép và không cấp phép, với khoảng cách kết nối tối đa có thể đạt tới 50 km trong trường hợp kết nối điểm điểm và 7-10 km trong trường hợp kết nối từ điểm đa điểm. Tốc độ truy nhập có thể đạt tới 70 Mbps. Trong khi với dải tần 10-66Ghz chuẩn 802.16 - 2001 phải yêu cầu tầm nhìn thẳng, thì với dải tần 2-11Ghz chuẩn 802.16a cho phép kết nối mà không cần thoả mãn điều kiện tầm nhìn thẳng, tránh được tác động của các vật cản trên đường truyền như cây cối, nhà cửa. Chuẩn này sẽ giúp ngành viễn thông có các giải pháp như cung cấp băng thông theo yêu cầu, với thời gian thi công ngắn hay băng thông rộng cho hộ gia đình mà công nghệ thuê bao số hay mạng cáp không tiếp cận được. So sánh với những tần số cao hơn, những phổ như vậy tạo cơ hội để thu được nhiều khách hàng hơn với chi phí chấp nhận được, mặc dù các tốc độ dữ liệu là không cao. Tuy nhiên, các dịch vụ sẽ hướng tới những toà nhà riêng lẻ hay những xí nghiệp vừa và nhỏ. Chuẩn IEEE 802.16c - 2002 Chuẩn IEEE 802.16c được đưa ra vào tháng 9/2002. Chuẩn được nâng cấp lên từ chuẩn 802.16 – 2001. Bản cập nhật đã sửa một số lỗi và sự mâu thuẫn trong bản tiêu chuẩn ban đầu và thêm vào một số profiles hệ thống chi tiết cho dẩi tần 10 – 66 GHz. Chuẩn IEEE 802.16d - 2004 Chuẩn IEEE 802.16-2004 được chính thức phê chuẩn ngày 24/07/2004 và được công bố rộng rãi vào tháng 9/2004. IEEE 802.16 – 2004 thường được gọi với tên 802.16-REVd. Chuẩn này được hình thành dựa trên sự tích hợp các chuẩn 802.16-2001, 802.16a, 802.16c. Chuẩn mới này đã được phát triển thành một tập các đặc tả hệ thống có tên là IEEE 802.16-REVd, nhưng đủ toàn diện để phân loại như là một sự kế thừa hoàn chỉnh chuẩn IEEE 802.16 ban đầu. Chuẩn 802.16d hỗ trợ cả 2 dải tần số, cho phép kết nối thực hiện ở các môi trường khác nhau : Băng tần 10 – 66 Ghz : với băng tần này thường được dung trong môi trường tầm nhìn thẳng ( LOS ). Độ rộng kênh được khuyến nghị cho dải tần này là 25 đến 28 MHz. Nó cung cấp khả năng hỗ trợ tốt trong những ứng dụng mô hình điểm – đa điểm. Băng tần 2 – 11 GHz : với băng tần này thường được dung trong môi trường không trong tầm nhìn thẳng ( NLOS ).Nó cung cấp khả năng hỗ trợ tốt trong những ứng dụng mô hình Mesh. Chuẩn IEEE 802.16e – 2005 Chuẩn 802.16e - 2005 được tổ chức IEEE đưa ra vào tháng 11 - 2005. Đây là phiên bản phát triển dựa trên việc nâng cấp chuẩn 802.16 - 2004 nhằm hỗ trợ thêm cho các dịch vụ di động. Chuẩn này sử dụng kỹ thuật đa truy nhập SOFDMA ( Scalable Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access ), kỹ thuật điều chế đa sóng mang sử dụng kênh phụ. Băng tần được khuyến cáo dành cho chuẩn là < 6Ghz để phục vụ cho các ứng dụng trong môi trường ko trong tầm nhìn thẳng và ứng dụng di động. Tuy tốc độ và khả năng bao phủ không được lớn như chuẩn cố định, nhưng với kênh băng thông 10 Mhz, nó cũng có thể đạt tới tốc độ 30 MHz, với khả năng bao phủ tới 15 km. Một đặc điểm nổi bật của chuẩn này là có thể ứng dụng trong môi trường di động với tốc độ lý thuyết có thể lên tới đến 120 km/h. Đặc điểm chuẩn 802.16d và 802.16e cho WiMAX cố định và di động Trong chuẩn IEEE 802.16 d và 802.16e có đưa ra 4 cấu hình dành cho lớp PHY đó là: + Wireless MAN-SC PHY sử dụng phương pháp điều chế đơn sóng mang và hoạt động tại băng tần từ 10-66 GHz + Wireless MAN-SCa PHY cũng sử dụng phương pháp điều chế đơn sóng mang nhưng được thiết kế hoạt động trong môi trường NLOS và trong giải tần số dưới 11GHz + Wireless MAN-OFDM PHY sử dụng phương pháp điều chế OFDM , được thiết kế hoạt động trong môi trường NLOS và trong dải tần số dưới 11GHz + Wireless MAN-OFDM PHY cũng sử dụng phương pháp điều chế OFDM và cũng hoạt động trong môi trường NLOS dưới tần sô 11GHz, nhưng đây là lớp PHY mở rộng cho các ứng dụng mobile. Cấu trúc khung lớp PHY Trong băng tần cấp phép, phương pháp song công được lựa chọn là FDD hoặc TDD. Trong băng tần không phải đăng ký phương pháp song công được sử dụng là TDD. Một khung thời gian bao gồm PHY PDU của BS và SS, khoảng trống và thời gian bảo vệ. OFDM PHY hỗ trợ truyền thông tin dựa trên các khung. Một khung bao gồm một downlink subframe và một uplink subframe. Một downlink subframe chỉ bao gồm một dowlink PHY PDU, một uplink subframe bao gồm một hoặc nhiều uplink PHY PDUs, mỗi cái được truyền từ một SS khác nhau. Một downlink bắt đầu bằng một phần preamble(?) được sử dụng để đồng bộ PHY, tiếp theo là một FCH brust. FCH brust là một OFDM symbol dài và được truyền sử dụng BPSK với tốc độ ½ với hệ thống mã bắt buộc. Nếu được truyền trong khung thì một bản tin DL_MAP sẽ là MAC_PDU đầu tiên trong burst ngay sau FCH. Một bản tin UL_MAP sẽ nằm ngay sau bản tin DL_MAP (nếu như nó được truyền) hoặc là DLFP (nếu nhu bản tin DL_MAP không được truyền). Nếu bản tin UCD và DCD được truyền trong khung nó sẽ đi ngay sau bản tin DL_MAP và UL_MAP. Mặc dù burst # 1 bao gồm các bản tin điều khiển MAC broadcast nhưng nó không cần thiết phải sử dụng phương pháp điều chế và mã hóa hiệu quả. Phương pháp điều chế mã hóa hiệu quả có thể sử dụng nếu nó được hỗ trợ và áp dụng cho tất cả các SS của một BS. Một FCH được theo sau bởi một hoặc nhiều downlink burst. Mỗi một downlink burst bao gồm một số nguyên các OFDM symbol. Vị trí và các profile của downlink burst đầu tiên được xác định trong downlink frame prefix (DLFP). Vị trí và cấu trúc của (profile) của số lượng burst theo sau cũng có thể sẽ được xác định trong DLFP. Tối thiểu một DL_MAP đầy đủ phải được broadcast trong burst# 1. (thông tin trong bảng 342) Vị trí và profile của các burst khác được xác định trong DL_MAP Hình 3.1 Cấu trúc khung OFDM dành cho truyền TDD Hình 3.2 Cấu trúc khung OFDM dành cho truyền FDD Sau đây là các thông số định dạng của DLFP: Cú pháp Kích thước Note DL_frame_prefix_format(){ Base_station_ID 4 bits 4LBS của BS_ID. Burst được xác định bởi DLFP sẽ không được giải mã nếu những bit này không phù hợp với những bit của BS mà nó đã được đăng ký Frame_number 4 bits 4 LBS Configuration_change_count 4 bíts 4 LBS của giá trị change count Reserved 4 bits Sẽ được thiết lập về 0 For (n=0;n<4;n++){ DL_frame_prefix_IE(){ Rate_ID/DIUC 4 bits Đối với những thông tin đầu tiên nó sẽ được mã hóa rate_ID theo bảng 224. If(DIUC!=0){ Preamble present 1 bit Nếu bit này bằng 1 thì preamble sẽ nằm trước burst Length 11 bits Số OFDM symbol trong burst } else { Start time 12 bits } } } HSC 8 bits } Bảng 3.1 Thông số định dạng của DLFP 8 bits Header Check Sequence sử dụng để phát hiện lỗi trong DL Frame Prefix. Đa thức sinh là . Bên truyền sẽ mang tất cả các byte trong DLFP ngoại trừ thông tin được lưu cho HCS và chia chúng cho hàm và sử dụng số dư như là một mã HCS. Tại bên nhận, phép chia DLFP cho sẽ số dư bằng 0 nếu thông tin thu được là chính xác. Cấu trúc khung PMP trong WiMAX di động Trong hệ thống sử dụng TDD và FDD bán song công, các trạm thuê bao chấp nhận phải được tạo bởi khoảng hở truyền dẫn giữa các trạm thuê bao thu/phát SSRTG ( Subscriber Station Receive/Transmit Transition Gap ) và khoảng hở truyền dẫn giữa các trạm thuê bao phát/thu SSTTG ( Subscriber Station Transmit/Receive Transition Gap ). Trạm gốc sẽ không thể truyền thông tin đường xuống tới một trạm muộn hơn thời gian SSRTG và trễ vòng lặp RTD ( Round Trip Delay ) trước khi bắt đầu việc lập lịch cấp phát đường lên đầu tiên của nó. Thêm vào đó, trạm thuê bao không những được phép để thu nhận mào đầu đường xuống ( preamble downlink ) cho mỗi khung mà nó còn chứa đựng dữ liệu DL trong đó, bảo đảm cho các khoảng được chỉ định ở trên không được chồng lấp vào phần mào đầu. Các thông số SSRTG và SSTTG được cung cấp bởi BS và SS dựa trên những yêu cầu trong quá trình đi vào mạng Hình sau minh họa cấu trúc khung OFDM ở chế độ TDD.Mỗi khung được chia ra thành các khung lên và khung xuống bởi bộ Phát / Thu và Thu / Phát để tránh đụng độ giữa đường lên và đường xuống. Trong một khung, các thông tin điều khiển đi theo để đảm bảo hệ thống hoạt động tối ưu : - Phần đầu khung ( Preamble ) : Phần mào đầu, được sử dụng cho đồng bộ, là symbol OFDM đầu tiên của khung. - Tiêu đề điểu khiển khung FCH ( Frame Control Head ) : FCH nằm sau phần mào đầu khung. Nó cung cấp thông tin cấu hình khung như độ dài bản tin MAP, nguyên lý mã hóa và các kênh con hữu dụng. - DL-MAP và UL-MAP : DL-MAP và UL-MAP cung cấp sự cấp phát kênh con và các thông tin điều khiển khác lần lượt cho các khung con DL và UL. - Sắp xếp UL : Kênh con sắp xếp cho UL được cấp phát cho các trạm di động MS ( Mobile Station ) để điều chỉnh thời gian vòng kín, tần số và công suất cũng như yêu cầu về băng thông. - UL CQICH : Kênh UL CQICH cung cấp cho trạm di động MS để phản hồi thông tin trạng thái kênh. - UL ACK : Kênh UL ACK cung cấp cho trạm di động MS để phản hồi thông tin báo nhận DL HARQ. Hình 3.3 Cấu trúc khung WiMAX OFDM Kênh con được cấp phát trên đường xuống có thể hoạt động theo những cách sau : kênh con được sử dụng một phần PUSC ( Partial Usage of Subchannel ) khi mà chỉ một số các kênh con được cấp phát dành cho truyền dẫn. FCH sẽ được truyền đi sử dụng điều chế QPSK tốc độ1/2 với 4 sự lặp lại sử dụng biểu đồ mã hóa bắt buộc ( thông tin FCH sẽ được gửi vào trong 4 kênh con cùng với số lượng kênh con logic kế tiếp ) trong vùng PUSC. FCH chứa đựng tiền tố khung DL ( DL_Frame_Prefix ) được biểu diễn ở hình dưới và độ dài lý thuyết của bản tin DL MAP đi theo trực tiếp DL_Frame_Prefix, và mã hóa lặp được sử dụng cho bản tin UL MAP. Việc chuyển trạng thái từ giữa điều chế và mã hóa diễn ra ở ranh giới các khe trong miền thời gian ( trừ miền AAS ) và ở các kênh con bên trong ký hiệu OFMDA trong miền tần số. Trong WiMax di động, việc sử dụng kênh con linh hoạt được thực hiện dễ dàng do phân đoạn kênh con và vùng hoán vị. Một phân đoạn là một sự phân mảnh của các kênh con OFDMA sẵn có (một đoạn có thể gồm toàn bộ các kênh con). Một đoạn được sử dụng để triển khai một trường hợp đơn lẻ của MAC. Như vậy , khung OFMDA có thể chứa nhiều vùng ( như là PUSC, FUSC, PUSC với tất cả các kênh con, FUSC