Đề tài Nghiên cứu tiêu chuẩn 802.16e và ứng dụng triển khai trên mạng nội hạt

LỜI MỞ ĐẦU Trong bối cảnh sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ truyền thông vô tuyến băng rộng qua khoảng cách xa, nhiều công nghệ nổi lên như để chứng tỏ tiềm năng và tính khả thi của mình như công nghệ DSL, ADSL, WiFi. Nhưng cho tới nay tất cả những công nghệ này tuy hiện nay rất phổ biến nhưng dường như vẫn không đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao của người dùng về mặt tốc độ, khả năng phủ sóng… WiMAX nói chung và đặc biệt là WiMAX di động nói riêng với những đặc tính vượt trội đã chứng tỏ mình là một giải pháp tích cực có thể giải quyết các vấn đề đa truy nhập về mặt chi phí lắp đặt, khoảng cách phủ sóng, tốc độ đường truyền, đồng thời thu hút được sự tham gia hợp tác của các tập đoàn điện tử lớn trong việc sản xuất thúc đẩy sự hoàn thiện của công nghệ mới này. Đề tài khóa luận tốt nghiệp với tiêu đề: “Nghiên cứu tiêu chuẩn 802.16e và ứng dụng triển khai trên mạng nội hạt” được thực hiện nhằm mục đích tìm hiểu tổng quan về công nghệ WiMAX di động đồng thời nghiên cứu tình hình triển khai của công nghệ mới này trong điều kiện thực tế ở Việt Nam để trả lời các câu hỏi như: “Tại sao công nghệ mới này lại hấp dẫn các nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến băng rộng cũng như các khách hàng như vậy?” và “Quá trình triển khai trên thực tế được thực hiện như thế nào, kết quả thu được là gì?”. Đồng thời, việc nghiên cứu tìm hiểu về WiMAX di động trong tình hình mạng viễn thông Việt Nam hiện nay là điều cần thiết không chỉ đối với thị trường nói chung cũng như các các nhà quản lý mà quan trọng hơn sẽ giúp trang bị cho sinh viên khoa điện tử - viễn thông của trường Đại học Công Nghệ những nền tảng kiến thức thực tế cơ bản về việc ứng dụng và phát triển công nghệ mới này. Trên cơ sở những thông tin có sẵn từ các tài liệu trong và ngoài nước, phần nội dung của bài viết được thực hiện thông qua đọc và phân tích đồng thời nêu lên quan điểm của bản thân về những vấn đề cần nghiên cứu. Nội dung bài khóa luận bao gồm 2 phần chính: Chương 1: Tổng quan về chuẩn 802.16e và WiMAX di động. Chương 2: Các đặc tính kỹ thuật của WiMAX di động. Chương 3: Ứng dụng triển khai WiMAX di động trên mạng nội hạt tại Việt Nam MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU 1 MỤC LỤC 2-4 DANH MỤC HÌNH VẼ 5-6 DANH MỤC BẢNG 7 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 8-11 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHUẨN 802.16e VÀ WiMAX DI ĐỘNG 12 Giới thiệu chung về WiMAX di động 12 Mô hình hệ thống 14 Kiến trúc mạng WiMAX di động 15 1.4 Kỹ thuật truyền thông số 16 1.4.1 Mô tả lớp vật lý 16 1.4.1.1 Các khái niêm cơ bản về OFDM 16 1.4.1.2 Cấu trúc ký hiệu OFDMA và kênh con hóa 19 1.4.1.3 SOFDMA theo tỷ lệ (S-OFDMA) 22 1.4.1.4 So sánh OFDM và OFDMA 23 CHƯƠNG 2: CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA WIMAX DI ĐỘNG 26 2.1 Cấu trúc khung TDD 26 2.2 Các đặc điểm lớp PHY cải tiến khác 28 2.3 Mô tả lớp MAC (Media Access Control) 30 2.3.1 Dịch vụ lập lịch MAC 32 2.3.2 Hỗ trợ QoS 33 2.3.3 Quản lý nguồn 35 2.3.4 Quản lý di động 36 2.3.5 Bảo mật 37 2.3.6 Truy nhập kênh truyền 38 2.4 Các đặc điểm cải tiến của WiMAX di động 39 2.4.1 Công nghệ anten thông minh 39 2.4.1.1 MIMO 39 2.4.1.2 Công nghệ anten thông minh 40 2.4.2 Sử dụng lại tần số phân đoạn 42 2.4.3 Dịch vụ Multicast và Broadcast (MBS) 44 2.5 Các vấn đề về phổ của WIMAX di động 45 2.6 Kiến trúc WiMAX end-end 46 2.6.1 Hỗ trợ các dịch vụ và ứng dụng 48 2.6.2 Liên mạng và chuyển vùng 48 2.6.3 Bảo mật 51 2.6.4 Tính di động và chuyển giao 52 2.6.5 Khả năng mở rộng, vùng bao phủ và lựa chọn nhà khai thác. 53 2.6.6 Khả năng liên hoạt động của đa nhà sản xuất 54 2.6.7 Chất lượng dịch vụ 54 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG TRIỂN KHAI WiMAX DI ĐỘNG TRÊN MẠNG NỘI HẠT TẠI VIỆT NAM 55 3.1 Tổng quan 55 3.2 Triển khai WIMAX di động của công ty Viễn Thông Hà Nội (HNPT) 56 3.2.1 Mục tiêu triển khai 56 3.2.1.1 Yêu cầu về dịch vụ cho hệ thống truy nhập vô tuyến băng rộng 56 3.2.1.2 Đối tượng khách hàng của hệ thống truy nhập vô tuyến băng rộng 56 3.2.2 Qui mô triển khai WIMAX di động tại Hà Nội 56 3.2.3 Phối hợp thử nghiệm triển khai Wimax giữa Motorola và HNPT 57 3.2.3.1 Mục đích của cuộc Phối hợp Thử nghiệm Công nghệ (PTC) 59 3.2.3.2 Nội dung công việc triển khai 69 3.2.3.3 Sơ đồ chung về mạng của ULAP WiMAX 70 3.2.3.4 Các thành phần hệ thống và thiết bị kiểm tra được yêu cầu 71 3.2.3.4.1 Phần mềm 72 3.2.4 Cấu hình thử nghiệm 73 3.2.4.1 Các mô hình thử nghiệm 74 3.2.4.1.1 Dịch vụ dữ liệu 74 3.2.4.1.2 Dịch vụ thoại trên nền IP 75 3.2.4.1.3 Dịch vụ game tương tác 77 3.2.4.1.4 Dịch vụ mạng riêng ảo 78 3.2.4.1.5 Dịch vụ cấp phát địa chỉ IP-DHCP 79 3.2.4.1.6 Thử nghiệm VOIP với VOIP Server và Voice Gateway 80 3.2.5 Kết quả thử nghiệm triển khai Wimax di động 82 KẾT LUẬN CHUNG 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO 84 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Profile hệ thống WiMAX di động Hình 1.2: Lộ trình phát triển công nghệ WiMAX Hình 1.3: Mô hình hệ thống WiMAX Hình 1.4: Kiến trục mạng WiMAX di động Hình 1.5: Phân chia luồng số liệu trong OFDM Hình 1.6: Mặt cắt của Cyclic Prefix Hình 1.7: Mật độ phổ năng lượng của tin hiệu điều chế OFDM Hình 1.8: Miền tần số OFDM Hình 1.9: Mô hình kênh con hóa OFDM Hình 1.10: Cấu trúc sóng mang con OFDMA Hình 1.11: Sự phân bổ pilot và dữ liệu trong các ký hiệu chẵn lẻ Hình 1.12: Cấu trúc tile của UL PUSC Hình 1.13: So sánh OFDM và OFDMA Hình 1.14: Tương quan so sánh giữa OFDM và SOFDMA Hình 1.15: Tuyến lên trong OFDM và OFDMA Hình 2.1: Cấu trúc khung WiMAX OFDMA Hình 2.2: Mô hình điều chế trong 802.16e Hình 2.3: Phân lớp MAC và các chức năng Hình 2.4: Qos hỗ trợ WiMAX di động Hình 2.5: Các bước kết nối với trạm BS Hình 2.6 : Kỹ thuật MIMO Hình 2.7: Chuyển mạch thích ứng cho anten thông minh Hình 2.8 Cấu trúc khung đa miền Hình 2.9: Sử dụng lại tần số Hình 2.10: Hỗ trợ MBS nhúng với những vùng WiMAX-MBS di động Hình 2.11: Mô hình tham chiếu mạng WIMAX Hình 2.12: Cấu trúc mạng WiMAX trên nền IP Hình 3.1: Sơ đồ các khu vực triển khai WiMAX di động Hình 3.2: Cấu hình sản phẩm Ultra Light Hình 3.3: Cấu hình sản phẩm ULAP Hình 3.4: Framework quản lý các phần tử ULAP Hình 3.5: Cấu hình cell điển hình (4 sector) Hình 3.6: Module thuê bao ngoài trời Hình 3.7: Cấu hình đa sector của ULAP Hình 3.8: Cấu hình mạng chung ULAP Hình 3.9: Cấu hình mạng Hình 3.10: Cấu hình thử nghiệm WiMAX di động của HNPT Hình 3.11: Thử nghiệm dịch vụ truyền file FTP Hình 3.12: Thử nghiệm dịch vụ duyệt Web intranet Hình 3.13: Thử nghiệm dịch vụ duyệt Web internet Hình 3.14: Thử nghiệm dịch vụ VOIP PC-to-PC Hình 3.15: Thử nghiệm dịch vụ Game trực tuyến Hình 3.16: Thử nghiệm dịch vụ mạng riêng ảo VPN Hình 3.17: SM built-in DHCP Server Hình 3.18: External DHCP Server Hình 3.19: Thử nghiệm VOIP với VOIP server (HNPT) và Voice Gateway (HNPT) DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Các tham số tỉ lệ OFDMA Bảng 2.1: Các kỹ thuật mã hóa và điều chế được hỗ trợ Bảng 2.2: Tốc độ dữ liệu PHY với các kênh con PUSC trong WiMAX di động Bảng 2.3: Các dịch vụ trong QoS Bảng 