tùy chọn, AMC, USC1 và USC2 … ). Vùng hoán vị là một số lượng các ký hiệu OFDMA liền kề trong DL hoặc UL mà sử dụng cùng hoán vị. Khung con DL hoặc UL bao gồm nhiều hơn một vùng hoán vị được mô tả trên dưới. Hình 3.4 Minh họa khung OFDMA với cấu trúc đa vùng Những giới hạn dưới đây được ứng dụng cho cấp phát đường xuống a) Số lượng tối đa cho các vùng đường xuống là 8 trong một khung con đường xuống b) Đối với mỗi SS, số lượng tối đa các burst được giải mã trong một khung con đường xuống là 64. Nó bao gồm tất cả các burst không có CID hoặc CID trùng với CID của SS. c) Đối với mỗi SS, số lượng tối đa các burst truyền một cách đồng thời và trực tiếp tới MS được giới hạn bởi các giá trị lý thuyết trong Max_Num_TLV ( bao gồm tất cả các burst không có CID hoặc có CID trùng với CID của MS ). Các burst truyền đồng thời là những burst chia sẻ những ký hiệu OFDMA giống nhau. Trước khi MS hoàn thành việc trao đổi với BS sẽ truyền dữ liệu tới MS đồng thời trong burst dữ liệu đầu tiên của mỗi ký hiệu. Nếu BS cấp phát nhiều dữ liệu burst hay zone hơn thì sau đó SS sẽ được yêu cầu giải mã các burst/zone đầu tiên trước khi đạt tới giới hạn. Cơ chế điều khiển Đồng bộ mạng Để TDD và FDD có thể nhận biêt, nó sẽ đề nghị (không yêu cầu) tất cả các BS đồng bộ hóa về thời gian theo một tín hiệu thời gian chung. Nếu như mất tín hiệu thời gian, BS vẫn tiếp tục hoạt động và tự động đồng bộ hóa lại theo theo tín hiệu thời gian của mạng khi nó được phục hồi. frequency references nhận được từ timing reference có thể được sử dụng để điều khiển độ chính xác tần số của BS với điều kiện là chúng đáp ứng những yêu cầu về chính xác tần số theo 8.3.12. Điều này áp dụng trong điều kiện hoạt động bình thường trong quá trình mất timing reference. Ranging Có hai loại quá trình ranging: initial ranging (ranging ban đầu) và periodic ranging (ranging chu kỳ). Initial ranging (đồng bộ thô) và power diễn ra trong hai pha: thứ nhất là lúc đăng ký và lúc mất đồng bộ hóa, thứ hai là trong quá trình truyền dựa trên một chu kỳ. Initial ranging sử dụng Bandwidth requesting Có hai loại REQ Region trong một frame đó là: REQ Region-full và REQ Region-Focuse. Trong một REQ Region-full, khi một subchannelization không được active mỗi TO sẽ bao gồm một preamble ngắn Khi subchannelization được active, phần được cấp được phân vào TO cả trong tần số và thời gian. Độ rộng (trong kênh phụ) và chiều dài (trong OFDM symbol) của mỗi TO được định nghĩa trong bản tin UCD (bảng 352). Truyền thông tin của một SS sẽ bao gồm Điều khiển công suất Tương tự như việc điều khiển tần số, một thuật toán điều khiển công suất sẽ được hỗ trợ cho kênh uplink với sự kiểm tra ban đầu và sự điều chỉnh trong quá trình hoạt động để không mất dữ liệu. Mục tiêu của thuật toán điều khiển công suất là mang lại mật độ công suất thu từ một thuê bao cho trước tới mức độ mong muốn. Mật độ công suất thu được định nghĩa là tổng công suất thu của một thuê bao cho trước chia cho số sóng mang phụ active. Khi một kênh phụ không được thuê, thì số lượng sóng mang phụ active tương ứng với tất cả các thuê bao và thuật toán điều khiển công suất sẽ mang lại tổng công suất thu từ một thuê bao cho trước tới mức độ mong muốn. BS sẽ có khả năng đo chính xác công suất của tín hiệu burst nhận được. Giá trị này sau đó có thể được so sánh lại với một mức tham chiếu và kết quả sai lệch có thể gửi trở lại SS trong một bản tin. Thuật toán điều khiển công suất được thiết kế để hỗ trợ sự suy giảm công suất theo khoảng cách suy hao và sự giao động của công suất. Sự áp dụng thuật toán này được đưa ra bởi nhà sản xuất. Phạm vi điều khiển tổng công suất bao gồm hai phần: thứ nhất là phần cố định và thứ hai là phần tự động điều khiển bởi phản hồi. Thuật toán điều khiển công suất sẽ xem xét đến sự tương tác giữa khuyếch đại công suất RF với các burst profile khác nhau. Khi kênh phụ được thuê, SS sẽ duy trì mật độ công suất được truyền trừ khi đạt tới mức công suất tối đa. Nghĩa là khi số lượng kênh phụ cấp cho một người sử dụng giảm đi, SS sẽ giảm tổng công suất được truyền một cách tương ứng mà không cần có thêm bản tin điều khiển công suất. Khi số kênh phụ tăng tổng công suất được truyền sẽ được tăng tương ứng. Tuy nhiên mức công suất được truyền sẽ không đạt đến mức tối đa. SS sẽ thông báo công suất tối đa cho phép và công suất truyền bình thường. SS sẽ thông báo công suất tối đa cho phép và công suất truyền hiện thời. nhưng thông số này có thể được sử dụng bởi BS để phục vụ cho việc lựa chọn mã hóa ,điều chế và để phân phối kênh phụ. Thuật toán là do nhà sản xuất đưa ra. Các thông số này được thông báo trong bản tin SBC-REQ. Công suất truyền hiện thời cũng sẽ được thông báo trong bản tin REP-RSP nếu như cờ thích hợp được thiết lâp. Công suất truyền hiện thời là công suất của burst mà mang bản tin. Công suất tối đa cho phép được quy đinh cho các mức điều chế BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM. Thông số công suất hiện thời và công suất tối đa có đơn vị là dbm. Các thông số này dao động với bước nhảy 0.5dbm trong phạm vi từ -64dbm (mã hóa 0x00) đến 63.5dbm (mã hóa 0xFF). Các giả trị ở ngoài khoảng này sẽ được gán cho giá trị trong khoảng mà gần nhất. Những SS không hỗ trợ điều chế 64QAM sẽ thông báo giá trị 0x00 trong trường công suất lớn nhất dành cho điều chế 64QAM. Lớp MAC Cũng giống như các bộ phận khác của họ 802 của IEEE, mô hình tham chiếu chuẩn 802.16e của WiMAX di động chỉ tập trung vào hai lớp : lớp liên kết dữ liệu ( Datalink Layer ) và lớp vật lý ( Physical Layer ) trong mô hình OSI. Hình 3.5 Mô hình lớp PHY và MAC Trong những công bố đầu tiên của chuẩn IEEE 802.16 chỉ ra rằng nó hoạt động trong tầm nhìn thẳng LOS ở băng tần cao trong dải tần số từ 10GHz đến 66GHz. Nhưng đã được sửa đổi và chỉ ra ở trong chuẩn IEEE 802.16e, thiết kế cho các hệ thống hoạt động ở dải tần từ 2 GHz đến 6 GHz. Ý nghĩa quan trọng của sự khác nhau giữa hai băng tần trên đó là khả năng hỗ trợ trong tầm nhìn không thẳng NLOS và ở tần số thấp khi mà các thiết bị không thể thực hiện được ở tần số cao. Lớp MAC mô tả trong 802.16e bao gồm 3 lớp con : lớp con hội tụ chuyên biệt dịch vụ ( Service Specific Convergence Sublayer ), lớp con MAC phần chung ( MAC Common Part Sublayer ) và lớp con bảo mật ( Privacy Sublayer ). Service-specific convergence sublayer Lớp con chuyên biệt về dịch vụ nằm ở phía trên lớp con phần chung, lớp con này thực hiện các chức năng như nhận, phân loại và xử lý các PDUs từ các lớp cao hơn, phân phát các dịch vụ PDUs đến các kết nối MAC thich hợp. Chuẩn 802.16 d đưa ra hai lớp con chuyên biệt về dịch vụ, đó là lớp con quy tụ ATM và lớp con quy tụ gói. Lớp con quy tụ ATM được định nghĩa cho những dịch vụ ATM . Lớp con quy tụ gói nằm ở phía trên lớp con phần chung MAC thực hiện các chức năng phân loại các PDU của các lớp cao hơn vào trong các kết nối thích hợp, lớp con này đưa ra nhằm thực hiện nhiệm vụ ánh xạ các dịch vụ gói như IP, PPP, Ethernet… MAC common path sublayer_lớp con phần chung Trong mạng wireless có hai topology thường được sử dụng để truyền thông tin đó là Point to Point và Mesh. Chuẩn 802.16 đưa ra lớp MAC hỗ trợ cho cả hai topology trên. Point to point Mỗi SS có một địa chỉ MAC 48-bit, địa chỉ này là duy nhất nó được sử dụng trong quá trình xử lý đăng nhập cho một SS. Các kết nối được nhận biết boi 16 bit CID, tại SS lúc khởi tạo có 2 kết nối quản lý (uplink và downlink) được thiết lập giữa BS và SS và một quản lý thứ 3 nữa có thể được tạo ra. Ba kết nối quản lý này ánh xạ 3 cấp độ khác nhau của QoS cho 3 mức quản lý khác nhau giữa BS và SS. Kết nối cớ sở được sử dung bởi BS MAC và SS MAC để truyền các ban tin quản lý MAC ngắn như: Message name Message description Connection DBPC-REQ Downlink Burst Profile Channel Request Basic DBPC-RSP Downlink Burst Profile Channel Response Basic REP-RSP Channel measurement Report Response Basic REP-REQ Channel measurement Report Request Basic Bảng 3.2 Một số bản tin sử dụng kết nối cơ sở Kết nối quản lý sơ cấp được sử dụng để truyền những ban tin quản lý MAC dài hơn và có độ trễ lớn hơn như: Message name Message description Connection REG-REQ Registration Request Primary Management REG-RSP Registration Response Primary Management PKM-REQ Privacy Key Management Request Primary Management PKM-RSP Privacy Key Management Response Primary Management Bảng 3.3 Một số bản tin sử dụng kết nối quản lý sơ cấp Cuối cùng là kết nối quản lý thứ cấp được sử dụng boi BS và SS để truyền những bản tin quản lý dựa trên cơ sở các chuẩn như DHCP, TFTP, SNMP. Bản tin mang trong kết nối thứ cấp có thể được đóng gói (packed) hoặc phân mảnh (fragmented). Với các cấu hình lớp PHY là SCa, OFDM, OFDMA bản tin quản lý có thêm CRC. Kết nối quản lý thứ cấp chỉ dành cho quản lý SS. CID cho các kết nối được đưa vào trong bản tin RNG-RSP và REG-RSP. Các giao tiếp bản tin cung cấp 3 giá trị CID. Các giá trị CID giống nhau được cung cấp cho cả hai hướng (uplink và downlink) của kết nối. Đối với các dịch vụ đã được thuê, thì BS bắt đầu thiết lập kết nối trên cở sở thông tin phân bố tới BS . Quá trình đăng ký của một BS hoặc quá trình thay đổi dịch vụ đã ký của một BS, sẽ bắt buộc BS bắt đầu cài lại hoạt động ở lớp cao hơn của kết nối. Mesh Mỗi node có một địa chỉ MAC 48 bit. Địa chỉ này là duy nhất do các nhà sản xuất thiết bị đưa ra. Địa chỉ này được sử dụng trong quá trình xử lý mạng và là một phần của quá trình xử lý chứng thực Sau khi được xác nhận vào mạng thì node này sẽ nhận 16 bit ID. Node ID là cơ sở cho việc nhận diện node trong quá trình hoạt động. Node ID được truyền trong phần tiếp đầu phụ nằm sau MAC header chung trong thông điệp unicat và broadcast . Link ID có giá trị bit được sử dụng cho địa chỉ node trong local neighborhood, mỗi một node sẽ gán một ID dành cho mỗi link mà nó thiết lập tới hàng xóm của nó. Link ID được truyền như một phần của CID trong generic MAC header trong bản tin unicast MAC PDU format và MAC header MAC PDU được miêu tả nhu hình sau: Hình 3.7 Định dạng MAC PDU Mỗi một PDU được bắt đầu bằng một tiếp đầu MAC chung có chiều dài cố định, sau phần tiếp đầu là các payload của MAC PDU. Các payload có thể gồm các Subheader, MAC SDU và thông tin của payload có thể thay đổi vì vậy MAC PDU cũng có thể thay đổi tương ứng. Một MAC PDU có thể bao gồm cả CRC, sự bổ sung CRC là bắt buộc đối với SCa, OFDM, OFDMA PHY layer. Chuẩn 802.16 d định nghía ra 2 dạng MAC header. Đầu tiên là MAC header chung được bắt đầu tại môi MAC PDU bao gồm các bản tin quản lý hoặc dữ liệu CS. Dạng thứ hai là bandwidth request header được sử dụng để yêu cầu thêm băng thông. Trường HT (Header Type)_1bit nằm trong MAC header sẽ biểu diễn là MAC header này thuộc loại nào. + HT=0 generic MAC header + HT=1 bandwidth request header Hình sau miêu tả cấu trúc của generic MAC header: Hình 3.8 Generic MAC header format Trong đó: + CI có chiều dài 1 bit, nhằm mục đích cho biết có gắn thêm trường CRC hay không. Nếu CI=1 thì CRC được thêm vào trong PDU ở sau PDU payload sau khi được mã hóa, ngược lại nếu CI=0 thì sẽ không có CRC + CID có chiều dài 16 bit là giá trị nhận dạng kết nối (connection identifier ) + EC có chiều dài 1 bit là trường dùng để điều khiển mã hóa. EC=1 payload được mã hóa còn nếu như EC=1 thì payload không được mã hóa + EKS (Encryption Key Sequence) có chiều dài 2 bit, chỉ số của Traffic Encryption Key (TEK) và Initialization Vector được sử dụng để mã hóa payload. Trường này chỉ có nghĩa khi trường EC được thiết lập 1 + HCS (Header Check Sequence) có giá trị 8 bit. Trường này được sử dụng để nhận biết lỗi trong header. Bên truyền sẽ tính toán giá trị HCS cho 5 byte đầu tiên của cell header và gắn kết quả vào trong trường HCS (giá trị HCS ứng với byte cuối cùng trong PDU header). Bên truyền tính toán giá trị HSC bằng cách chia 5 bytes đầu tiên cho đa thức sinh và lấy số dư làm giá trị của HSC + HT (Header Type) có chiều dài 1 bit, giá trị này sẽ được thiết lập 0 + LEN (Length) có chiều dài 11 bit, là chiều dài tính bằng byte của MAC PDU bao gồm MAC header và CRC nếu nó có. + Type có chiều dài 6 bit chỉ rõ loại subheader và loại payload hiện thời trong message payload Bandwidth Requet PDU sẽ bao gồm chỉ có bandwidth requet header mà không có payload. Cấu trúc bandwidth request header được miêu tả sau đây: Hình 3.9 Bandwidth request header Bandwidth request sẽ có những đặc điểm được miêu tả dưới đây: + Chiều dài của header luôn luôn là 6 bytes + Trường EC sẽ được thiết lập không, biểu thị là không mã hóa + Trường CID có chiều dài 16 bit + Trường BR (Bandwidth request) có chiều dài 19 bit sẽ chỉ rõ số byte requested Một SS khi nhận được một bandwidth request header trên một đường downlink sẽ discard PDU. Mỗi một header được mã hóa và bắt đầu bằng các trường HT và EC. MAC management messages Chuẩn IEEE 802.16 định nghĩa một tập các bản tin quản lý MAC (MAC management message). Các bản tin này sẽ được mang trong phần payload của MAC PDU. Tất cả các bản tin quản lý MAC được bắt đầu bằng trường Management Messages Type và có thể bao gồm thêm các trường khác. Các bản tin quản lý MAC của các kết nối Basic, Broadcast và Intial Ranging sẽ không bị phân mảnh mà cũng không bị đóng gói. Các bản tin quả lý MAC của Primary Management Connection có thể được đóng gói hoặc phân mảnh. Đối với các lớp vật lý SCa, OFDM và OFDMA, các bản tin quản lý của kết nối Basic, Broadcast, Intial Ranging và Primary Management sẽ sử dụng phép kiểm tra lỗi CRC. Định dạng của MAC management message được miêu tả dưới đây: Hình 3.10 MAC management messages format MAC management message sẽ không được mang trên kết nối Transport. Chuẩn IEEE 802.16 đưa ra một số bản tin quản lý MAC như: UDC (Uplink Channel Descriptior), DCD (Downlink Channel Descriptior), DL-MAP (Downlink Access Definition), UL-MAP (Uplink Access Definition)… của kết nối Broadcast RNG-REQ (Ranging Request), RNG-RSP (Ranging Response)… của kết nối Primary Management hoặc Basis Cấu trúc và truyền MAC PDU Ghép MAC PDUs Nhiều MAC PDUs có thể được ghép lại và truyền đơn trên đường uplink hoặc downlink. Hình 2.10 miêu tả khái niệm về truyền một burst uplink. Hình 3.11 Ghép MAC PDU Phân mảnh (fragmentation) và đóng gói (packing) Fragmentation là quá trình xử lý mà trong đó một MAC SDU được chia vào một hoặc nhiều MAC PDU. Quá trình xử lý này đảm bảo cho phép hiệu quả sử dụng băng thông sẵn tương ứng với yêu cầu QoS của dịch vụ. Phân mảnh (fragmentation) và ráp (reassembly) là hai quá trình bắt buộc. Quyền phân mảnh lưu lượng của một kết nối được định nghĩa khi một kết nôi được tạo ra bởi MAC SAP. Phân mảnh có thể được thực hiện bởi một BS danh cho kết nối downlink và bởi một SS dành cho kết nối uplink Nếu như packing được thực hiện trên một kết nối, MAC có thể đóng gói nhiều MAC SDU vào trong một MAC PDU. Các gói này có thể có chiều dài cố định hoặc thay đổi. Cả 2 cơ chế packing và fragmentation có thể được thực hiện với cả kết nối có cơ chế ARQ hay không có ARQ CRC Một lưu lượng dịch vụ có thể yêu cầu có thêm trường CRC thêm vào mỗi MAC PDU mang dữ liệu của lưu lượng dịch vụ. Trong trường hợp, mỗi MAC PDU có giá trị trường HT = 1 thì trường CRC được thêm vào sau payload của MAC PDU. Trường CRC này sẽ đảm bảo cho generic MAC header và Payload của MAC PDU. CRC sẽ được tính toán sau khi các trường khác được mã hóa. Mã hóa MAC PDU Khi truyền một MAC PDU trên một kết nối đã được ánh xạ tới một SA (Security associated), bên gửi sẽ thực hiện mã hóa và chứng thực dữ liệu của MAC PDU payload theo SA này. Khi bên nhận nhận được một MAC PDU trên một kết nối đã được ánh xạ tới một SA, thì nó sẽ thực hiện giải mã và chứng thực dữ liệu của MAC PDU payload bởi SA này. SA_Securuty Associated là một tập hợp thông tin bảo mật một BS hoặc nhiều SS chia sẻ nó để hỗ trợ vấn để bảo mật thông tin. Điều này có nghĩa nó chứa thông tin những thuật toán nào được áp dụng, khóa nào được sử dụng. Mỗi CPE thiết lập tối thiểu một SS trong thời gian khởi tạo. Và như đã nói ở trên mỗi kết nối với ngoại lệ các kết nối quản lý cơ sở và sơ cấp được ánh xạ tới một SA tại thời điểm khởi tạo kết nối hoặc trong quá trình hoạt động Phần tiếp đầu generic MAC header sẽ không được mã hóa. Phần tiếp đầu này chứa tất cả các thông tin mã hóa (trường EC, trường Encryption Key Sequence_ESK, và CID), những thông tin này cần thiết để giải mã một payload tại bên nhận. Hình 3.12 MAC PDU encryption Cơ chế yêu cầu và cấp phát băng thông Trong suốt quá trình mạng khởi tạo và hoạt động mỗi một SS sẽ được cấp lên tới 3 CID cho mục đích nhận và gửi bản tin điều khiển. Các cặp kết nối này được sử dụng để cho phép các cấp khác nhau của QoS được áp dụng vào các kết nối mang lưu lượng quản lý khác nhau. Yêu cầu tăng hoặc giảm băng thông là cần thiết đối với tất cả các dịch vụ. Request là cơ chế mà được các CPE sử dụng để báo cho BS biết chúng đang cần cung cấp băng thông dành cho kênh uplink. Một Request có thể chỉ bao gồm một mình trường bandwidth request header hoặc nó có thể có một Piggyback Request (đây là phần mở rộng). Piggyback Request là một trương có chiều dài 16bits. Lớp con bảo mật Lớp con bảo mật cung cấp cho người sử dụng khả năng bảo mật và chứng thực thông qua mạng không dây diện rộng. Nó có thể thưc hiện được những điều này bởi được ứng dụng các chuyển đổi mã hoá cho MAC PDU khi truyền dẫn qua các kết nối giữa SS và BS Bên cạnh đó, lớp con bảo mật hỗ trợ hoạt động với khả năng bảo vệ cao chống lại các hành vi trộm cắp dịch vụ. BS bảo vệ chống lại sự truy cập không qua xác thực tới các dịch vụ vận chuyển dữ liệu của chúng bằng việc bảo đảm các luồng dịch vụ liên kết thông qua mạng. Lớp con bảo mật sử dụng giao thức quản lý khoá chứng thực client/server , trong đó, BS với vai trò là server sẽ điều khiển việc cấp phát các thông số khoá cho SS với vai trò là client. Thêm vào đó, các cơ chế bảo mật cơ bản được tăng cường bằng cách bổ sung các chứng chỉ số dựa trên việc chứng thực các thiết bị SS tới giao thức quản lý khoá. Tất cả lưu lượng dữ liệu giữa BS và SS được mã hoá, chỉ trừ thông tin quản lý MAC. Tuy nhiên, trọng tâm của lớp con riêng biệt là bảo vệ các nhà cung cấp dịch vụ chống lại hành vi trộm dịch vụ, và tất nhiên là bảo vệ cả người dùng dich vụ. Mã hoá dữ liệu người dùng là phương pháp hiệu quả để chống lại hành vi trộm dịch vụ. Mô hình lớp con bảo mật Lớp con bảo mật bao gồm 2 giao thức cấu thành là : Giao thức đóng gói dành cho việc bảo mật các gói dữ liệu khi truyền qua mạng không dây băng rộng. Giao thức này được định nghĩa là một bộ các mật mã hỗ trợ kết hợp với mã hoá dữ liệu và thuật toán xác thực, và nguyên tắc ứng dụng những thuật toán này được đưa vào tải payload MAC PDU Giao thức quản lý khoá bảo mật PKM ( Key Management Protocol ) cung cấp khả năng bảo mật cho khoá dữ liệu từ BS cho đến SS, Với giao thức quản lý khoá này, SS và BS đồng bộ các khoá dữ liệu, thêm vào đó, BS sẽ sử dụng giao thức để thực thi những điều kiện truy nhập vào mạng dịch vụ. Hình 3.13 Mô hình lớp con bảo mật Quá trình đóng gói bảo mật cho các MAC PDU Dịch vụ mã hoá được định nghĩa là một trong những chức năng của lớp con bảo mật. Thông tin trong MAC Header về mã hoá riêng biệt được cấp phát trong các định dạng tiêu đề MAC nói chung Sự mã hoá được ứng dụng cho payload MAC PDU khi được yêu cầu bởi sự lựa chọn mật mã, các Header MAC có đặc điểm chung là không được mã hoá. Tất cả các bản tin quản lý MAC sẽ được gửi đi rất dễ dàng và thuận tiện trong việc đăng ký, sắp xếp, và các hoạt động thông thường khác của MAC. Quản lý khoá bảo mật PKM ( Privacy Key Management ) Giao thức PKM cho phép thực hiện việc chứng thực lẫn nhau theo cả hai phía hoặc chứng thực từ một phía. Nó cũng hỗ trợ khả năng tái chứng thực/tái cấp phép và kiểm tra khoá một cách tuần hoàn. PKM sử dụng giao thức EAP, hoặc chứng nhận số X.509 cùng với thuật toán mã hoá công cộng RSA, hoặc một chuỗi liên tiếp được bắt đầu bằng chứng thực RSA và tiếp theo đó là chứng thực EAP. Nó sử dụng những thuật toán mã hoá mạnh