2.4: Các tùy chọn của Anten cao cấp Bảng 2.5: Các tốc độ dữ liệu cho các cấu hình SIMO/MIMO Bảng 3.1: Tổng hợp những đặc tính kỹ thuật chính của ULAP Bảng3.2: Đặc tính kỹ thuật vô tuyến của ULAP Bảng 3.4: Đặc tính kỹ thuật anten của ULAP Bảng 3.5: Các thông số kỹ thuật Module và Anten thuê bao Bảng 3.6: Các thông số kỹ thuật Module và Anten thuê bao (tiếp...) CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT AAA Authentication, authorization and Account Nhận thực, cấp phép và lập tài khoản ADSL Asymmetric Digital Subcriber Line Đường dây thuê bao bất đối xứng AES-CCM AES-CCM-based authenticated. encryption Thuật toán bảo mật mã hoã nhật thực AMC Adaptive Modulation and Coding Điều chế và mã hóa thích ứng ARPU Average Revenue Per User Chỉ số doanh thu bình quân của một thuê bao/tháng ASN gateway Access Service Network Mạng dịch vụ truy nhập BS Base Station Trạm gốc CCMP Cipher Block Chaining Message Authentication Code Protocol Giao thức CCMP CPS Common Part Sublayer Lớp con phần chung CQI Channel quality indicator Chỉ thị chất lượng kênh CQI Channel quality indicator Một kênh chỉ thị chất lượng kênh CS Convergence Sublayer Lớp con hội tụ CSN Core Service Network Mạng dịch vụ lõi DHCP Dynamic Host Configuration Protocol Giao thức cấu hình Host động DL Downlink Đường xuống DL FUSC Fully Used Sub-Carrier Sóng mang con sử dụng hoàn toàn DL PUSC Partially Used Sub-Carrier Sóng mang con sử dụng một phần DOCSIS Data Over Cable Service Interface Specification Dịch vụ truyền data bằng đường cáp DSL Digital Subcriber Line Kênh thuê bao số EAP Extensible Authentication Protocol Giao thức xác thực có thể mở rộng EAP Extensible Authentication Protocol Giao thức xác thực mở rộng FBSS Fast Base Station Switching Chuyển mạch trạm gốc nhanh FCH Frame Control Header Tiêu đề điều khiển khung FDMA Frequence Division Mutiplexing Access Đa truy nhập phân chia theo tần số HARQ Hybrid Automatic Retransmission Request Yêu cầu truyền lại tự động kết nối HHO Hard Handoff Handoff cứng HMAC Hashed Message Authentication Code Khóa mã nhận thực bản tin băm IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers Viện các kỹ sư điện và điện tử LOS Line of sight Tầm nhìn thẳng MAI Multi Access Interfearence Nhiễu đa truy xuất MDHO Macro Diversity Handover Handover chuyển giao phân tập vĩ mô MIMO Multiple-input and multiple-output Kỹ thuật sử dụng nhiều ăng-ten phát và nhiều ăng-ten thu để truyền và nhận dữ liệu MS Mobile Station Trạm di động NAP Network Access Provider Nhà cung cấp truy nhập mạng NOSL None-light of sight Không theo tầm nhìn thẳng NRM Network Reference Model Mô hình tham chiếu mạng NSP Network Service Provider Nhà cung câp dịch vụ mạng OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao PKM Protocal of Key Management Phương thức quản lý khóa QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ QPSK Quadratura Phase Shift Keying Khóa chuyển pha cầu phương RTG Receive Transition Gap Khoảng trống chuyển giao đầu thu RUIM Removable User Identity Module Mô đun xác nhận người sử dụng có thể di chuyển được SAP Service Access Point Điểm truy nhập dịch vụ SDU Service Data Unit Đơn vị dữ liệu dịch vụ SFN Single Frequency Network Mạng một tần số SIM Subscriber Identity Module Mô dun xác nhận thuê bao SNMP Simple Network management Giao thức quản lí mạng Protocol đơn giản SOFDMA Scalable Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao theo tỉ lệ SSCS Specify Services Convergence Sublayer Lớp con hội tụ các dịch vụ riêng TDMA Time Division Multiplexing Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian TTG Transmit Transition Gap Khoảng trống chuyển giao đầu phát UL Uplink Đường lên ULAP Ultra Light Access Point Điểm truy cập WAC Wireless Access Controlle Điều khiển truy cập không dây WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access Khả năng tương tác toàn cầu với truy nhập vi ba CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHUẨN 802.16E VÀ WiMAX DI ĐỘNG 1.1 Giới thiệu chung về WiMAX di động WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access - Khả năng tương tác toàn cầu với truy nhập vi ba) là một công nghệ ra đời dựa trên các chuẩn 802.11 và 802.16 của IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers – Viện các kỹ sư điện và điện tử) cho phép truy cập vô tuyến đầu cuối như một phương thức thay thế cho cáp, DSL, ADSL hoặc hệ thống cáp quang tốn kém. Hệ thống WiMAX, theo như WiMAX Forum, cho phép kết nối băng rộng vô tuyến cố định, nomandic - trong đó người sử dụng có thể di chuyển nhưng cố định trong lúc kết nối, mang xách được trong đó người sử dụng có thể di chuyển ở tốc độ đi bộ, di động với khả năng phủ sóng của một trạm anten phát lên đến 50 km dưới các điều kiện tầm nhìn thẳng (LOS – Line of sight) và bán kính cell lên tới 8km không theo tầm nhìn thẳng (NLOS – Non line of sight). Trong họ IEEE 802.16 nổi bật nhất là chuẩn 802.16e – 2005 với khả năng đáp ứng các ứng dụng cố định và đặc biệt là các dịch vụ di động, nên còn được gọi là WiMAX di động. Chuẩn này đánh dấu sự phát triển vượt bậc trong khả năng đáp ứng nhu cầu sử dụng ngày càng cao của người dùng. Với những thuộc tính vượt trội đặc biệt về tốc độ đường truyền số liệu lên tới 64Mbps downlink và 28Mbps uplink khả năng cung ứng di động tối đa lên tới 120km/h, và bán kính phủ lên tới 1/5/30km, WiMAX di động đang dần chứng tỏ mình là một công nghệ quan trọng trong lĩnh vực cung cấp giải pháp Internet băng rộng di động và là một đối thủ cạnh tranh đáng gờm đối với mạng thông tin di động 3G LTE trong việc cung ứng các dịch vụ tương tự như thoại VoIP, Internet di động hay TV di động. WiMAX di động sẽ là một giải pháp vô tuyến băng rộng cho phép hội tụ mạng băng rộng cố định và di động thông qua công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng trên diện rộng và kiến trúc mạng mềm dẻo. Giao diện vô tuyến WiMAX di động sử dụng phương thức đa truy nhập chia theo tần số trực giao (OFDMA) để cải thiện vấn đề đa đường trong môi trường NLOS. Phương thức OFDMA scalable (SOFDMA) được sử dụng trong bản bổ xung IEEE 802.16e để hỗ trợ băng tần kênh thay đổi từ 1.25 tới 20 Mhz. Hiện nay, một profile hệ thống WiMAX di động đang được phát triển nhằm xác định các đặc điểm bắt buộc và tuỳ chọn của chuẩn IEEE để xây dựng các giao diện vô tuyến tuân theo WiMAX di động. Profile hệ thống WiMAX di động này cho phép hệ thống di động được cấu hình dựa trên tập hợp các đặc điểm chung do đó đảm bảo các cho đầu cuối và trạm gốc có thể liên hoạt động. Một vài đặc điểm tuỳ chọn của profile trạm gốc được đưa ra nhằm tạo nên sự mềm dẻo trong việc triển khai các cấu hình khác nhau với điều kiện hoặc tối ưu về khả năng hoặc về vùng phủ. Profile WiMAX di động sẽ bao gồm độ rộng kênh 5, 6, 8.75 và 10 MHz trong băng tần số 2.3 GHz, 2.5 GHz và 3.5 GHz 002E Hình 1.1: Profile hệ thống WiMAX di động Hiện nay, một nhóm làm việc mạng của diễn đàn WiMAX đang phát triển các tiêu chuẩn kỹ thuật mạng “mức cao” cho hệ thống WiMAX di động mà trong chuẩn IEEE 802.16 mới chỉ giải quyết các vấn đề đơn giản của các phần giao diện vô tuyến. Nhóm này cũng đang nghiên cứu phiên bản khác là 802.16m với mục đích đẩy tốc độ dữ liệu của WiMAX lên hơn nữa trong khi vẫn tương thích với WiMAX cố định và di động đã và đang được triển khai. Phiên bản này theo dự kiến sẽ được hoàn thiện vào cuối năm 2009, như là một bước tiến để vượt trội hơn 3G LTE và xâm nhập sâu rộng hơn vào thị trường di động hiện nay. Phiên bản 802.16m sẽ vẫn dựa trên kỹ thuật ăng-ten MIMO trên nền công nghệ đa truy nhập OFDMA với số lượng ăngten phát và thu nhiều hơn WiMAX di động « Wave 2 ». 