cho hoạt động trao đổi khoá giữa SS và BS. Thông số Kích thước Ứng dụng AK 160 Khóa chứng thực Chuỗi dãy số AK 4 Chuỗi dãy số của các khóa gốc ( PAK và PMK ) cho AK. Giá trị này là sự kết hợp giữa tối đa 2 bit trong chuỗi dãy số PAK và tối thiểu 2 bit trong chuối dãy số PMK AK Lifetime -- Là khoảng thời gian mà khóa này có giá trị. AK lifetime = MIN ( PAK lifetime và PMK lifetime ) - khi nó hết hiệu lực, sự tái chứng thực được sử dụng Chuỗi dãy số PMK 4 Chuỗi dãy số PMK được xuất phát bắt nguồn từ khóa chứng thực HMAC/CMAC_KEY_U 160/128 Được sử dụng để đăng ký cho các bản tin quản lý UL HMAC/CMAC_PN_U 32 Được sử dụng để ngăn chặn sự tấn công trở lại của bản tin UL trong kết nối quản lý - khi nó hết hiệu lực, sự tái chứng thực được sử dụng. HMAC/CMAC_KEY_D 160/128 Được sử dụng để đăng ký cho các bản tin quản lý DL HMAC/CMAC_PN_D 32 Được sử dụng để ngăn chặn sự tấn công trở lại của bản tin DL trong kết nối quản lý, khi nó hết hiệu lực, sự tái chứng thực được sử dụng KEK 160 Được sử dụng để mã hóa các khóa vẫn chuyển từ BS đến SS EIK 160 Khóa toàn vẹn EAP dùng để xác nhận bản tin chứng thực EAP Bảng 3.4 Nội dung khóa chứng thực AK trong PMK version 2 Giao thức chứng thực PKM thiết lập cơ chế chia sẻ bí mật ( được gọi là Authorization Key - AK ) giữa SS và BS. Chế độ chia sẻ này sau đó được sử dụng để bảo vệ cho sự trao đổi PKM tiếp sau của khoá mã hoá lưu lượng TEK ( Traffic Encryption Key ). Cơ chế hai tầng này dành cho việc phân phối khoá cho phép kiểm tra lại các TEK mà không phải chịu sự quá tải từ các hoạt động tính toán chuyên sâu. Một BS chứng thực một thuê bao SS trong suốt quá trình trao đổi, cấp phép, khởi tạo. Mỗi một SS sẽ đưa ra thông tin xác thực của mình, và nó có thể là một chứng nhận số X.509 duy nhất được đưa ra bởi nhà sản xuất thiết bị ( trong trường hợp chứng thực RSA ) hoặc là một chứng nhận hoạt động riêng biệt ( trong trường hợp chứng thực dựa trên EAP ) BS sẽ nhận dạng chứng thực các SS trước tiên, sau đó là thuê bao sử dụng, và cuối cùng là các dịch vụ dữ liệu mà thuê bao được phép truy cập Khi một BS chứng thực được SS, nó sẽ bảo vệ chống lại sự tấn công có thể chiễm giữ và giả mạo SS như một thue bao hợp pháp. Quản lý khoá lưu lượng cùng với giao thức PKM gắn bó chặt chẽ với mô hình client/server, với SS ( PKM Client ) yêu cầu thông số khoá và BS ( PKM server ) đáp ứng lại những yêu cầu này, để chắc chắn rằng các SS riêng biệt chỉ nhận thông số khoá duy nhất phục vụ cho việc cấp phép hoạt động Hình 3.14 Giao thức chứng thực Chuẩn này bảo đảm rằng một SS luôn luôn sở hữu một khoá mã hoá hợp lệ. Cho cả hai mục đích nhận thực và khoá mã hoá lưu lượng dữ liệu, SS tạo ra hai khoá với thời gian tồn tại so le nhau. Phương pháp trao chuyên khoá (key changeover schemes) được sử dụng trong các AK và TEK là giống nhau và đảm bảo một thứ tự luân phiên giữa các lần sinh khoá Giao thức chứng thực Một SS sử dụng giao thức PKM để nhận được các thông số khoá và chứng thực từ BS, và hỗ trợ việc tái chứng thực và kiểm tra khoá một cách tuần hoàn. PKM hỗ trợ hai cơ chế giao thức chứng thực cơ bản là : Giao thức RSA ( hỗ trợ bắt buộc trong PKM phiên bản 1, hỗ trợ tuỳ chọn trong PKM phiên bản 2 ) Giao thức chứng thực mở rộng ( hỗ trợ tuỳ chọn trừ khi có những yêu cầu đặc biệt ) Một điều rất quan trọng là lớp con bảo mật chỉ bảo vệ dữ liệu ở lớp 2 của mô hình OSI (Open System Interconnection). Nó không cung cấp sự mã hoá dữ liệu người dùng từ đầu cuối đến đầu cuối, và cũng không cung cấp sự bảo vệ tín hiệu vật lý. Kỹ thuật bảo mật lớp vật lý cũng như những lớp cao hơn đều cần được tích hợp sử dụng đồng thời để tăng chất lượng bảo mật. So sánh và các phương thức nâng cấp từ chuẩn 802.16d và 802.16e So sánh WiMAX cố định WiMAX di động Chuẩn 802.16d 802.16e Băng tần < 11 GHz < 6 GHz Môi trường truyền dẫn LOS, NLOS NLOS Song công TDD,FDD,HFDD TDD Đa truy nhập TDMA OFDMA,SOFDMA Điều chế QPSK,16 QAM,64 QAM, OFDM 256 QPSK,16 QAM,64 QAM, OFDM (128,256,512,1024) Tốc độ 35 MHz / kênh 10 MHz 30 MHz / kênh 10 MHz Kênh băng thông 3.5 , 7 , 10 MHz 5, 7,8 .75, 10 MHz Ứng dụng di động Cố định, Nomandic Di động < 120 km/h Bán kính phủ sóng 6 – 10 km , tối đa 50 km 1 – 3 km , tối đa 15 km Bảng 3.5 Bảng so sánh chuẩn 802.16d và 802.16e Các phương thức nâng cấp + Overlay network: Trong phương án này thì nhà cung cấp dịch vụ xây dựng mạng 802.16e song song với mạng 802.16d cung cấp cả dịch vụ truy cập cố định và dịch vụ truy cập di động trong cùng một vùng phủ sóng, tuy nhiên cần phải có 2 loại CPE nếu như người sử dụng muốn truy cập cả hai mạng. Giải pháp này có thể coi là không khả thi vì nó khá tốn kém cho khách hàng. ` + Dual-mode CPE: Các nhà khai thác có thể phát triển CPE dual-mode hỗ trợ cả 802.16 d và 802.16 e. Khi tất cả các SU có CPE dual-mode thì nhà khai thác sẽ chuyển đổi BS 802.16d sang 802.16e và các CPE sẽ tự động chuyển sang chế độ 802.16e. + Dual-mode BS: Khi các nhà khai thác muốn nâng cấp lên 802.16e, trong khi các CPE chỉ hỗ trợ single mode thì giải pháp dual-mode BS là hợp lý nhất. Khi tất cả các CPE đã được nâng cấp thì giải pháp này sẽ chuyển toàn bộ BS sang 802.16e. Các kỹ thuật được sử dụng trong WiMAX Kỹ thuật điều chế số Kỹ thuật điều chế số được sử dụng rất nhiều trong các hệ thống viễn thông hiện nay. Trong kỹ thật WiMAX các phương pháp điều chế số được sử dụng như QPSK, M_QAM, điều chế thích ứng Kỹ thuật điều chế pha QPSK Kỹ thuật điều chế pha là kỹ thuật điều chế trong đó pha của sóng mang thay đổi theo tín hiệu tin tức. Điều chế pha là kỹ thuật điều chế đảm bảo mức lỗi thấp nhất với một mức thu đã nhận trước Hình 4.1 Điều chế QPSK Để thực hiện điều chế pha QPSK (4PSK) người ta chia luồng số đầu vào thành hai luồng số bằng cách cho luồng tín hiệu đi qua bộ biến đổi nối tiếp – song song. Bộ biến đổi nối tiếp – song song A 0 0 1 1 S(t) 00011111 B 0 1 1 1 Hình 4.2 Bộ biến đổi nối tiếp song song Và mỗi tổ hợp bit gôm hai bit sẽ được gán với một trạng thái pha của sóng mang như: , , , Hình 4.3 Tổ hợp bit điều chế QPSK Ta có biểu thức điều chế QPSK như sau: U00 (t) = A cos(+ + ) U01 (t) = A cos(+ + ) U11 (t) = A cos(+ + ) U10 (t) = A cos(+ + ) Như vậy độ dịch pha giữa hai trạng thái pha là 900 vì vậy điều chế QPSK còn được gọi là điều chế pha vuông góc. Sơ đồ khối của bộ điều chế QPSK : Hình 4.4 Sơ đồ khối điều chế QPSK Luồng số ở đầu vào qua bộ biến đổi nối tiếp - song song thành hai luồng số dI(t) và dQ(t). Hai luồng số này được đưa vào bộ biến đổi NRZ đơn cực thành NRZ lưỡng cực sau đó được đưa vào bộ trộn M1 và M2 để trộn cùng với dao động sóng mang. Hai sóng mang được đưa tới bộ trộn đã được làm lệch pha nhau một góc pha 900. Tín hiệu ra của hai bộ trộn sẽ được đưa và bộ tổng để tạo ra tín hiệu QPSK Kỹ thuật điều chế biên độ cầu phương QAM Kỹ thuật điều chế M_QAM là kỹ thuật được kết hợp giữa phương pháp điều chế biên độ và phương pháp điều chế pha. Hai sóng mang điều chế vuông pha với nhau. Số trạng thái trong phương pháp này là M=L2 trong đó l là số mức biên độ của mỗi sóng mang vuông góc. Tín hiệu tổng của hai sóng mang này sẽ có dạng vừa điều biên vừa điều pha. Phương trình điều chế của phương pháp QAM: u và là các mức biên độ rời rạc. Trước khi điều chế với các tải tin sin và cos thì các dòng bit I và Q được cho qua bộ biến đổi D/A tạo thành các mức biên độ và . Sau đây là sơ đồ khối của phương pháp điều chế M_QAM: Hình 4.5 Sơ đồ khối phương pháp điều chế M_QAM Trong phương pháp này khi biến đổi 2 mức thành 4 mức thì ta có phương pháp điều chế 16 QAM , khi biến đổi 2 mức thành 6 mức thì ta có phương pháp điều chế 64 QAM . Và các tổ hợp bit tương ứng với các trạng thái pha có các biên độ sóng mang khác nhau, sóng mang có 16 trạng thái pha tương ứng với phương thức điều chế 16 QAM, và sóng mang có 64 trạng thái pha ứng với phương thức điều chế 64 QAM . Mỗi trạng thái pha tương ứng với một biên độ của sóng mang khác nhau, vì vậy khoảng cách giữa các tổ hợp bit xa nhau hơn, khả năng mắc lỗi sẽ giảm. Như vậy với phương pháp điều chế này độ rộng băng tần yêu cầu thấp nên sử dụng hiệu quả băng tần truyền dẫn. Tuy nhiên trong phương pháp này méo phi tuyến và méo xuyên kênh tăng, tỷ lệ lỗi bit BER tăng nếu tỉ số tín hiệu trê tạp âm không đổi. Và bộ điều chế cũng sẽ phức tạp hơn so với phương thức điều chế riêng rẽ. Kỹ thuật điều chế OFDM OFDM ( Orthogonal Frequency Division Multiplexing ) là công nghệ điều chế đa sóng mang theo tần số trực giao, gần đây đã được công nhận là phương thức tốt nhất dành cho việc truyền dữ liệu không dây hai chiều tốc độ cao. Nó ra đời từ những thập kỷ 60 nhưng gần đây mới trở nên phổ biến, bởi các nhà sản xuất có thể cung ứng ra thị trường những IC với chi phí rất kinh tế nhưng vẫn có thể đáp ứng được những hoạt động số tốc độ cao. OFDM cho phép điều chế các sóng mang phụ chồng lấn lên nhau rất hiệu quả, làm giảm yêu cầu về băng thông nhưng vẫn giữ được các tín hiệu trực giao mà không gây nhiễu cho các tín hiệu khác. Ngày nay, công nghệ này được sử dụng trong các hệ thống ADSL cũng như trong các hệ thống không dây như 802.11 a/g ( Wi-fi ) và 802.16 ( WiMAX ). Nó cũng được dùng cho tín hiệu số âm thanh và hình ảnh quảng bá không dây. Điều chế đa sóng mang theo tần số trực giao OFDM là một dạng đặc biệt của phép điều chế đa sóng mang thông thường FDM, là công nghệ sử dụng nhiều tần số để truyền tín hiệu song song trong cùng một thời điểm. Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao này được thực hiện bằng cách chia dòng số liệu truyền đi thành nhiều các dòng số liệu song song với tôc độ dữ liệu giảm đi. Mỗi một dòng dữ liệu này sau đó được truyền lên những sóng mang riêng biệt, được gọi là các sóng mang con ( Sub – carrier ). Các sóng mang này được điều chế trực giao với nhau bằng cách chọn tần số cách quãng thích hợp giữa chúng, nghĩa là các kênh con được xếp đặt trên miền tần số cách nhau một khoảng đều đặn sao cho điểm cực đại của một kênh con là điểm không của kênh con lân cận. Những sóng mang này sau đó ghép thành các kênh tần số để truyền vô tuyến. Hình 4.6 Kỹ thuật ghép kênh theo tần số trực giao Điều này làm nguyên lý trực giao thoả mãn và cho phép chồng phổ giữa các sóng mang vì tính trực giao vẫn đảm bảo cho thiết bị thu nhận có thể phân biệt được các sóng mang con OFDM và khôi phục lại các tín hiệu này. Hiệu quả của OFDM có thể thấy được là yêu cầu về băng thông giảm đi rất nhiều nhờ việc bỏ đi khoảng bảo vệ. Do đó OFDM hiệu quả hơn FDM trong trải phổ bởi khoảng cách giữa các kênh con gần nhau hơn ( gần như chúng chồng lẫn lên nhau ). Nhờ sự trựu giao này mà hiệu quả sử dụng phổ tin hiệu của toần bộ hệ thống tăng lên rõ rệt mà không gây ra nhiễu Một ký hiệu OFDM được tạo thành từ các sóng mang con. Số lượng các sóng mang con phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ rộng kênh và mức độ nhiễu. Con số này tương ứng với kích thước FFT ( Fast Fourier Transformer ). Chuẩn giao tiếp vô tuyến 802.16-2004 xác định rõ 256 sóng mang con, tương ứng với kích cỡ FFT 256 độ rộng kênh độc lập. Theo cách khác, chuẩn 802.16e-2005 cung cấp các kích cỡ FFT từ 512 tới 2048 phù hợp với các độ rộng kênh từ 1.25 tới 20MHz để duy trì tương đối khoảng thời gian không đổi của ký tự và khoảng dãn cách giữa các sóng mang con độc lập với độ rộng kênh. Vì thế với công nghệ OFDM, sự kết hợp của các sóng mang con trực giao truyền song song với các ký tự có khoảng thời gian dài đảm bảo rằng lưu lượng băng thông rộng không bị hạn chế do môi trường bị che chắn tầm nhìn (NLOS) và nhiễu do hiện tượng đa đường dẫn. Cấu trúc theo miền thời gian của một symbol có dạng sau : Hình 4.7 Cấu trúc của một ký hiệu OFDM Mẫu tín hiệu OFDM có độ dài là Ts, trong đó Tb là khoảng thời gian thực của ký hiệu, ngoài ra còn có một chuỗi bảo vệ ( Guard Interval ) có đọ dài Tg, thực chất là một chuỗi tín hiệu được sao chép từ phần phía sau Tb rồi đưa lên phần trước của ký hiệu này. Do đó cấu trúc của ký hiệu OFDM sẽ là : Ts = Tb + Tg Sự sao chép này có tác dụng chống lại nhiễu xuyên tín hiệu gây ra bởi hiệu ứng phân tập đa đường. Nguyên tắc này được giải thích như sau : Nếu như máy phát phát đi một khoảng tín hiệu hình sin có chiều dài là Tb. Sau khi chèn chuối bảo vệ, tín hiêu này có chu kỳ là Ts = Tb + Tg. Do hiệu ứng phân tập đa đường, tín hiệu này sẽ đến máy thu qua nhiều tuyến đường truyền với trễ truyền dẫn khác nhau. Giả sử thời gian trễ truyền của tín hiệu ở đây là τ. Khi đó mẫu tín hiệu sau bị dịch sang mẫu tín hiệu trước một khoảng là τ do trễ truyền dẫn. Cứ như vậy các tín hiệu tiếp theo cũng sẽ bị dịch đi một khoảng τ so với tín hiệu trước nó. Tín hiệu thu được ở máy thu sẽ là tổng của tín hiệu tất cả các tuyến. Sự dịch tín hiệu do trễ truyền dẫn trong các phương pháp điều chế thông thường sẽ gây ra nhiễu xuyên tín hiệu ISI. Tuy nhiên trong hệ thống OFDM có sử dụng chuỗi bảo vệ sẽ loại bỏ được nhiễu này. Trong trường hợp Tg ≥ τ thì phần bị chồng lấn tín hiệu gây nhiễu ISI chỉ nằm trong khoảng của chuỗi bảo vệ. Khoảng tín hiệu có ích có độ dài Ts không bị chồng lấn bởi các mẫu tín hiệu khác. Ở phía thu, chuỗi bảo vệ sẽ bị gạt bỏ trước khi gửi đến bộ giải điều chế OFDM. Như vậy điều kiện quyết định để đảm bảo hệ thông OFDM không bị ảnh hưởng bởi nhiễu ISI là : Tg ≥ τ Việc sử dụng chuỗi bảo vệ đảm bảo tính trực giao của các sóng mang phụ, do vậy đơn giản hoá cấu trúc bộ đánh giá kênh truyền, bộ cân bằng tín hiệu ở phía máy thu. Tuy nhiên chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích nên phổ tín hiệu của hệ thống giảm đi một hệ số là : η = Hình 4.8 Tiền tố vòng CP và hiện tượng đa đường Các ưu nhược điểm của phương pháp OFDM Ưu điểm: -Tăng hiệu suất phổ và tốc độ dữ liệu -Ảnh hưởng của nhiễu xuyên kí hiệu ISI giảm đi đáng kể -Ảnh hưởng của hiệu ứng lựa chọn tần số kênh cũng giảm do kênh được chia ra làm nhiều kênh phụ -Độ phúc tạp của bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu cho hệ thống cũng giảm đi Nhược điểm -Tỉ số công suất đỉnh trên trung bình (PAPR) cao -Nhạy cảm với sự dịch tần số.Sự dịch tần số sẽ làm giảm tính trực giao của các sóng mang. Kỹ thuật song công WiMAX hỗ trợ cả hai phương thức song công FDD và TDD trong các mô hình ứng dụng của nó. Phiên bản đầu tiên cho chuẩn WiMAX được phê chuẩn bởi diễn đàn WiMAX chỉ hỗ trợ TDD.Với những phiên bản sau, diễn đàn WiMAX sẽ đề cập đến các thông số FDD để định lại các cơ hội thị trường riêng biệt , nơi mà những yêu cầu phân định các phổ cục bộ cũng như kế thừa TDD hoặc những triển khai phù hợp hơn cho FDD. - FDD ( Frequency Division Duplexing ) : kỹ thuật này chia kênh tần số ra làm hai kênh riêng biệt, một tần số được sủ dụng cho chiều lên, còn tần số còn lại được sử dụng cho chiều xuống. - TDD ( Time Division Duplexing ) : kỹ thuật này cho phép các khung đường lên và đường xuống có thể nằm trên cùng một kênh, tuy chúng ở những khe thời gian khác nhau . Hình 4.9 Hai chế độ song công TDD và FDD Đối với các vấn đề nhiễu, TDD yêu cầu sự đồng bộ hóa hệ thống diện rộng. Tuy nhiên, trong WiMAX di động TDD được thường ưu tiên ở chế độ song công vì những lý do sau : TDD cho phép điều chỉnh tỷ lệ DL / UL ( đường xuống / đường lên ) để hỗ trợ hiệu quả lưu lượng bất đối xứng giữa đường lên và đường xuống, trong khi với FDD, đường lên và đường xuống luôn được giữ cố định, và thông thường băng thông đường lên và đường xuống bằng nhau TDD bảo đảm sự trao đổi kênh nhằm hỗ trợ tốt hơn cho các kết nối thích ứng, MIMO và các công nghệ anten nâng cao khác. Không giống như FDD yêu cầu một cặp kênh, TDD chỉ yêu cầu một kênh duy nhất cho cả đường lên và đường xuống, đem lại sự thích ứng linh động hơn cho việc cấp phát phổ tần số khác nhau. Bộ thu phát được thiết kế cho việc thực hiện TDD cũng đơn giản hơn và do vậy đỡ tốn kém hơn. Kỹ thuật đa truy nhập Các phương pháp đa truy nhập được sử dụng để tách rời người sử dụng với nhau trong một kênh truyền. Các phương pháp đa truy nhập phổ biến nhất được sử dụng trong các hệ FBWA bao gồm đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA), đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA), đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA), đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA), và đa truy nhập nhạy cảm sóng mang (CSMA).Với Wimax ta chú ý đến 2 kĩ thuật đa truy nhập là TDMA và OFDMA TDMA TDMA (Time Division Multiple Access ) – đa truy nhập phân chia theo thời gian: Phổ tần số được chia thô thành các dải tần liên lạc , mỗi dải tần liên lạc này được dùng chung cho N kênh liên lạc, mỗi kênh liên lạc là một khe thời gian trong chu kỳ 1 khung sao cho không có sự chồng chéo lên nhau. Liên lạc được thực hiện song công mỗi hướng thuộc các dải tần liên lạc khác nhau, điều này làm giảm nhiễu giao thoa đáng kể. OFDMA Truy cập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) là công nghệ đa sóng mang phát triển từ công nghệ OFDM , ứng dụng như một công nghệ đa truy cập. OFDMA hỗ trợ các nhiệm vụ của các nhóm sóng mang con đối với các thuê bao nhất định. Mỗi một nhóm sóng mang con được biểu thị như một kênh con (subchannel), và mỗi thuê bao được chỉ định một hoặc nhiều kênh con để truyền phát dựa trên mỗi yêu cầu cụ thể về lưu lượng của mỗi thuê bao. Kênh con hoá (sub-channelization) trên đường lên là tuỳ chọn trong công nghệ WiMAX, khi không sử dụng kênh con hoá, những sự hạn chế điều tiết và yêu cầu các CPE chi phí hiệu quả gây lên quỹ đường truyền không đối xứng, điều này cũng dẫn đến phạm vi hệ thống trên đường truyền lên bị hạn chế. Kênh con hoá cho phép quỹ đường truyền được cân bằng làm cho độ lợi (gain) của hệ thống là tương tự nhau đối với cả đường truyền lên và xuống. Kênh con hoá tập trung ông suất phát vào một vài sóng mang OFDM, điều này làm tăng độ lợi hệ thống và mở rộng hệ thống, khắc phục được tổn hao thâm nhập toà nhà hoặc giảm công suất tiêu thụ của CPE. Việc sử dụng kênh con hoá còn được mở rộng hơn trong truy nhập đa sóng mang phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) cho phép sử dụng linh hoạt hơn tài nguyên cung cấp cho di động. Cấu trúc ký hiệu OFDM bao gồm 3 loại sóng mang con được biểu diễn như hình sau : - Sóng mang con dữ liệu cho truyền dữ liệu - Sóng mang con dẫn đường cho mục đích đánh giá và đồng bộ - Sóng mang con vô dụng không dung cho truyền dẫn mà được sử dụng cho dải bảo vệ và các sóng mang DC Hình 4.10 Cấu trúc sóng mang con OFDMA Trong OFDM ,tất cả các sóng mang được truyền song song với cùng 1 biên độ. OFDMA chia không gian sóng mang thành NG nhóm,mỗi nhóm có NE sóng mang,và tạo thành NE kênh con,mỗi một kênh con có 1 sóng mang trên nhóm. Hình 4.11 Kênh con hóa trong OFDMA Trường hợp OFDMA với 2048 sóng mang sẽ có NE=32 và NG=48 ở luồng xuống và NE=32 và NG=53 ở luồng lên,với các sóng mang còn lại được sử dụng cho pilot và bảo vệ. Mã hoá,điều chế và biên độ được phân biệt cho mỗi 1 kênh con phụ thuộc vào điều kiên kênh để tối ưu hoá tài nguyên mạng. Các sóng mang con tích cực ( dữ liệu và dẫn đường ) được nhóm lại thành những tập hợp con gọi là kênh con.Lớp vật lý ( PHY ) Wimax OFDMA hỗ trợ kênh con hóa theo cả 2 hướng DL và UL.Đơn vị tài nguyên tần số - thời gian tối thiểu của kênh con hóa là một khe, tương đương với 48 nhịp dữ liệu ( sóng mang con ). Việc sửa đổi bổ sung chuẩn IEEE 802.16e-2005 được triển khai nhằm mở rộng chuẩn vô tuyến 802.16 đáp ứng các ứng dụng di động. Sự bổ sung này cho phép công nghệ OFDMA đáp ứng nhiều tính năng sử dụng một cách linh hoạt và các thách thức về việc các thuê bao di động di chuyển nhanh trong môi trường NLOS. Chuẩn 802.16e-2005 hỗ trợ 3 tuỳ chọn phân phối kênh con, tuỳ theo các tình huống sử dụng như sau: - Các sóng mang con có thể được tán xạ thông qua kênh tần số. Điều này liên quan hoàn toàn tới việc sử dụng phân hoá kênh con (sub-channelization) hoặc FUSC - Một số nhóm sóng mang con tán xạ có thể được sử dụng để tạo thành một kênh con. Điều này liên quan 1 phần tới việc sử dụng phân hoá kênh con ( sub-channelization ) hoặc PUSC - Các kênh con có thể được tạo ra bởi các nhóm sóng mang con tiếp theo. Điều này liên quan tới sự điều biến và mã hoá tuỳ ứng hoặc AMC Mô hình FUSH : Hình 4.12 Sự tạo kênh trong mô hình FUSH Mỗi kênh con chứa 48 sóng mang con Các sóng mang con trải dọc trên băng thông Các sóng mang pilot có vị trí cố định Băng thông được phân thành các khối nhỏ nhất có 48 sóng mang phụ và một symbol OFDMA Với mô hình này, do các sóng mang phụ được trải dọc trên băng thông nên đạt được theo phân tập tần số là tốt nhất. FUSH được dung chủ yếu cho đường xuống Mô hình PUSH Đối với DL PUSH: các sóng mang con khả dụng sẽ được nhóm thành các cluster Hình 4.13 Cluster trong mô hình DL PUSH Mỗi cluster chứa 28 sóng mang con liền kề trải đều trên 2 symbol OFDMA 4 sóng mang pilot trên mỗi cluster 2 cluster/ kênh con sẽ chứa 48 sóng mang phụ Đối với UL PUSH: các sóng mang con khả dụng sẽ được nhóm thành các tile Hình 4.14 Tile trong mô hình UL PUSH Tile chứa 4 sóng mang con liền kề trải trên 3 symbol OFDMA Mỗi tile chứa 4 sóng mang pilot. 