802.16m trang bị 4 ăng-ten phát và 4 ăng-ten thu sẽ có thể đẩy tốc độ truyền lên lớn hơn 350Mbps. Theo dự kiến,WiMAX Release 2 với sự hoàn thiện của 802.16m sẽ hoàn thành vào cuối năm 2009 và có thể bắt đầu triển khai dịch vụ từ 2010. Hình 1.2 dưới đây thể hiện lộ trình phát triển của công nghệ WiMAX đã, đang và sẽ xuất hiện . Hình 1.2: Lộ trình phát triển công nghệ WiMAX 1.2 Mô hình hệ thống Mô hình phủ sóng mạng WiMAX hay WiMAX di động tương tự như một mạng điện thoại di động với 2 phần: Trạm phát và Trạm thu. Trạm phát: Giống như các trạm BTS trong mạng thông tin di động với công suất lớn, có thể phủ sóng khu vực rộng tới 8000 km2 Trạm thu: Có thể là các anten nhỏ như các loại card mạng tích hợp hoặc được gắn thêm trên mainboard của máy tính như card WLAN. Người dùng có thể truy cập WiMAX di động tại bất cứ địa điểm nào dù là cố định hay đang di động. Một điểm đáng chú ý đó là các trạm phát do được kết nối với mạng Internet thông qua các đường truyền Internet tốc độ cao hoặc các trạm trung chuyển theo đường truyền thẳng LOS nên khả năng phủ sóng của WiMAX là rất rộng. Các anten thu phát có thể trao đổi thông tin qua các đường truyền LOS hoặc NLOS. Đối với trường hợp truyền thẳng LOS, các anten được đặt cố định tại các điểm trên cao do vậy tín hiệu thu được trong trường hợp này rất ổn định và đạt tốc độ truyền tối đa. Tuy nhiên đối với trường hợp truyền NLOS, hệ thống sử dụng băng tần thấp hơn, 2 – 11 GHz tương tự như WLAN, tín hiệu có thể vượt các vật chắn thông qua đường phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ…để tới đích. Hình 1.3: Mô hình hệ thống WiMAX 1.3 Kiến trúc mạng WiMAX di động Hình 1.4: Kiến trúc mạng WiMAX di động Ta thấy để thiết lập một mạng WiMAX hay WiMAX di động ta cần có các trạm phát BS (giống BTS của mạng thông tin di động). Nhiều BS sẽ được kết nối, quản lý bởi một ASN (Access Service Network) gateway. ASN Gateway này là thực thể miêu tả trong WiMAX Forum, tuy nhiên trong các mạng triển khai thực tế thì người ta hay gọi là WAC (WiMAX hay Wireless Access Controller). Nhiều WAC tập hợp lại tạo thành một ASN. Nhiều ASN của cùng một operator tạo thành một NAP (Network Access Provider). Nhiều nhà cung cấp khác nhau sẽ có thể triển khai nhiều mạng truy nhập khác nhau, rồi chúng sẽ cùng kết nối với một hoặc nhiều CSN (Core Service Network). ASN định nghĩa một đường biên logic và biểu diễn theo một cách thuận lợi để mô tả tập hợp các thực thể chức năng và các luồng bản tin tương ứng kết hợp với các dịch vụ truy cập. ASN biểu diễn đường biên cho chức năng liên kết nối với các mạng WiMAX khách, các chức năng dịch vụ kết nối WiMAX và tập các chức năng của nhiều nhà cung cấp khác nhau. CSN được định nghĩa là một tập các chức năng mạng cung cấp các dịch vụ kết nối IP cho các thuê bao WiMAX. Một CSN có thể gồm các phần tử mạng như router (bộ định tuyến), máy chủ/proxy nhận thực AAA, cơ sở dữ liệu người dùng và thiết bị cổng liên mạng. Một CSN có thể được triển khai như một phần của nhà cung cấp dịch vụ mạng WiMAX. 1.4 Kỹ thuật truyền thống số 1.4.1 Mô tả lớp vật lý 1.4.1.1 Các khái niêm cơ bản về OFDM Công nghệ WiMAX di động chọn phương pháp truy cập đa điểm dựa trên việc phân chia tần số trực giao (Orthogonal Frequency Division Multiple Access - OFDMA) để nâng cao hiệu suất truyền giữa các điểm trong môi trường không phát sóng trực tiếp. Tuy nhiên để hiểu rõ về OFDMA thì việc tìm hiểu những nét cơ bản về OFDM là rất cần thiết. OFDM là công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao-một kỹ thuật hấp dẫn sử dụng cho các hệ thống truyền thông số liệu tốc độ cao. Nó được phát triển từ 2 kĩ thuật quan trọng là ghép kênh phân chia theo tần số (FDM) và truyền thông đa sóng mang. OFDM là một kỹ thuật ghép kênh mà chia băng tần thành các tần số sóng mang nhỏ như được chỉ ra trong hình sau : Hình 1.5: Phân chia luồng số liệu trong OFDM Trong hệ thống OFDM, luồng số liệu đầu vào được chia ra thành các luồng con song song với tốc độ số liệu nhỏ hơn và như vậy tăng khoảng thời gian của ký hiệu và mỗi luồng nhỏ được điều chế và truyền trên một sóng mang trực giao. Hơn nữa, sự sử dụng tiền tố lặp-CP (cyclic frefix) có thể hoàn toàn loại trừ xuyên nhiễu giữa các ký hiệu (ISI) miễn là thời lượng CP lâu hơn trễ kênh lan truyền. CP là một sự lập lại của một đoạn cuối của khối số liệu và được gán tới đầu của đoạn tải số liệu như được chỉ ra trong hình: Hình 1.6: Mặt cắt của Cyclic Prefix Sử dụng CP để chống lại xuyên nhiễu giữa các ký hiệu và tạo cho kênh “xuất hiện” vòng tròn. Một trong những nhược điểm của CP là làm giảm hiệu quả của băng thông do sử dụng thêm ở phần tiêu đề. CP làm giảm hiệu quả sử dụng băng thông đi một ít. Do phổ OFDM có hình rất nhọn giống như “brick-wall”, do đó một phần lớn băng thông kênh được sử dụng cho truyền số liệu nên giúp giảm ảnh hưởng trong việc sử dụng tiền tố vòng tròn. Hình 1.7: Mật độ phổ năng lượng của tín hiệu điều chế OFDM OFDM có thể triển khai trên nhiều dải tần số khác nhau với đa kênh bằng cách sử dụng mã hoá và thông tin tại sóng mang nhỏ trước khi đưa vào truyền dẫn. Hình 1.8: Miền tần số OFDM Điều chế OFDM có thể hiện thực hoá một cách hiệu quả với chuyển đổi Fourier ngược nhanh. Điều này cho phép truyền một số lượng lớn các sóng mang nhỏ mà không phức tạp trong việc thực hiện. Trong một hệ thống OFDM, các tài nguyên trong miền thời gian chính là các ký hiệu OFDM và trong miền tần số là các sóng mang nhỏ. Nguồn tài nguyên “tần số” và “thời gian” có thể được tổ chức thành các kênh con dùng cho việc phân bổ tới từng người sử dụng riêng rẽ. Mỗi hình chữ nhật là một kênh con độc lập và cấp cho những người sử dụng khác nhau: Hình 1.9: Mô hình kênh con hóa OFDM 1.4.1.2 Cấu trúc ký hiệu OFDMA và kênh con hóa OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access) là một phương thức đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao, cung cấp hoạt động ghép kênh luồng số liệu cho đa người sử dụng vào các kênh con đường xuống và đa truy nhập đường đa đường lên bằng phương tiện kênh con đường lên. OFDMA là một công nghệ đa sóng mang phát triển trên nền kỹ thuật OFDM. Trong OFDMA, một số sóng mang con, không nhất thiết là phải nằm kề nhau được gộp lại thành một kênh con (sub-channel) và các user khi truy cập vào tài nguyên sẽ được cấp cho một hay nhiều kênh con để truyền nhận tùy theo yêu cầu lưu lượng cụ thể. OFDMA có một số ưu điểm như là tăng khả năng linh hoạt, thông lượng và tính ổn định được cải thiện. Việc ấn định các kênh con cho các thuê bao cụ thể, việc truyền nhận từ một số thuê bao có thể xảy ra đồng thời mà không cần sự can thiệp nào, do đó sẽ giảm những tác động như nhiễu đa truy xuất (Multi Access Interfearence-MAI). OFDMA cho phép nhiều người dùng truy nhập các sóng mang con cùng một lúc. Ở mỗi đơn vị thời gian, tất cả các người dùng có thể truy nhập. Việc ấn định các sóng mang con cho một người dùng có thể thay đổi ở mỗi đơn vị thời gian. Cấu trúc ký hiệu OFDMA bao gồm 3 kiểu sóng mang con như được chỉ ra trong hình sau: Sóng mang con số liệu cho truyền dẫn số liệu Sóng mang con dẫn đường cho mục đích ước lượng và đồng bộ hoá Sóng mang con Null không để truyền dẫn truyền, được sử dụng cho phần băng thông an toàn và tải mang DC. Hình 1.10: Cấu trúc sóng mang con OFDMA Sóng mang con (số liệu và pilot), được nhóm thành từng nhóm sóng mang con được gọi là kênh con. WiMAX OFDMA lớp vật lý hỗ trợ kênh con hoá trong cả DL và UL. Khối nguồn tài nguyên thời gian-tần số tối ưu cho kênh con hoá là một khe, bằng 48 tone số liệu (sóng mang con). Có 2 kiểu hoán vị sóng mang con cho kênh con hoá: phân tán và kề nhau. Sự hoán vị phân tán dẫn đến các sóng mang con giả ngẫu nhiên để hình thành một kênh con. Sự hoán vị này mang đến tính đa dạng tần số và trung bình xuyên nhiễu giữa các cell. Sự hoán vị phân tán bao gồm DL FUSC (Sóng mang con sử dụng hoàn toàn), DL PUSC (Sóng mang con sử dụng một phần), UL PUSC và các hoán vị tuỳ chọn thêm. Với DL PUSC, mỗi cặp ký hiệu OFDM, các sóng mang con có thể sử dụng hoặc khả dụng được nhóm thành các cluster chứa 14 sóng mang liền kề trên một ký hiệu, với sự phân bổ pilot và số liệu trên mỗi nhóm trong các ký hiệu chẵn và lẽ như hình sau.. Hình 1.11: Sự phân bổ pilot và dữ liệu trong các ký hiệu chẵn lẻ Một nguyên lý sắp xếp lại được sử dụng để hình thành nhóm các cluster. Một kênh con trong nhóm chứa 2 cluster và được được tạo bởi 48 sóng mang con số liệu và 8 sóng mang con pilot. Các sóng mang con số liệu trong mỗi nhóm được tiếp tục hoán vị để tạo thành các kênh con trong phạm vi nhóm. Vì vậy, chỉ các vị trí dẫn đường trong cluster là được biểu thị trong hình trên.Các song mang con dữ liệu trong cluster được phân bổ cho nhiều kênh con. Tương tự với cấu trúc nhóm cho DL, một cấu trúc tile được xác định cho UL PUSC có định dạng như hình 1.12 Hình 1.12: Cấu trúc tile của UL PUSC Không gian sóng mang con hiệu dụng được chia thành các tile, được chọn từ phổ bằng sơ đồ hoán vị/ sắp xếp lại, được nhóm cùng nhau để hình thành một khe. Khe bao gồm 48 sóng mang số liệu và 24 sóng mang pilot trong 3 ký hiệu OFDM. Hoán vị liền kề nhóm một khối các sóng mang con liền kề để hình thành kênh con. Hoán vị liền kề bao gồm DL AMC và UL AMC, và có cùng một cấu trúc. Một “thùng” (bin) bao gồm 9 sóng mang con trong một ký hiệu, với 8 được gán cho số liệu và một được gán cho pilot. Một khe (slot) trong AMC được xác định như là một tập hợp các thùng với kiểu (N*M=6), trong đó N là số thùng liền kề và M là số ký hiệu liền kề. Do đó, các kiểu hoán vị này có thể là (6 bin, 1 ký hiệu, 3 bin, 2 ký hiệu, 1 bin 6 ký hiệu). Hoán vị AMC cho phép nhiều người sử dụng bằng cách chọn kênh con với sự phản hồi tần số tốt nhất. Nói chung, kiểu hoán vị sóng mang con đa dạng thực hiện tốt trong các ứng dụng di động trong khi đó hoán vị sóng mang con liền kề lại phù hợp tốt cho môi trường di động thấp, hoặc có thể lưu động hoặc cố định. Những tuỳ chọn này cho phép người thiết kế hệ thống lựa chọn ra kiểu hoán vị phù hợp với hệ thống của mình. 1.4.1.3 S-OFDMA theo tỷ lệ Đây là một đặc điểm bổ xung cho IEEE 802.16e để hỗ trợ chuyển giao dễ dàng. Trong OFDM-TDMA và OFDMA, số lượng sóng mang con thường được giữ bằng nhau với phổ có sẵn. Số sóng mang con không thay đổi dẫn đến không gian sóng mang con thay đổi trong các hệ thống khác nhau. Điều này làm cho việc chuyển giao giữa các hệ thống gặp khó khăn. Ngoài ra, mỗi hệ thống cần một thiết kế riêng và chi phí cao. OFDMA theo tỉ lệ (S-OFDMA) giải quyết các vấn đề này bằng cách giữ cho không gian sóng mang con không thay đổi. Nói cách khác, số sóng mang con có thể tăng hoặc giảm với những thay đổi trong một băng tần cho trước. Ví dụ, nếu một băng tần 5MHz được chia thành 512 sóng mang con, một băng tần 10MHz sẽ được chia thành 1024 sóng mang con. Bởi vì không gian sóng mang con là giữ nguyên trong S-OFDMA nên một máy di động có thể chuyển giao giữa các hệ thống một cách suôn sẻ. Ngoài ra, với không gian sóng mang con không thay đổi, một thiết kế là phù hợp cho nhiều hệ thống và có thể tái sử dụng. Chi phí cho thiết kế và sản phẩm sẽ thấp hơn. Cụ thể hơn thì S-OFDMA hỗ trợ một khoảng rộng băng thông để giải quyết một cách mềm dẻo việc phân chia phổ thay đổi và đáp ứng các yêu cầu khác hữu ích. Scalability thực hiện được do điều chỉnh kích thước FFT trong khi vẫn cố định khoảng cách tần số cho một sóng mang là 10.94 kHz. Do băng thông sóng mang con và độ dài của ký tự là cố định, tác động tới lớp cao hơn là nhỏ khi thay đổi băng tần. Các tham số S-OFDMA được mô tả trong bảng. Băng tần hệ thống của profile ban đầu được phát triển bởi nhóm làm việc về kỹ thuật với phiên bản-1 là 5 và 10 MHz (được tô sáng trong bảng) Bảng 1.1: Các tham số tỉ lệ OFDMA 1.4.1.4 So sánh OFDM và OFDMA Theo kỹ thuật ghép kênh cơ bản thì OFDM được sử dụng cho định dạng 802.16 – 2004 rất phù hợp với các ứng dụng cố định, trong khi chuẩn 802.16e lại sử dụng OFDMA lại đặc biệt thích hợp với mục đích ứng dụng trong di dộng và về bản chất OFDM ít phức tạp hơn so với SOFDMA. Hình 1.13: Tương quan so sánh giữa OFDM và SOFDMA OFDMA tạo cho các định dạng 802.16e linh hoạt hơn rất nhiều trong việc quản lý các dịch vụ người dùng khác nhau với nhiều kiểu anten và yếu tố hình dạng khác nhau. Nó đem lại sự giảm bớt can nhiễu cho các thiết bị khách hàng có anten toàn hướng và khả năng truyền NLOS được cai thiện – những yếu tố rất cần thiết khi hỗ trợ các thuê bao di động. Việc tạo kênh phụ thuộc sẽ xác định các kênh con để có thể gán cho các thuê bao khác nhau tùy thuộc vào các trạng thái kênh và các yêu cầu dữ liệu của chúng. Điều này tạo điều kiện cho các nhà khai thác linh hoạt hơn trong việc quản lý băng thông và công suất phát, từ đó dẫn đến việc sử dụng tài nguyên hiệu quả hơn. Hình 1.14: So sánh OFDM và OFDMA Trong OFDM, tất cả các sóng mang đều được phát đi một cách song song với cùng một biên độ trong khi OFDMA chia không gian sóng mang thành NG nhóm mỗi nhóm có NE sóng mang và NE kênh con, mỗi kênh con này mang một sóng mang cho mỗi nhóm. Việc tạo kênh con này giúp cải thiện hiệu năng khi công suất phát từ một thiết bị người dùng bị hạn chế. Chẳng hạn trong OFDMA có 2048 sóng mang biến đổi thành NE = 32 và NG = 48 trong tuyến xuống và NG = 53, NE =32 trong tuyến lên với các sóng mang còn lại được dùng cho các băng bảo vệ và báo hiệu. Trong OFDM, các thiết bị người dùng phát đi bằng cách sử dụng toàn bộ một kênh cùng một lúc như hình vẽ bên dưới. Trong khi đó, OFDMA hỗ trợ đa truy nhập cho phép người dùng chỉ phát đi qua các kênh con được gán cho chúng. Như ví dụ trên, nếu 2048 sóng mang và 32 kênh con, nếu chỉ một kênh con được gán cho một thiết bị thì toàn bộ công suất phát ra sẽ được tập trung trong 1/32 phổ khả dụng và có thể đem lại một độ lợi 15dB so với OFDM. Hơn thế nữa, hình thức đa truy nhập này là đặc biệt có lợi khi sử dụng các kênh rộng. Hình 1.15: Tuyến lên trong OFDM và OFDMA Trong OFDM, các thiết bị người dùng được gán các khe thời gian để phát, nhưng chỉ một thiết bị người dùng