4 sóng mang con x 6 tile/kênh con = 48 sóng mang con Đối với mô hình này, do các sóng mang con được nhóm vào các cluster, nên rất thuận lợi cho việc tái sử dụng tài nguyên tần số. PUSH được sử dụng cho cả đường lên và đường xuống. Mô hình AMC - Không gian các sóng mang con được chia thành các Bin. Mỗi Bin gồm có 9 sóng mang con liền kề trong 1 symbol ,trong đó có 8 sóng mang con dữ liệu và 1 sóng mang con pilot. - Một kênh con được tạo thành bởi 1 tập các Bin có dạng MxN (trong đó M là số Bin liền kề/1symbol,N là số Symbol liền kề).Tập hợp có thể có của MxN là 6x1,3x2,2x3,1x6. AMC được sử dụng cho cả đường lên và đường xuống. - 6 sóng mang phụ / bin x 8 bin / kênh phụ = 48 sóng mang phụ Hình 4.15 Mô hình AMC Với FUSC và PUSC, việc phân phối các sóng mang con tới các kênh con được thực hiện theo mô hình giả ngẫu nhiên mà ở đó các sóng mang con của một kênh con nhất định trong một cell nhất định khác với các sóng mang con tại cùng một kênh con đó trong một cell khác ( VD, sóng mang con trong kênh con 1 trong cell 1 sẽ hoàn toàn khác với các sóng mang trong kênh con 1 trong cell 2 ). Sự hoán đổi giả ngẫu nhiên này có ảnh hưởng tương đối đến nhiễu. Điều này làm giảm tác động đối nghịch của hiện tượng nhiễu giữa các cell. Nhìn chung, FUSC và PUSC là 2 tùy chọn tốt nhất cho các ứng dụng di động, trong khi AMC phù hợp hoàn toàn với các ứng dụng cố định, mang xách và di chuyển chậm. Vấn đề đa truy cập được thực hiện bằng cách cung cấp cho mỗi  người dùng một phần trong số các sóng mang có sẵn. Nó cho phép một vài sóng mang con được phân chia cho nhiều người sử dụng khác nhau. Ví dụ, sóng mang con 1, 6, và 12 được phân chia cho người sử dụng thứ nhất, sóng mang con 2, 8 và 11 được phân cho người sử dụng thứ 2… Bằng cách này, OFDMA tương tự như phương thức đa truy cập phân chia theo tần số thông thường (FDMA); tuy nhiên nó không cần thiết có dải phòng vệ lân cận rộng như trong FDMA để tách biệt những người dùng khác nhau. Hình 4.16 Nhóm các sóng mang con cho mỗi người dùng khác nhau Từ những đặc điểm trên ta nhận thấy OFDMA có một số ưu điểm như khả năng linh hoạt tăng và thông lượng và tính ổn định được cải tiến. Bằng việc ấn đinh các kênh con cho các thuê bao cụ thể, việc truyền phát từ một số thuê bao có thể xảy ra đồng thời mà không cần sự can thiệp nào, do đó sẽ giảm thiểu tác động như ảnh hưởng đa truy nhập - MAI ( Multiple Access Interference ). Hơn nữa, hiện tượng các kênh con cho phép tập trung công suất phát qua một số lượng các sóng mang con ít hơn. Kết quả này làm tăng số đường truyền dẫn đến tăng phạm vi và khả năng phủ sóng. Hình 4.17 Cấu trúc khung công nghệ đa truy nhâp OFDMA Scalable OFDMA (SOFDMA) Mạng truy cập không dây diện rộng OFDMA theo chuẩn IEEE 802.16e – 2005 dành cho WiMAX di động dựa trên kỹ thuật S - OFDM ( Scalable OFDM ). Việc mở rộng công nghệ S - OFDM đã hỗ trợ khả năng điều chỉnh OFDMA cho phù hợp với độ rộng kênh đang được sử dụng. S - OFDM hỗ trợ những băng thông dải rộng một cách linh hoạt cần thiết cho sự cấp phát nhiều loại phổ khác nhau cũng như yêu cầu cho những mô hình hữu ích khác. Theo nguyên tắc khi ấn định số lượng dải phổ dành cho các nhà cung cấp dịch vụ khác, các thông số Công nghệ OFDMA có thể được tối ưu hoá sao cho tỷ lệ với dải băng tần cấp cho một nhà cung cấp dịch vụ cụ thể. Đối với công nghệ S - OFDM, khả năng mở rộng được hỗ trợ bằng cách điều chỉnh kích thước FFT trong khi vẫn giữ nguyên độ rộng băng tần sóng mang con, có nghĩa là khi độ rộng kênh thay đổi, thì kích thước FFT cũng sẽ thay đổi theo một tỷ lệ nhất định với độ rộng kênh, sao cho khoảng cách giữa các sóng mang phụ là không đổi. Ví dụ, Trong kênh tần số 5GHz một FFT kích cỡ 512 sóng mang con được xác định còn một kênh 10MHz, một FFT kích cỡ 1024 được xác định. Điều đó đảm bảo rằng cả hai hệ thống 5MHz và 10MHz có cùng khoảng thời gian của ký tự và do đó có cùng khả năng chống méo đa đường kể cả khi 2 hệ thống khác nhau về kích cỡ. Do đó, băng thông sóng mang con theo đơn vị tài nguyên và khoảng thời gian của ký hiệu được giữ nguyên, ảnh hưởng tới các lớp cao hơn cũng được giảm tối thiểu khi lấy tỉ lệ băng thông. Tham số Giá trị Băng thông kênh hệ thống ( MHz ) 1.25 5 10 20 Tần số lấy mẫu ( Fp ở MHz ) 1.4 5.6 11.2 22.4 Kích thước FFT ( N 128 512 1024 2048 Số kênh con 2 8 16 32 Độ rộng tần số sóng mang con 10.94 KHz Khoảng thời gian symbol hữu ích 91.4 µs Khoảng thời gian bảo vệ 11.4 µs Độ dài ký hiệu OFDMA 102.9 µs Số ký hiệu OFDMA ( Khung 5ms ) 48 Bảng 4.1 Các tham số tỉ lệ OFDMA Điều chế thích nghi và mã hóa AMC Trong bất kỳ mạng đa tế bào-cellular nào, thuê bao di động sẽ thử nghiệm qua các điều kiện của đường truyền phát thay đổi theo thời gian và các vị trí tương ứng. Với công nghệ OFDMA, Biểu đồ mã hoá và điều chế nhất định có thể thích ứng trên mỗi thuê bao tùy theo các điều kiện của đường dẫn để tối đa hoá thông lượng kênh truyền, trong khi vẫn duy trì chất lượng đường truyền tới mỗi thuê bao. Với hệ thống OFDMA, các sóng mang con được điều chế với QPSK hoặc điều chế QAM hiệu quả hơn và thứ tự cao hơn – với biểu đồ điều chế tinh vi hơn, đạt được thông lượng cao hơn nhưng cũng dễ bị tác động của nhiễu và các tạp âm hơn. Bằng phương pháp điều chế thích ứng và biểu đồ mã hoá lỗi, việc đáp ứng tỉ lệ này này đảm bảo số bit của mỗi sóng mang con được tối ưu tương đương với CINR cần thiết để đảm bảo kết nối vô tuyến ổn định. Các Hệ thống OFDMA cũng có thể làm tăng thông lượng tới các thuê bao cá nhân bằng cách làm tăng số lượng kênh con đã cấp tại bất kỳ thời điểm nào. Hình 4.18 Điều chế thích nghi và mã hóa dựa trên khoảng cách với BS Trong WiMAX di động ở đường xuống, bắt buộc phải có các hỗ trợ điều chế QPSK, 16QAM và 64QAM. Còn ở đường lên, 64QAM là tuỳ chọn. Cả mã hoá xoắn và mã hoá Turbo vòng với tốc độ mã thay đổi và mã lặp cũng được hỗ trợ. Ngoài ra, mã khối Turbo và mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp LDPC ( Low Density Party Check Code ) cũng được hỗ trợ như là một tính năng tuỳ chọn. Sự kết hợp các kỹ thuật điều chế và tốc độ mã đã cung cấp sự phân giải hợp lý cho tốc độ dữ liệu như minh hoạ cho bảng 3 biểu diễn tốc độ dữ liệu cho 2 kênh 5 và 10 MHz với các kênh con PUSC. Độ dài khung là 5ms. Mỗi khung có 48 symbol OFDM, với 44 symbol OFDM là hữu dụng cho việc truyền dữ liệu. Các giá trị được đánh dấu đậm chỉ ra tôc độ bit của kỹ thuật 64QAM tuỳ chọn cho đường UL. Thông số Downlink Uplink Downlink Uplink Băng thông hệ thống 5 MHz 10 MHz Kích thước FFT 512 1024 Sóng mang con Null 92 104 184 184 Sóng mang con Pilot 60 136 120 280 Sóng mang con Data 360 272 720 560 Kênh con 15 17 30 35 Thời gian ký hiệu 102.9 µs Độ dài khung 5 ms Số ký hiệu OFDM/khung 48 Số ký hiệu OFDM dữ liệu 44 Mã hóa Tốc độ mã Kênh 5 MHz Kênh 10 MHz Tốc độ DL Mpbs Tốc độ UL Mpbs Tốc độ DL Mpbs Tốc độ UL Mpbs QPSK 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 3/4 CTC 4.75 3.43 9.50 7.06 16 QAM 1/2 CTC 6.34 4.57 9.50 7.06 3/4 CTC 6.34 4.57 12.07 9.41 64 QAM 1/2 CTC 9.50 6.85 19.01 14.11 2/3 CTC 12.67 9.14 26.34 18.82 3/4 CTC 14.26 10.28 28.51 21.17 5/6 CTC 15.84 11.42 31.68 23.52 Bảng 4.2 Tốc độ dữ liệu PHY trong WiMAX di động với các kênh con PUSH Cơ chế yếu cầu truyền lại tự động ARQ Trong chuẩn 802.16 giao thức ARQ được sử dụng để sửa lỗi truyền dẫn. Trong cơ chế này thì phía bên thu khi thu được gói tin sẽ kiểm tra lỗi truyền dẫn trong gói tin thu được. Để kiểm tra được lỗi truyền dẫn thì bên phát sẽ gửi thêm vào dữ liệu truyền đi một số bit dư và số bit này chỉ đủ để phía bên thu phát hiện được là gói tin bi lỗi trong quá trình truyền dẫn chứ không đủ để phía thu tự động sửa được lỗi. Nếu như phía thu kiểm tra thấy gói tin bi lỗi hoặc bên thu không nhận được gói tin nó đang đợi nó sẽ gửi lại cho bên phát một thông điệp và yêu cầu bên phát gửi lại gói tin bi lỗi. Giao thức ARQ có 4 kiểu cơ bản đó là: Kiểu ARQ dừng và đợi (Stop and wait ARQ) Kiểu ARQ lùi N (Go back N ARQ) Kiểu ARQ chọn lọc (Selective reject ARQ) Hybrid ARQ (HARQ) Kiểu ARQ dừng và đợi Trong kiểu ARQ dừng và đợi thì bên phát gửi đi một gói tin và nó sẽ chờ cho đến khi bên thu gửi lại trả lại gói tin trả lời ACK để biết là bên thu đã nhận đúng gói tin hay chưa. Nếu như bên thu đã nhận đúng gói tin thì bên phát sẽ tiếp tục phát đi gói tin tiếp theo còn nếu không nó sẽ phát lại gói tin bị lỗi. Giả sử bên phát gửi đi một gói tin là P1 , sau khi gửi gói tin này đi nó sẽ ở trong trang thái chờ trả lời tử bên thu để truyền tiếp. Sau một khoảng thời gian time out nhất định mà bên phát không nhận được gói tin trả lời ACK từ bên thu sẽ xảy ra hai khả năng. + Gói tin P1 không đến được đích nên sẽ không thể có gói tin trả lời ACK và bên phát sẽ phát lại gói tin P1. + Bên thu có phát gói tin ACK trả lời nhưng bên phát không nhận được và bên phát vẫn phát lại gói tin P1. Và lúc này bên thu dựa vào số sequence number sẽ biết được là gói tin này nó đã nhận và từ chối nhận gói tin này nhưng nó vẫn gửi trả lại gói tin ACK cho bên phát. Hình 4.19 Mô hình giao thức ARQ dừng và đợi Như vậy trong phương pháp