có thể phát trong một khe thời gian duy nhất. Trong OFDMA, việc tạo kênh con cho phép một số thiết bị được phát trong cùng một thời gian qua các kênh con được gán cho chúng. CHƯƠNG 2: CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA WiMAX DI ĐỘNG 2.1 Cấu trúc khung TDD PHY 802.16e hỗ trợ TDD, FDD và hoạt động FDD half-duplex. Tuy nhiên, phiên bản ban đầu của profile chứng chỉ WiMAX di động chỉ có với chế độ TDD. Với phiên bản đang được nghiên cứu, profile FDD sẽ được xem xét bởi diễn đàn WiMAX để tạo ra các cơ hội kinh doanh mới cho những nơi có các yêu cầu về phổ nội hạt hoặc cấm đối với TDD hoặc là phù hợp hơn với triển khai FDD. TDD là một ứng dụng của Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA (Time Devision Multiple Acces) để phân tách tín hiệu đi và tín hiệu về. TDD có một tiện ích lớn trong trường hợp sự không đối xứng giữa tốc độ uplink và và downlink dữ liệu là thay đổi. Khi số liệu uplink tăng lên thì sẽ có một dải thông rộng hơn có thể phân phối cho nó như trước khi nó được co lại để có thể truyền đi. Một tiện ích khác khiến TDD được sử dụng trong WiMAX di động thế hệ đầu là đường tín hiệu radio uplink và downlink là rất giống trong hệ thống di chuyển chậm điều đó có nghĩa là công nghệ như beamforming làm việc rất tốt với hệ thống TDD. Sự sắp xếp có hệ thống của TDD có thể cấp phát một cách linh hoạt số lượng khe thời gian cho hai chiều truyền và nhận dữ liệu, điều này đặc biệt quan trọng trong các đường truyền Internet với tỉ lệ UL/DL không bị bắt buộc phải là 50/50. Xét một cách tổng quát thì TDD có thể mang lại sự linh hoạt cũng như giúp nâng cao năng lực của hệ thống lên rất nhiều. Tuy nhiên, việc sử dụng TDD trong phiên bản đầu này của WiMAX di động gặp phải một nhược điểm đó là bị hạn chết bởi dài tần nhỏ. Để hiệu quả TDD chia dòng dữ liệu ra thành nhiều khung và với mỗi khung này lại chia thành các khe thời gian để truyền đi và nhận về. Đối với vấn đề xuyên nhiễu, TDD không yêu cầu sự đồng bộ hệ thống ở diện rộng, trái lại TDD sẽ ưu tiên chế độ song công vì những lý do sau: TDD cho phép điều chỉnh tỷ số đường xuống/đường lên để hỗ trợ lưu lượng đường xuống/đường lên một cách hiệu quả, trong khi đó với FDD, đường xuống và đường lên luôn luôn bị cố định và nói chung là bằng với băng thông DL và UL. TDD đảm bảo sự trao đổi kênh để: hỗ trợ khả năng điều chỉnh đường truyền, MIMO và các công nghệ anten cải vòng kín cao cấp khác. Không giống như FDD với việc yêu cầu một cặp kênh, TDD chỉ yêu cầu một kênh đơn cho cả đường xuống và đường lên, điều này dẫn đến mềm dẻo hơn đối với sự phân chia phổ thay đổi. Thiết kế bộ thu phát để triển khai TDD là ít phức tạp hơn và do đó sẽ tốn kém hơn. Hình vẽ dưới đây minh hoạ cấu trúc khung OFDM với phương thức song công chia theo thời gian (TDD). Mỗi khung được chia thành khung con DL và UL riêng rẽ bởi các bộ chuyển dịch phát/thu và thu/phát (TTG và RTG tương ứng) để chống lại sự xung đột trong truyền dẫn DL và UL. Trong một khung, thông tin điều khiển sau được sử dụng để đảm bảo hoạt động hệ thống tối ưu: Phần đầu khung (preamble): Được sử dụng cho đồng bộ, là ký hiệu OFDM đầu tiên của khung. Tiêu đề điều khiển khung (FCH):FCH được đặt ngay sau phần mở đầu (preamble). Nó cung cấp các thông tin cấu hình khung như độ dài bản tin MAP, sơ đồ mã hoá và kênh con hiệu dụng. DL-MAP và UL-MAP: Cung cấp sự phân bổ kênh con và thông tin điều khiển khác cho khung con DL và UL một cách tương ứng. Khoảng UL: Kênh con UL được sử dụng cho trạm gốc di động (MS) để thực hiện thời gian vòng kín, tần số và sự điều chỉnh công xuất cũng như yêu cầu băng tần. UL CQICH: Kênh UL CQICH được phân bổ cho MS để trả lời lại các thông tin về trạng thái kênh. UL ACK: Được sử dụng cho MS để trả lời lại thông báo DL HARQ. Hình 2.1: Cấu trúc khung WiMAX OFDMA 2.2 Các đặc điểm lớp PHY cải tiến khác WiMAX di động đã đưa ra các kỹ thuật: điều chế thích nghi và mã hóa (AMC), yêu cầu lập lại tự động lại kiểu kết hợp (HARQ), và phản hồi kênh nhanh (CQICH), để tăng cường khả năng phủ sóng và khả năng của WiMAX trong các ứng dụng di động. Trong WiMAX di động ở đường xuống, bắt buộc phải có các hỗ trợ điều chế QPSK, 16 QAM và 64 QAM, còn ở đường lên 64 QAM là tùy chọn. Hình 2.2: Mô hình điều chế trong 802.16e Cả mã hóa vòng và mã hóa Turbo vòng với tốc độ mã thay đổi và mã lặp cũng được hỗ trợ. Ngoài ra, mã Turbo và mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp (LDPC) cũng được hỗ trợ tùy chọn. Bảng sau tổng kết các nguyên lý mã hóa và điều chế được hỗ trợ trong profile WiMAX di dộng (với mã UL tuỳ chọn được chỉ ra với chữ in nghiêng). Bảng 2.1: Các kỹ thuật mã hóa và điều chế được hỗ trợ Sự tổ hợp các kỹ thuật điều chế và các tốc độ mã đem lại sự tinh phân giải tốc độ dữ liệu như minh họa trong bảng 1.3 (với độ rộng kênh là 5 và 10 MHz với các kênh con PUSC). Độ dài khung là 5ms. Mỗi khung có 48 biểu trưng OFDM gồm 44 biểu trưng sẵn sàng để truyền dữ liệu. Các giá trị đánh dấu màu là để chỉ các tốc độ cho kỹ thuật 64QAM tùy chọn ở đường lên. Bảng 2.2: Tốc độ dữ liệu PHY với các kênh con PUSC trong WiMAX di động Bộ lâp lịch trạm gốc xác định tốc độ dữ liệu phù hợp mỗi cấp phát cụm (burts) dựa trên kích thước bộ đệm và điều kiện truyền song ở phía thu...Một kênh chỉ thị chất lượng kênh (CQI-channel quality indicator) được sử dụng để cung cấp thông tin trạng thái kênh từ thiết bị đầu cuối người sử dùng đến bộ lập lịch trạm gốc. Thông tin trạng thái kênh có thể được phản hồi bởi CQICH bao gồm: CINR vật lý, CINR hiệu quả, sự lựa chọn chế độ MIMO và sự lựa chọn kênh con. Với kỹ thuật TDD, thích ứng đường truyền cũng có thể tận dụng ưu điểm của việc đảo kênh để cung cấp việc đo chính xác hơn (như là âm thanh). WiMAX di động cũng hỗ trợ HARQ. HARQ cho phép sử dụng giao thức “dừng và đợi” N kênh cung cấp khả năng đáp ứng nhanh để đóng gói lỗi và cải tiến khả năng phủ sóng đường biên cell. Sự dư thừa tăng được hỗ trợ để cải tiến hơn về độ tin cậy của việc truyền lại. Một kênh ACK cũng được cung cấp trong đường uplink cho tín hiệu HARQ ACK/NACK. HARQ kết hợp với CQICH và AMC cung cấp sự tương thích liên kết manh trong môi trường tại tốc độ phương tiện quá 120Km/giờ. 2.3 Mô tả lớp MAC Chuẩn 802.16 được phát triển từ yêu cầu về việc cung cấp đa dạng dịch vụ băng rộng bao gồm thoại, dữ liệu, và video. Lớp MAC là hướng kết nối bao gồm ba phân lớp con. Lớp con hội tụ dịch vụ riêng (SSCS) cung cấp mọi sự biến đổi hay ánh xạ dữ liệu mạng ngoài, nhận dữ liệu mạng ngoài qua điểm truy nhập dịch vụ CS SAP, các MAC SDU (đơn vị dữ liệu dịch vụ) được nhận bởi lớp con phần chung MAC CPS thông qua MAC SAP. Bao gồm việc phân loại các SDU mạng ngoài và kết hợp chúng với nhận dạng luồng dịch vụ MAC thích hợp (SFID) và nhận dạng kết nối (CID). Nó có thể cũng bao gồm các chức năng như nén tiêu đề tải trọng (PHS). Nhiều chi tiết kĩ thuật CS được cung cấp cho giao diện với nhiều loại giao thức. Định dạng bên trong của tải trọng CS là duy nhất với mỗi CS, và các MAC CPS không yêu cầu hiểu dược định dạng của nó hay phân tích bất kì thông tin nào từ tải trọng CS. MAC CPS cung cấp các chức năng MAC chính của việc truy nhập hệ thống, cấp phát độ rộng dải tần, thiết lập và duy trì kết nối. Nó nhận