này, sau khi truyền khung I bên phát phải đợi một thời gian tối thiểu trước khi truyền khung tiếp theo. Thời gian đợi đó phải bằng tổng thời gian bên thu thu được khung I, thời gian xử lý khung I và thời gian truyền, xử lý khung ACK. Điều này làm cho hiệu suất sự dụng băng thông là nhỏ vì có quá nhiều thời gian rồi. Nhưng trong phương pháp này thì các gói tin không cần phải lưu trữ và bộ đệm. Kiểu ARQ lùi N Trong cơ chế ARQ lùi N thì cho phép bên phát phát đi một số lượng các gói mà không phải chờ trả lời từ bên thu, nhưng số lượng gói phát đi này phải nằm trong giới hạn size của window mà thôi. Giả sử window size có kích thước là N thì bên phát sẽ được phát đi N gói tin liên tiếp nhưng để phát được gói tin thứ (i+N) thì nó phải chờ thông tin trả lời ACK của gói tin thứ i. Hình 4.20 Mô hình giao thức ARQ lùi N Trong cơ chế này có sử dụng các hàm cơ bản để đó là: Ready to reciver (RR), và Reject (REJ). Giả sử chúng ta đang sử dụng cơ chế ARQ lùi với N=4 (window size). Nếu như không tìm thấy lỗi thì đich sẽ trả lại ACK với hàm RR, còn nếu bên thu phát hiện ra lỗi thì gói tin ACK trả lại sẽ có hàm REJ. Các khả năng sau có thể xảy ra trong khi truyền các gói tin từ bên thu đến bên nhận: + Trường hợp 1: Gói tin bị lỗi Hình 4.21 Giao thức ARQ lùi N với gói tin bị lỗi Gói tin truyền từ bên phát đến bên thu bị lỗi, và bên thu nhận ra lỗi này và truyền trả lại cho bên phát ACK bằng hàm REJ. Phía bên thu sau khi nhận được ACK này thì sẽ truyền lại cho bên phát các gói tin bắt đầu từ gói tin bị lỗi. Nhưng trong thời gian cho đến khi bên phát nhận được trả lời ACK bằng hàm REJ thì bên phát vẫn truyền các gói tin nằm trong window size. Và các gói tin này vẫn đến đuợc bên thu nhưng mà bên thu sẽ không nhận các gói tin này và hủy nó đi. Vì thế cho nên bên thu không xảy ra hiện tượng nhận hai lần một gói tin. + Trường hợp 2: ACK bị lỗi Hình 4.22 Giao thức ARQ lùi N với ACK bị lỗi Bên nhận nhận được gói tin thứ i và gửi trả lại gói tin ACK để nhận tiếp gói tin i+1 nhưng nó lại bị mất trên đường truyền Giả sử như trong mô hình trên, ACK2 không đến được bên phát nhưng phía phát vẫn tiếp tục gửi các gói tin 3,4,5 vì các gói tin này đang nằm trong window size mà nó đang truyền. + Trường hợp 3: Bên phát muốn kêt thúc quá trình gửi tin Nếu như bên phát muốn gửi một gói tin cuối cùng mà bên phát muốn gửi thì nó sẽ gửi cho bên nhận một gói tin và bên nhận phải trả lời ngay một gói tin có hàm RRi=1. + Trường hợp 4: Bên phát không phát đi được gói tin nào Giả sử có một lỗi gì đấy mà window size không trượt có nghĩa là bên phát không thể phát đi một gói tin nào nữa. Lúc này bên phát sẽ re-send lại gói tin mà nó chưa có ACK. Ta có thể dễ dàng nhận thấy cơ chế ARQ lùi N có một số đặc điểm sau: + Nó không phải mất thời gian đợi ACK của bên thu + Không cần bộ đệm ở phía thu + Giải quyết được vấn đề trễ đường truyền + Phải re-send quá nhiều Kiểu ARQ chọn lọc Trong cơ chế ARQ chọn lọc thì bên phát cũng tương tự như trong trường hợp của cơ chế ARQ lùi N, tức là bên phát cũng có thể phát đi một số lượng các gói thông tin mà không cần chờ thông tin trả lời ACK từ bên thu. Điểm khác của cơ chế ARQ chọn lọc này so với kiểu ARQ lùi N là ở chỗ bên phát chỉ gửi lại đúng gói tin bị mất. Sự giống nhau giữa hai cơ chế ARQ chọn lọc và ARQ lùi N là ở chỗ: + Bên phát liên tục phát đi các gói tin mà không cần phải chờ gói tin ACK trả lời + Bên phát phải vẫn phải lưu lại những gói tin mà nó đã phát đi cho đến khi nó nhận được gói tin từ bên thu báo lại thì nó mới được xóa gói tin đó (có nghĩa là cần dùng bộ đệm) + Khi dùng hai cơ chế này thì hiệu suất sử dụng băng thông đạt được là lớn hơn so với khi sử dụng cơ chế ARQ dừng và đợi Tuy nhiên như đã nói ở trên thì điểm khác nhau giữa cơ chế ARQ chọn lọc và ARQ lùi N là, trong cơ chế ARQ chọn lọc thì thì bên phát chỉ cần gửi lại đúng gói tin bị mất. Có được điều này là do ở phía thu cũng sử dụng một bộ buffer để lưu nhưng gói tin đến. Giả sử chúng ta đang truyền các gói tin với window size=4 (0-3), có một gói tin bị mất đó là gói tin 1. Lúc này các gói tin 2 va 3 vẫn được truyền và bên thu sẽ lưu các gói tin này vào bộ buffer và chỉ yêu cầu truyền lại gói tin 1 và bên phát sẽ truyền lại gói tin 1 sau đó tiếp tục truyền các gói tin tiếp theo (4,5…). Điều này làm hạn chế đi sự truyền vô ích trong cơ chế ARQ lùi N khi các gói tin đến được bên thu nhưng lại bị bên thu hủy không nhận. Hybrid ARQ Thuật toán ARQ trở nên phổ biến trong mạng không dây và mạng dùng dây để truyền lại các thông tin truyền bị lỗi. Tuy nhiên, hiệu quả của việc sử dụng ARQ yêu cầu sự lựa chọn chính xác về công suất phát và tốc độ dữ liệu trong quá trình tái truyền phát, về mặt khác, đường truyền trở nên bị lỗi. Khi quá trình duy trì các thiết lập tối ưu này trong môi trường thời gian không ổn định trở thành một thách thức cho các dịch vụ băng thông rộng di động, kỹ thuật Hyprid-ARQ (H-ARQ) được phát triển. H-ARQ trở thành 1 phần của thông số Wimax di động, khối thu tập hợp các thông tin từ một gói tin bị lỗi với hiện tượng tái truyền phát tín hiệu của cùng một gói tin cho tới khi thông tin tập hợp đủ lại để lấy lại toàn bộ gói tin. Hình 4.23 Cơ chế yêu cầu lặp lại khi lỗi xảy ra HARQ được phép sử dụng giao thức N kênh “ Dừng và đợi “ để cung cấp khả năng đáp ứng nhanh cho đóng gói lỗi và cải thiện khả năng phủ sóng đường biên cell. Với khả năng kết hợp và tùy chọn, tính tăng cường sự dư thừa ( Incremental Redundancy ) được hỗ trợ để cải thiện độ tin cậy của đường truyền dẫn. Một kênh ACK chuyên dụng cũng được cung cấp tính hiệu HARQ ACK / NACK cho đường uplink. Hoạt động đa kênh cũng được hỗ trợ. ARQ đa kênh dừng và đợi với một số lượng nhỏ các kênh là một giao thức đơn giản mà hiệu quả, yêu cầu bộ nhớ tối thiểu cho HARQ và sự dừng. Wimax cung cấp tín hiệu cho phép hoạt động hoàn toàn ở chế độ không đồng bộ. Chế độ không đồng bộ cho phép độ trễ thay đổi giữa những lần truyền lại cho nên có thể đem lại sự linh hoạt hơn cho việc lập lịch do hiệu quả của phần đầu được thêm vào cho mỗi sự cấp phát việc truyền lại. HARQ kết hợp với nhau, cùng với CQICH và AMC đã tăng cường khả năng thích ứng đường truyền trong môi trường di động với tôc độ của phương tiện có thể lên tới 120 km/h. Phản hồi kênh nhanh CIQCH Sự lập lịch tại trạm gốc BS ( Base Station ) xác định tốc độ dữ liệu phù hợp cho mỗi sự cấp phát truyền loạt 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 người sử dụng đầu cuối đến bộ lập lịch trạm gốc. Những thông tin trạng thái kênh có liên quan có thể được phản hồi bởi CQICH bao gồm có : CINR lớp vật lý, hiệu suất CINR, lựa chọn chế độ MIMO và lựa chọn tần số, lựa chọn kênh con. Với kỹ thuật TDD, các liên kết thích ứng cũng có những ưu điểm về trao đổi kênh nhằm cung cấp những đánh giá chính xác hơn về tình trạng kênh. Thông điệp chỉ thị chất lượng kênh phát theo thời gian ( CQI ) tại khối thu rất cần thiết để điều khiển công suất thích ứng và tốc độ và mang lại hiệu quả cao. Việc hỗ trợ các dịch vụ di động yêu cầu thực hiện tác động chính xác nhanh vào thiết bị truyền phát để đảm bảo đường kết nối luôn luôn hoạt động tối ưu. Wimax di dộng xác định thông điệp CQI theo một kích cỡ nhỏ gọn (4-6 bit), do đó dẫn đến độ trễ thấp hơn và độ tin cậy cao hơn các thông điệp điều khiển bình thường. Các thông điệp CQI cung cấp các phản hồi nhanh và đáng tin cậy về điều kiện của đường dẫn tới trạm gốc. Hỗ trợ chất lượng dịch vụ QoS Với tốc độ đường truyền vô tuyến cao, khả năng truyền đối xứng đường lên / đường xuống, tài nguyên lớn và cơ chế cấp phát tài nguyên linh hoạt, Wimax di động hoàn toàn có thể đáp ứng được những yêu cầu về chất lượng dịch vụ QoS cho các dịch vụ và ứng dụng thông tin băng rộng Lớp MAC trong Wimax đi động, QoS được cung cấp qua các luồng dịch vụ như minh họa ở hình dưới. Đó là các luồn gói tin vô hướng được cung cấp bởi 1 tập các tham số QoS. Trước khi cung cấp một loại hình dịch vụ dữ liệu, trạm gốc và thiết bị người sử dụng đầu cuối trước tiên được thiết lập một đường liên kết logic vô hướng giữa các lớp MAC ngang hàng , được gọi là thực hiện kết nối. Đầu ra MAC sau đó sẽ kết hợp các gói tin đi qua giao diện MAC rồi đi vào trong luồng dịch vụ để được gửi đi thông qua kết nối. Hình 4.24 Hỗ trợ QoS WiMAX di động Các thông số QoS kết hợp với luồng dịch vụ xác định trình tự truyền và lập lịch trong giao diên vô tuyến. Do vậy QoS kết nối có hướng này có khả năng cung cấp thông tin điều khiển thông qua giao diện vô tuyến. Do đường truyền vô tuyến thường xảy ra hiện thắt nút cổ chai, QoS kết nối có hướng có thể cho phép điều khiển QoS đầu cuối đến đầu cuối ( end to end ) một cách hiệu quả. Các thông số luồng dịch vụ có thể được quản lý một cách linh hoạt thông qua các bản tin MAC để thỏa mãn những yêu cầu đa dạng của dịch vụ. Luồng dữ liệu dựa trên cơ chế QoS được ứng dụng cho cả đường lên và đường xuống đã cải thiện được QoS cho cả hai hướng. Wimax đi động hỗ trợ nhiều dịch vụ dữ liệu và ứng dụng với các yêu cầu QoS khác nhau. Bảng sau đưa ra những kết luận tổng hợp. Yêu cầu QoS Ứng dụng Các đặc tính QoS UGS ( Unsolicited Grant Servive ) VoIP ( Voice over IP ) -Duy trì tốc độ tối đa -Tối ưu hóa chống trễ -Triệt Jitter rtPS ( Real time Packet Service ) Luồng Audio hoặc Video ( Streaming Audio or Video ) -Tốc độ tối thiểu định trước -Duy trì tốc độ tối đa -Tối ưu hóa chống trễ -Ưu tiên lưu lượng ErtPS ( Extended Real time Packet Service ) Thoại với sự bảo vệ tích cực ( VoIP with Activity Detection ) -Tốc độ tối thiểu định trước -Duy trì tốc độ tối đa -Tối ưu hóa chống trễ -Triệt Jitter -Ưu tiên lưu lượng nrtPS ( Non Real time Packet Service ) Giao thức truyền tải file ( File Transfer Protocol ) -Tốc độ tối thiêu định trước -Duy trì tốc độ tối đa -Ưu tiên lưu lượng BE ( Best Effort ) Truyền dữ liệu, duyệt Web … -Duy trì tốc độ tối đa -Ưu tiên lưu lượng Bảng 4.3 Các dịch vụ WiMAX và QoS Dịch vụ lập lịch MAC Dịch vụ lập lịch trình MAC trong Wimax di động được thiết kế để truyền tải một cách hiệu quả các dịch vụ dữ liệu băng rộng bao gồm có thoại, dữ liệu , và hình ảnh thông qua sự thay đổi thời gian kênh không dây băng rộng. Dịch vụ lập lịch trình với các thuộc tính kèm theo có thể thực thi các dịch vụ dữ liệu băng rộng sau đây : - Bộ lập lịch dữ liệu nhanh : Bộ lập lịch MAC phải cấp phát tài nguyên hữu dụng một cách hiệu quả để đáp ứng được những điều kiện lưu lượng dữ liệu tăng lên và thời gian kênh thay đổi. Bộ lập lich được cấp phát tại mỗi trạm gốc để có thể đáp ứng nhanh chóng những yêu cầu về lưu lượng và tình trạng kênh. Những gói dữ liệu kết hợp với các luồng dịch vụ sẽ xác định tốt nhất các thông số QoS tại lớp MAC, do vậy bộ lập lịch có thể xác định một cách chính xác những yêu cầu truyền gói dữ liệu qua giao diện vô tuyến. Kênh CQICH cung cấp phản hồi thông tin kênh nhanh để thực hiện lập lịch giúp cho việc chọn phương pháp điều chế và mã hóa thích hợp cho mỗi sự cấp phát. Kỹ thuật điều chế / mã hóa thích ứng kết hợp với HARQ cung cấp khả năng truyền dẫn cao qua kênh thay đổi thời gian. - Lập lịch cho cả đường lên và đường xuống : Dịch vụ lập lịch được cung cấp cho cả lưu lượng đường lên và đường xuống. Để bộ lập lịch MAC có thể cấp phát tài nguyên một cách hiệu quả và đáp ứng yêu cầu QoS trên đường xuống, thì đường xuống phải phản hồi một cách chính xác, đúng thời điểm những thông tin về tình trạng lưu lượng và những yêu cầu QoS. Băng thông đường lên đa đường yêu cầu những cơ chế, ví dụ như yêu cầu băng thông thông qua dải kênh, yêu cầu kích thước tải và bầu chọn được thiết kế để hỗ trợ cho những yêu cầu băng thông đường lên. Các luồng dịch vụ đường lên xác định cơ chế phản hồi cho mỗi kết nối đường lên để bảo đảm viêc dự đoán cho việc xử lý lập lịch đường lên. Hơn thế nữa, với các kênh con đường lên trực giao không hề xuất hiện nhiễu giữa các cell. Bộ lập lịch đuờng lên cấp phát tài nguyên hiệu qủa hơn và tốt hơn là sử dụng QoS. - Cấp phát tài nguyên động : Lớp MAC hỗ trợ việc cấp phát tài nguyên tần số - thời gian ở cả đường xuống và đường lên trên cơ sở từng frame. Việc cấp phát tài nguyên được gửi đi trong bản tin MAC vào phần đầu của mỗi khung. Do vậy, sự cấp phát tài nguyên có thể được thay đổi trên từng khung để đáp ứng với các tình trạng kênh và lưu lượng.Thêm vào đó, số lượng các tài nguyên trong mỗi sự cấp phát có thể thay đổi từ một khe cho tới toàn bộ khung. - QoS có hướng : bộ lập lịch MAC điều khiển việc vận chuyển dữ liệu dựa trên nền tảng liên kết các kết nối. Mỗi một kêt nối kết hợp với một dịch vụ dữ liệu riêng lẻ cùng với việc điều chỉnh các thông số QoS mà có thể xác định được chất lượng những đáp ứng bên ngoài của nó. Với khả năng cấp phát tài nguyên động trên cả đường lên và đường xuống, bộ lập lịch có thể cung cấp QoS cao cấp cho cả lưu lượng đường lên và đường xuống .Thông thường với bộ lập lịch cho đường lên, nguồn tài nguyên đường lên được cấp phát hiệu quả hơn, có thể dự đoán hoạt động chính xác hơn, và thực thi QoS tốt hơn. - Bộ lập lịch lựa chọn tần số : Bộ lập lịch có thể hoạt động với nhiều loại kênh con khác nhau. Với những kênh con thay đổi tần số như là hoán vị PUSH, nơi mà những sóng mang con trên những kênh con được phân bố một cách ngẫu nhiên qua băng thông, các kênh con sẽ có chất lượng tương đương. Bộ lập lịch thay đổi tần số có thể hỗ trợ cho QoS với thuộc tính tốt và bộ lập lịch tài nguyên thời gian – tần số linh hoạt. Với sự hoán vị lân cận như hoán vị AMC, các kênh con có thể có những suy giảm khác nhau . Bộ lập lịch lựa chọn tần số có thể cấp phát cho người dùng di động để có sự tương ứng tôt nhất cho các kênh con. Bộ lập lịch lựa chọn tần số có thể tăng cuờng dung lượng hệ thống với mức vừa phải cho phần đầu của CQI trên đường lên. Chuyển giao trong WiMAX di động Có ba phương pháp chuyển giao được chuẩn 802.16e hỗ trợ - Chuyển giao cứng (Hard Handoff – HHO), Chuyển trạm gốc nhanh (Fast Base Station Switching – FBSS) và Chuyển giao phân tập vĩ mô (Macro Diversity Handover – MDHO). Hard Handoff - đây là chức năng chuyển vùng dạng “phá vỡ trước khi thực hiện” "break before make" khi các thiết bị đầu cuối khách hàng không kết nối với bất kỳ trạm gốc nào trước khi kết nối với trạm gốc tiếp theo. FBSS - mạng chuyển vùng thuê bao giữa các trạm gốc trong khi vẫn duy trì sự kết nối mạng lõi với trạm gốc MDHO (Macro-diversity handover) - thuê bao duy trì một kết nối với đồng thời 2 hoặc nhiều trạm gốc để tạo sự chuyển vùng không bị gián đoạn với chất lượng kết nối cao nhất. Trong đó, chuyển giao HHO là bắt buộc còn FBSS và MDHO là hai chế độ tuỳ chọn. Diễn đàn Wimax đã phát triển một vài công nghệ chuyển giao cứng rất thích cực trên nền tảng chuẩn 802.16e. Những cải tiến này được phát triển với mục đích giữ cho trễ chuyển giao lớp 2 ít hơn 50 ms. Tại chế độ chuyển giao cứng HHO, MS chỉ duy trì kết nối với chỉ một BS duy nhất trong cùng một thời điểm. Kết nối của MS với trạm BS cũ sẽ được phá vỡ trước khi kết nối mới được thiết lập. Chuyển giao được thực hiện sau khi cường độ tín hiệu ở các cell kế cận vượt quá cường độ tín hiệu tại cell hiện thời. Phần ranh giới giữa các cell được coi như là nơi có sự chuyển giao cứng xảy ra. Hình 4.25 Chuyển giao cứng HHO Khi được hỗ trợ FBSS, MS và BS duy trì một danh sách các BS mà liên quan đến FBSS với MS. Tập này gọi là một tập tích cực ( Set Active ). Trong FBSS, MS tiếp tục theo dõi các trạm gốc trong tập Active Set. Khi hoạt động trong FBSS, MS chỉ trao đổi với Anchor BS cho các bản tin đường lên và đường xuống chứa các kết nối lưu lượng và quản lý. Việc chuyển từ một Anchor BS đến trạm khác (chẳng hạn chuyển giao BS) được thực hiện mà không cần có sự hiện diện của các bản tin báo hiệu HO. Các thủ tục cập nhật “mỏ neo” được thực hiện bởi cường độ tín hiệu giữa trạm gốc phục vụ thông qua kênh CQI. Một chuyển giao FBSS bắt đầu một quyết định dựa trên MS nhận hoặc phát dữ liệu từ trạm anchor BS mà nó có thể được thay đổi trong tập tích cực. MS dò tìm các BS lân cận và lựa chọn trạm nào thích hợp nhất trong tập tích cực. Hình 4.26 Chuyển trạm gốc nhanh ( FBSS ) MS gửi báo cáo cho BS được chọn và thủ tục cập nhật tập tích cực được thực hiện bởi BS và MS. MS tiếp tục theo dõi cường độ tín hiệu của các BS trong tập tích cực và lựa chọn một BS để trở thành anchor BS. MS gửi báo cáo đến BS lựa chọn trên kênh CQICH hoặc MS khởi tạo bản tin yêu cầu HO. Một yêu cầu quan trọng của FBSS là dữ liệu sẽ được truyền đồng thời đến tất cả các phần tử của tập các BS hoạt động sẵn sang phục vụ MS. Đối với các MS và BS hỗ trợ MDHO, MS và BS duy trì một tập các BS hoạt động mà có chế độ MDHO với MS, được gọi là tập phân tập ( Diversity Set ) . Tập này được định nghĩa cho mỗi MS ở trong mạng. Trong số các BS của tập các trạm gốc hoạt động, một BS mỏ neo được định nghĩa. Chế độ thông thường để hoạt động chính là một trường hợp cụ thể của MDHO với tập các trạm gốc hoạt động chỉ gồm một BS đơn lẻ. Khi hoạt động trong chế độ MDHO, MS trao đổi với tất cả BS trong tập các trạm gốc hoạt động thông qua các bản tin đơn hướng cả hướng lên và hướng xuống. Một phiên MDHO bắt đầu khi một MS quyết định truyền và nhận lưu lượng và bản tin đơn hướng từ nhiều BS trong cùng khoảng thời gian. Hình 4.27 Chuyển giao phân tập MDHO Đối với MDHO đường xuống, có hai hoặc nhiều hơn BS cung cấp khả năng truyền đồng bộ cho dữ liệu đường xuống MS và như vậy kết hợp phân tập được thực hiện ở MS. Đối với đường lên MDHO, việc truyền dẫn từ MS được thu bởi nhiều BS ở đó thông tin phân tập lựa chọn nhận được thực hiện. Trạm BS cũng có thể nhận được tín hiệu kết nối giữa các MS với các trạm BS khác, tuy nhiên khi đó cấp độ cường độ tín hiệu không đủ để được coi như là một BS kế cận. Quản lý sự di động và công suất tiêu thụ Việc giám sát nguồn trong các thiết bị cầm tay di động và khả năng hỗ trợ chuyển (handoff) mềm là các yêu cầu cần thiết nhằm hỗ trợ các ứng dụng di động. Để dễ dàng di chuyển và thuận tiện cho các thuê bao, các thiết bị đầu cuối di động phải nhỏ gọn do đó kích thước pin sẽ bị hạn chế. Trong khi đó các thê bao cần nguồn hoạt đông trong thời gian dài. Wimax di động hỗ trợ hai chế đô hoạt động tăng hiệu suất nguồn năng lượng – chế độ ngủ ( Sleep Mode ) và chế độ rỗi ( Idle Mode ). - Chế độ ngủ ( Sleep Mode ) : là trạng thái mà MS đang ở trong giai đoạn trước khi có bất cứ trao đổi thông tin gì với trạm gốc qua giao diện vô tuyến. Nhìn từ phía trạm gốc, giai đoạn này có đặc điểm là không khả dụng với MS cho cả lưu lượng đường lên và đường xuống. Chế độ này cũng cung cấp khả năng linh hoạt cho MS để dò các trạm gốc khác để thu thập thông tin hỗ trợ chuyển giao . - Chế độ rỗi ( Idle Mode ) : cung cấp một cơ chế cho MS để sẵn sàng một cách định kỳ nhận các bản tin quảng bá hướng xuống (DL) mà không cần đăng ký với một trạm gốc xác định nào khi MS di chuyển trong một môi trường có đường truyền vô tuyến được phủ sóng bởi nhiều trạm gốc. Chế độ này làm lợi cho MS bằng cách loại bỏ yêu cầu chuyển giao và các hoạt động thông thường khác, đem lại tiện ích cho mạng và trạm gốc bằng cách loại bỏ giao diện vô tuyến và lưu lượng chuyển giao của mạng từ các MS không hoạt động trong khi vẫn cung cấp một phương pháp đơn giản để báo cho MS về lưu lượng DL đang xử lý. Chuẩn Wimax di động cho phép các thiết bị đầu cuối khách hàng có thể linh động trong một khoảng thời gian nhât định khi thực hiện kết nối với trạm gốc. Khi không có sự truyền hay phát dữ liệu, thiết bị đầu cuối khách hàng có thể chuyển đến trạng thái "sleep" hoặc "idle" nhằm giảm thiểu công suất tiêu thụ. Người quản lý các trạm gốc phải nhận biết mọi trạng thái nghỉ ("sleep" hay "idle") của thiết bị đầu cuối khách hàng và có khả năng chuyển trạng thái của thiết bị đầu cuối sang chế độ phát hay thu tín hiệu bất cứ khi nào cần. Ở trạng thái phát của thiết bị đầu cuối khách hàng, việc sử dụng các kênh con đảm bảo công suất phát tương đương với công suất để duy trì chất lượng đường truyền ổn định khi đang phát lưu lượng, do đó nó làm giảm đáng kể công suất tiêu thụ trong thiết bị đầu cuối khách hàng.