dữ liệu từ nhiều CS thông qua MAC SAP, phân loại thành các kết nối MAC cụ thể. QoS được áp dụng cho việc truyền và lập lịch dữ liệu thông qua lớp PHY sử dụng 4 loại dịch vụ cơ bản. Có hai loại kết nối đó là các kết nối quản lý và kết nối truyền tải dữ liệu. Các kết nối quản lí có ba loại: cơ bản, sơ cấp và thứ cấp. Một kết nối cơ bản được tạo ra cho mỗi MS khi nó gia nhập vào mạng. Kết nối sơ cấp cũng được tạo ra cho mỗi MS ở thời điểm vào mạng nhưng đuợc dùng cho các bản tin quản lí dung sai trễ. Loại kết nối quản lí thứ ba, loại thứ cấp được dùng cho các bản tin quản lí IP tóm lược (như DHCP, SNMP, TFP). Các kết nối truyền tải dữ liệu có thể được cung cấp hoặc được thiết lập theo yêu cầu. Chúng được dùng cho các luồng lưu lượng người dùng. Đơn điểm hoặc đa điểm có thể được dùng cho truyền dẫn. Thực thể quản lí Lớp con phần chung MAC Lớp con bảo mật Thực thể quản lí PHY Thực thể quản lí Lớp con hội tụ dịch vụ đặc biệt SSCS Hệ thống quản lí mạng PHY SAP MAC SAP CS SAP Lớp con phần chung MAC (MAC CPS) Lớp con bảo mật (MAC SS) Lớp vật lí (PHY) Lớp con hội tụ dịch vụ đặc biệt (MAC SSCS) PHY MAC mặt bằng dữ liệu/ điều khiển Mặt bằng quản lí Quy mô chuẩn hóa Hình 2.3: Phân lớp MAC và các chức năng Tuy nhiên chúng ta sẽ không đi sâu vào cấu trúc của từng phân lớp con mà sẽ xem xét các đặc tính của lớp MAC nói chung theo cách phân chia như sau: 2.3.1 Dịch vụ lập lịch MAC Dịch vụ lập lịch MAC WiMAX di động được thiết kế để phân phát hiệu quả các dịch vụ số liệu băng rộng bao gồm thoại, dự liệu, và video với kênh vô tuyến băng rộng thay đổi theo thời gian. Dịch vụ lập lịch MAC có các thuộc tính sau: Bộ lập lịch số liệu nhanh: Bộ lập lịch MAC phải phân bổ hiệu quả nguồn tài nguyên khả dụng đáp ứng lại với lưu lượng số liệu bursty và điều kiện kênh thay đổi theo thời gian. Bộ lập lịch ngồi tại mỗi trạm gốc cho phép phản hồi nhanh hơn với yêu cầu lưu lượng và điều kiện kênh. Gói số liệu được đưa vào các luồng dịch vụ với tham số QoS trong lớp MAC để người lập lịch có thể quyết định trật tự truyền gói qua giao diện vô tuyến. Kênh CQICH cung cấp phản hồi thông tin kênh nhanh để cho phép bộ lập lịch lựa chọn mã hoá thích hợp và điều chế cho mỗi trạm gốc. Điều chế/ mã hoá thích ứng kết hợp với HARQ cung cấp truyền dẫn mạnh qua kênh thay đổi theo thời gian. Lập lịch cho cả DL và UL: Dịch vụ lập lịch được cung cấp cho cả lưu lượng DL và UL. Để bộ lập lịch MAC phân bổ nguồn tài nguyên hiệu quả và cung cấp QoS mong muốn trong UL, UL phải phản hồi chính xác và thông tin kịp thời đối với khía cạch điều kiện lưu lượng và yêu cầu về QoS. Các cơ chế yêu cầu băng tần đa đường lên như là yêu cầu băng tần thông qua một khoảng kênh, yêu cầu “piggyback” và “polling” được thiết kế để hỗ trợ yêu cầu băng tần UL. Luồng dịch vụ UL xác định cơ chế phản hồi cho mỗi kết nối đường lên để đảm bảo bộ lập lịch UL có thể tiên đoán được. Hơn nữa, với kênh con UL trực giao, không có xuyên nhiễu từ cell ngoài. Lập lịch UL có thể phân bổ nguồn tài nguyên hiệu quả hơn và tham số QoS tốt hơn. Sự phân bổ nguồn tài nguyên động: MAC hỗ trợ sự phân bổ nguồn tài nguyên đối với DL và UL trên mỗi khung. Sự phân bổ nguồn tài nguyên được phân phát trong bản tin MAP tại bắt đầu mỗi khung. Do đó, sự phân bổ nguồn tài nguyên có thể được thay đổi từ khung–khung theo các điều kiện về kênh và lưu lượng. Hơn nữa, một số lượng nguồn tài nguyên trong mỗi lần phân bổ có thể thay đổi từ 1 khe đến toàn bộ khung. Sự phân bổ nguồn tài nguyên hạt tốt và nhanh cho phép QoS tốt hơn cho lưu lượng số liệu. QoS oriented: Bộ lập lịch MAC xử lý truyền tải số liệu trên mỗi kết nối-kết nối. Mỗi kết nối được kết hợp với dịch vụ số liệu đơn với một tập hợp các tham số QoS. Với khả năng nguồn tài nguyên được phân bổ động trong cả DL và UL, bộ lập lịch có thể hỗ trợ QoS cho cả lưu lượng DL và UL. Cụ thể với lập lịch kênh lên-nguồn tài nguyên đường lên được phân bổ hiệu quả, QoS là tốt hơn. Lập lịch lựa chọn tần: Bộ lập lịch có thể hoạt động trên các kiểu khác nhau của kênh con. Kênh con đảo tần số như là hoán vị PUSC, nơi mà sóng mang con trong các kênh con được phân bố giả ngẫu nhiên trên băng tần, kênh con có chất lượng tương tự. Lập lịch đa dạng tần số có thể hỗ trợ QoS với tính hạt tốt và nguồn tài nguyên thời gian tần số mềm dẻo. Với sự hoán vị liền kề như hoán vị AMC, kênh con có thể trải qua các cường độ khác nhau. Lập lịch lựa chọn tần số có thể phân bổ các thuê bao di động tới kênh con mạnh nhất. Lập lịch lựa chọn tần số có thể tăng cường khả năng hệ thống với sự tăng lên vừa phải trong tiêu đề CQI trong UL. 2.3.2 Hỗ trợ QoS Với tốc độ đường truyền vô tuyến cao, khả năng truyền tải bất đối xứng đường lên/đường xuống và một cơ chế cấp phát tài nguyên linh hoạt, WiMAX di động hoàn toàn có thể đap ứng được các yêu cầu QoS cho nhiều loại hình dịch vụ và ứng dụng dữ liệu. Trong lớp MAC của WiMAX di động, QoS được cung cấp qua luồng dịch vụ như được mô tả trong hình bên dưới. Đây là luồng gói có duy nhất một hướng mà được cung cấp với một tập các tham số QoS cụ thể. Trước khi cung cấp một loại dịch vụ số liệu cụ thể, trạm gốc và đầu cuối người sử dụng đầu tiên thiết lập một kết nối logic một hướng giữa các MAC. Sau đó, MAC kết hợp các gói qua giao diện MAC vào một luồng dịch vụ để được phân phát qua kết nối. Tham số QoS được kết hợp với luồng dịch vụ xác định thứ tự truyền dẫn qua môi trường vô tuyến. Do đó, QoS định hướng kết nối có thể cung cấp điều khiển chính xác qua giao diện vô tuyến. Do giao diện vô tuyến thường là nút cổ chai, QoS định hướng kết nối có thể cho phép hiệu quả qua điều khiển QoS end-to-end. Hình 2.4: QoS hỗ trợ WiMAX di động Tham số luồng dịch vụ có thể được quản lý động thông qua bản tin MAC để thoả mãn các yêu cầu dịch vụ động. Luồng dịch vụ được dựa trên cơ chế QoS áp dụng cho cả DL và UL để cung cấp QoS cải thiện trong cả 2 hướng. WiMAX di động hỗ trợ một khoảng rộng các dịch vụ số liệu và ứng dụng với yêu cầu QoS thay đổi. Chúng được tổng kết trong bảng sau: Bảng 2.3: Các dịch vụ trong QoS 2.3.3 Quản lý nguồn WiMAX di động hỗ trợ 2 chế độ cho hoạt động hiệu quả nguồn: chế độ sleep và chế độ idle. Chế độ “sleep” là một trạng thái trong đó MS điều khiển một giai đoạn tiền thoả thuận về sự vắng mặt sự phục vụ của giao diện vô tuyến trạm gốc. Giai đoạn này được đặc trưng hoá bởi tính không khả dụng của MS, như được quan sát từ sự phục vụ của trạm gốc, lưu lượng DL hoặc UL. Chế độ sleep cho phép tối ưu công suất MS và tối ưu sự sử dụng của nguồn giao diện vô tuyến trạm gốc. Chế độ sleep cũng cung cấp sự mềm dẻo cho MS để quét các trạm gốc khác để thu thập thông tin để hỗ trợ handoff qua chế độ sleep. Chế độ Idle cung cấp cơ chế cho MS để trở thành khả dụng tuần hoàn cho bản tin lưu lượng quảng bá mà không đăng ký tại một trạm gốc cụ thể nào như khi MS nằm trong môi trường liên kết vô tuyến được chiếm giữa bởi nhiều trạm gốc. Chế độ idle mang lại lợi ích cho MS bởi việc không cần yêu cầu cho handoff và hoạt động bình thường khác và lợi ích cho mạng và trạm gốc bởi sự loại bỏ giao diện vô tuyến và lưu lượng handoff mạng từ sự không hoạt động của MS trong khi vẫn cung cấp một phương pháp đơn giản và kịp thời cho cảnh báo MS về pending lưu lượng DL. 2.3.4 Quản lý di động Có 3 phương pháp handoff được hỗ trợ trong chuẩn 802.16e: handoff cứng (hard) (HHO-Hard Handoff), chuyển mạch trạm gốc nhanh (FBSS- Fast Base Station Switching) và handover chuyển giao phân tập vĩ mô (MDHO - Macro Diversity Handover). Trong những phương pháp handoff trên, HHO là bắt buộc trong khi FBSS và MDHO là 2 chế độ tuỳ chọn. Diễn đàn WiMAX đang phát triển các yêu cầu kỹ thuật cho việc tối ưu handoff cứng trong khung của chuẩn 802.16e. Những cải tiến này được phát triển với mục tiêu là giữ cho độ trễ lớp 2 của handoff là bé hơn 50 ms. Chuyển giao nhanh trong Wimax chỉ có thể thực hiện giữa các BS nằm trong cái gọi là Diversity Set – là tập hợp các BS hoạt động trong cùng tần số, có SINR đủ lớn để MS có thể kết nối được và đặc biệt là chúng phải đồng bộ. Trong Diversity Set này thì chỉ có 1 BS được gọi là anchor (BS chủ lực, hay còn gọi là điểm kết nối, khớp). Sự khác nhau giữa MDHO và FBSS là ở chổ: đối với FBSS, MS chỉ trao đổi thông tin dữ liệu thông qua BS anchor thôi, còn MDHO thì MS truyền lưu lượng dữ liệu qua tất cả các BS nằm trong Diversity Set. Khi FBSS được hỗ trợ, MS và BS duy trì một danh sách các BS mà nó liên quan đến FBSS với MS. Tập hợp này được gọi là tập hợp tích cực. Trong FBSS, MS tiếp tục giám sát trạm gốc trong tập hợp tích cực. Giữa MS trong tập hợp tích cực, một BS “anchor” được xác định. Khi hoạt động trong FBSS, MS chỉ truyền thông với BS “anchor” cho bản tin đường lên và đường xuống bao gồm quản lý và kết nối lưu lượng. Chuyển dịch từ một BS “Anchor” tới một BS khác (ví dụ chuyển mạch BS) được thực hiện mà không cần đề bản tin báo hiệu HO bắt buộc. Thủ tục cập nhập “Anchor” được thực hiện bởi độ dài tín hiệu truyền thông của BS phục vụ thông qua kênh CQI. Chuyển giao FBSS bắt đầu với một quyết định bởi một MS để nhận và truyền số liệu từ một BS “anchor” mà có thể thay đổi trong một tập hợp tích cực. MS thông báo NS được lựa chọn và thủ tục cập nhập tập hợp tích cực. MS quét các BS lân cận và lựa chọn từ những BS này ra các BS phù hợp và thủ tục cập nhập tập hợp tích cực được thực hiện bởi BS và MS. MS tiếp tục giám sát độ dài tín hiệu của BS mà trong tập hợp tích cực và lựa chọn một BS từ một tập hợp để trở thành BS “anchor”. MS thông báo BS “anchor” được lựa chọn trên CQICH hoặc MS bắt đầu bản tin yêu cầu HO. Một yêu cầu quan trọng của FBSS là các số liệu được truyền đồng thời tới tất cả các thành viên của tập hợp tích cực của BS mà cho phép phục vụ MS. Với MS và BS mà hỗ trợ MDHO, MS và BS duy trì một tập tích cực các BS mà liên quan đến MDHO trong MS. Giữa các BS trong tập hợp tích cực, BS “anchor” được xác định. Khi hoạt động trong chế độ MDHO, MS truyền thông với tất cả BS trong tập hợp tích cực của bản tin unicast đường lên và đường xuống và lưu lượng. MDHO bắt đầu khi MS quyết định truyền hoặc nhận bản tin unicast và lưu lượng từ nhiều BS trong cùng một khoảng thời gian. Cho MDHO đường xuống, 2 hoặc nhiều BS cung cấp truyền dẫn đồng bộ cho số liệu đường xuống MS mà kết hợp đa dạng được thực hiện tại MS. Cho MDHO đường lên, truyền dẫn từ một MS được nhận bởi đa BS trong khi sự đa dạng lựa chọn trong thông tin nhận được được thực hiện. 2.3.5 Bảo mật WiMAX di động hỗ trợ tốt nhất các đặc điểm an ninh bằng cách sử dụng các công nghệ tốt nhất hiện có hiện nay. Hỗ trợ sự nhật thực thiết bị/ người sử dụng, giao thức quản lý chìa khoá mềm dẻo, mã hoá lưu lượng mạnh, bảo vệ bản tin mặt phẳng quản lý và điều khiển, và các tối ưu giao thức an ninh cho chuyển vùng nhanh. Các khía cạnh sử dụng cho các đặc điểm an ninh là: Giao thức quản lý chìa khoá: giao thức quản lý chìa khoá phiên bản 2 (PKM v2) là thành phần cơ bản trong an ninh WiMAX di động được xác định trong 802.16e. Giao thức này quản lý an ninh MAC sử dụng bản tin PMK-REQ/RSP, nhật thực PMK EAP, điều khiển mã hoá lưu lượng, trao đổi chìa khoá handover và tất cả bản tin an ninh multicast/broadcast được dựa trên giao thức này. Nhật thực thiết bị/ người sử dụng: WiMAX di động hỗ trợ nhật thực thiết bị và người sử dụng sử dụng giao thức IETF EAP bằng việc cung cấp hỗ trợ “credentials” được dựa trên SIM, hoặc dựa trên USIM hoặc chứng nhận số hoặc dựa trên tên người sử dụng/mật khẩu. Tương ứng với phương pháp nhật thực EAP-SIM, EAP-AKA, EAP-TLS, EAP-MSCHAPv2 được hỗ trợ thông qua giao thức EAP. Mã hoá lưu lượng: AES-CCM là một mã hoá được sử dụng để bảo vệ tất cả số liệu người sử dụng qua giao diện WiMAX MAC di động. “Chìa khoá” được sử dụng cho mã hoá được tạo ra từ việc nhật thực EAP. Bảo vệ bản tin điều khiển: số liệu điều khiển được bảo vệ bằng việc sử dụng AES hoặc sử dụng CMAC hoặc sơ đồ HMAC dựa trên MD5. Hỗ trợ chuyển vùng nhanh: Một sơ đồ bắt tay 3 bước được hỗ trợ bởi WiMAX di động để tối ưu cơ chế nhật thực lại cho hỗ trợ chuyển vùng nhanh. Cơ chế này cũng hữu ích trong việc chống lại việc tấn công giữa chừng bởi “con người” “hacker”. 2.3.6 Truy nhập kênh truyền Khi một MS mở máy nó sẽ tiến hành các bước sau để kết nối với trạm BS như được mô tả ở hình dưới đây. Thực hiện quá trình tìm kiếm và đồng bộ hóa với các BS mà nó thu được sóng radio. Để thực hiện được điều này, các MS sẽ tiến hành scan các tần số DL (đã biết trước), lắng nghe các DL preamble phát ra từ các BS và đồng bộ hóa dựa vào các thông điệp điều khiển. Tiếp theo MS nhận biết các thông số uplink bằng cách lắng nghe các UL-MAP. MS thực hiện quá trình ranging. Cái này giống như power control trong mạng thông tin di động tế bào. MS thỏa thuận về việc thuê nhận băng thông với BS cũng như các thông tin về profile. MS thực hiện quá trình nhận thực, trao đổi khóa và tiến hành đăng ký truy nhập vào mạng. Kết nối IP được thiết lập Luồng dịch vụ có thể bắt đầu được trao đổi. Hình 2.5: Các bước kết nối với trạm BS 2.4 Các đặc điểm cải tiến của WiMAX di động 2.4.1 Công nghệ anten thông minh 2.4.1.1 MIMO Kỹ thuật MIMO trong lĩnh vực truyền thông là kỹ thuật sử dụng nhiều anten phát và nhiều anten thu để truyền dữ liệu. MIMO technique tận dụng sự phân cực (không gian, thời gian, mã hóa ...) nhằm nâng cao chất lượng tín hiệu, tốc độ dữ liệu. Kỹ thuật MIMO ngày nay đang được ứng dụng rất rộng rãi: MIMO-Wifi, MIMO-UMTS...nhờ tính tối ưu trong việc sử dụng hiệu quả băng thông, tốc dộ dữ liệu cao, robust với kênh truyền fading. Hình 2.6 : Kỹ thuật MIMO Kỹ thuật MIMO tương đối đa dạng và phức tạp. Trong WiMAX, người ta sử dụng mã hóa thời gian không gian nhằm làm giảm quỹ dự trữ yêu cầu và tránh nhiễu. Đối với phân tập phát, rất nhiều các phương pháp đã được kết hợp nhằm cải thiện khả năng của hệ thống. 2.4.1.2 Công nghệ Anten thông minh Công nghệ an ten thông minh điển hình liên quan đến véc tơ phức hoặc hoạt động ma trận của tín hiệu bởi nhiều an ten. OFDMA cho phép các hoạt động an ten thông minh được thực hiện trên các sóng mang con véc tơ phẳng. Sự cân bằng phức không được yêu cầu để bù cho fading theo tần số. Do đó, OFDMA là phù hợp tốt với sự hỗ trợ công nghệ an ten thông minh. Thực tế, MIMO-OFDM/OFDMA được xem như là một nền móng cho hệ thống truyền thông băng rộng thế hệ tiếp theo. WiMAX di động hỗ trợ một khoảng rộng các công nghệ an ten thông minh để tăng cường khả năng thực hiện của hệ thống. Công nghệ an ten thông minh hỗ trợ bao gồm: Beamforming: với beamforming, hệ thống sử dụng nhiều ăn ten để truyền tín hiệu với mục đích cải thiện vùng phủ và khả năng của hệ thống. Mã hoá thời gian-không gian: truyền da dạng như là mà hoá alamuoti, được hỗ trợ để cung cấp sự đa dạng về không gian và giảm độ lệch fade. Ghép kênh không gian: ghép kênh không gian được hỗ trợ để tận dụng ưu điểm của tốc độ cao và tăng thông lượng. Với ghép kênh không gian, nhiều luồng sẽ được truyền qua nhiều an ten. Nếu bộ thu cũng có nhiều an ten, nó có thể tách nhiều luồng khác nhau để thu được thông lượng cao sơn so với hệ thống chỉ có một an ten. Với 2*2 MIMO, SM tăng tốc độ số liệu đỉnh lên 2 lần bằng cách truyền 2 luồng số liệu. Trong UL, mỗi người sử dụng chỉ có duy nhất một anten truyền dẫn, 2 người sử dụng có thể truyền kết hợp trong cùng 1 khe nếu 2 luồng được ghép kênh theo thời gian từ 2 an ten của cùng một người sử dụng. Điều này được gọi là UL kết hợp với SM. Các đặc điểm được hỗ trợ trong profile WiMAX di động được liệt kê trong bảng sau: Bảng 2.4: Các tùy chọn của Anten cao cấp WiMAX di động hỗ trợ chuyển mạch thích ứng giữa các tuỳ chọn để tối ưu lợi ích của công nghệ an ten thông minh trong các điều kiện kênh khác nhau. Ví dụ, SM cải thiện thông lượng đỉnh. Tuy nhiên, khi điều kiện kênh kém, tốc độ lỗi gói có thể cao và do đó vùng bao phủ đối với PER mục tiêu có thể là giới hạn. Mặt khác, STC cung cấp một vùng phủ lớn không quan tâm đến điều kiện kênh nhưng lại không cải thiện được tốc độ số liệu đỉnh. WiMAX di động hỗ trợ chuyển mạch thích ứng giữa đa chế độ MIMO để tối đa hoá sự hiệu quả băng tần mà không giảm đi vùng bao phủ. Hình 11, chỉ ra kiến trúc cho việc hỗ trợ các đặc điểm an ten thông minh. Bảng sau cung cấp tổng kết về tốc độ số liệu đỉnh về mặt lý thuyết cho các tỷ số DL/UL với giả sử băng tần kênh 10 MHz, độ dài khung 5ms với 44 ký tự số liệu OFDM (trên 48 ký hiệu OFDM) và kênh con hoá PUSC. Với 2*2 MIMO, người sử dụng DL tốc độ số liệu đỉnh của sector được gấp đôi. Tốc độ số liệu đỉnh DL tối đa là 63.36 Mbps khi tất cả ký hiệu số liệu được gấp đôi trong khi tốc độ số liệu đỉnh người sử dụng là không đổi. Tốc độ số liệu đỉnh người sử dụng UL và tốc độ số liệu đỉnh sector là 14.11Mbps và 28.22 Mbps tương ứng khi tất cả ký tự số liệu là UL. Bằng cách áp dụng các tỷ số DL/UL khác nhau, băng tần có thể được điều chỉnh giữa DL và UL để đảm bảo cho các mẫu lưu lượng khác nhau. Chú ý là trong trường hợp mà toàn DL hoặc toàn UL là hiếm được sử dụng. Profile WiMAX hỗ trợ tỷ số DL/UL thay đổi từ 3:1 tời 1:1 để thoả mãn các profile mẫu lưu lượng khác nhau. Bảng 2.5: Các tốc độ dữ liệu cho các cấu hình SIMO/MIMO Hình 2.7: Chuyển mạch thích ứng cho anten thông minh 2.4.2 Sử dụng lại tần số phân đoạn WiMAX di động hỗ trợ việc sử dụng tần số, nghĩa là tất cả các cell/sector hoạt động cùng một kênh tần số để tối đa hiệu quả băng tần. Tuy nhiên, do xuyên nhiễu kênh lớn (CCI) trong việc triển khai một tần số được sử dụng lại, người sử dụng tại biên của các cell có thể chịu sự suy giảm về chất lượng kết nối. Với WiMAX di động, người sử dụng có thể hoạt động trên các kênh con, mà chỉ chiếm một phần nhỏ trong toàn thể băng tần kênh, vấn đề xuyên nhiễu biên của cell có thể được giải quyết dễ dàng bằng việc sử dụng kênh với cấu hình phù hợp. Trong WiMAX di động, sử dụng kênh con mềm dẻo bằng cách phân mảnh kênh con và vùng hoán vị. Một đoạn là một phân vùng của một kênh con OFDMA khả dụng (một đoạn có thể bao gồm tất cả các kênh con). Một đoạn được sử dụng cho việc triển khai một MAC đơn. Vùng hoán vị là một số các ký hiệu OFDMA liền kề trong DL hoặc trong UL mà sử dụng cùng hoán vị. Khung con DL hoặc UL có thể chứa nhiều hơn một vùng hoán vị như được chỉ ra trong hình sau: Hình 2.8: Cấu trúc khung đa miền Mẫu sử dụng lại kênh con có thể được cấu hình để người sử dụng gần trạm gốc hoạt động tại vùng với tất cả kênh con khả dụng. Trong khi đối với người sử dụng biên, mỗi cell hoặc sector hoạt động trong vùng với một phần của tất cả các kênh. Trong hình trên F1, F2, F3 đại diện các tập hợp kênh con trong cùng một kênh tần số. Với cấu hình này, một sử dụng lại tần số được duy trì cho người sử dụng trung tâm để tối ưu hoá độ hiệu quả của phổ và sử dụng lại tần số một phần được thực hiện cho người sử dụng biên để đảm bảo chất lượng kết nối người sử dụng biên và thông lượng. Kế hoạch sử dụng lại kênh con có thể được tối ưu tự động qua các sector hoặc cell dựa trên tải mạng và điều kiện can nhiễu trên một khung. Do đó, tất cả các cell hoặc sector có thể hoạt động cùng một kênh tần số mà không cần kế hoạch tần số. Hình 2.9: Sử dụng lại tần số 2.4.3 Dịch vụ Multicast và Broadcast (MBS) MBS được hỗ trợ bởi WiMAX di động kết hợp các đặc điểm tốt nhất của DVB-H, Media FLO và 3GPP E-UTRA và thoả mãn các yêu cầu sau: Tốc độ số liệu cao và vùng phủ sử dụng mạng tần số đơn (SFN – Single Frequency Network). Sự phân bổ mềm dẻo các nguồn tài nguyên vô tuyến Tiêu thụ công suất MS thấp Hỗ trợ casting-data, luồng video và audio. Thời gian chuyển mạch kênh thấp Profile WiMAX phiên bản 1 xác định một tập hợp MBS. Dịch vụ MBS có thể được hỗ trợ bởi hoặc xây dựng một vùng MBS riêng trong khung DL cùng với dịch vụ unicast (MBS) hoặc một khung tổng thể có thể được dành cho MBS (chỉ có trong DL) cho dịch vụ broadcast standalone. Hình 2.9 chỉ ra việc xây dựng vùng khi có việc trộn giữa dịch vụ broadcast và unicast được hỗ trợ. Vùng MBS hỗ trợ chế độ nhiều BS MBS sử dụng mạng tần số đơn (SFN) và độ dài mềm dẻo của vùng MBS cho phép gán scalable các nguồn tài nguyên vô tuyến tới lưu lượng MBS. Nó được để ý rằng nhiều vùng MBS có thể cũng mềm dẻo. Có một vùng MBS trên vùng MBS. MS có thể truy nhập DL MAP tới việc xác nhận ban đầu vùng MBS và phân bổ MBS MAP trong mỗi vùng. Sau đó MS có thể đọc lần lược MBS MAP mà không tham chiếu DL MAP trừ khi sự đồng bộ tới MBS MAP bị mất. MBS MAP IE chỉ ra cấu hình PHY vùng MBS và xác định sự phân bổ của mỗi vùng MBS qua tham số offset ký tự OFDMA. MBS MAP được phân bổ tại kênh con số một của ký tự OFDM số một của vùng MBS. Đa BS MBS không yêu cầu MS được đăng ký tới bất cứ trạm gốc nào. MBS có thể truy cập khi MS trong chế độ Idle để cho phép công suất tiêu thụ thấp. Độ mềm dẻo của WiMAX di động để hỗ trợ MBS tích hợp và dịch vụ unicast cho phép một khoảng rộng hơn các ứng dụng. Hình 2.10: Hỗ trợ MBS nhúng với những vùng WiMAX-MBS di động 2.5 Các vấn đề về phổ của WIMAX di động Để thu được lợi nhuận tốt nhất từ hệ thống WiMAX, các ấn định phổ với lưu lượng lớn là đáng quan tâm nhất. Điều này cho phép các hệ thống được triển khai theo kiểu TDD với dải thông kênh lớn, sử dụng lại tần số linh hoạt và sự kém hiệu quả của phổ với tần số nhỏ chấp nhận cùng tồn tại để đảm bảo cho các nhà cung cấp dịch vụ có thể hoạt động cùng nhau. Phạm vi hoạt động khác của diễn đàn WiMAX là đang cộng tác với các tổ chức tiêu chuẩn toàn cầu để phân cấp phổ của dải tần số thấp (<6 Ghz) là trung lập về ứng dụng và công nghệ. Hơn nữa, sự thúc đẩy chính để tạo ra sự hòa hợp tốt hơn cho phân cấp phổ như tối thiểu số lượng thiết bị cần thay đổi khi bao phủ hệ thống toàn cầu. Hiệu suất hệ thống sẽ được phát triển bởi diễn đàn WiMAX đối với chuẩn giao diện vô tuyến 802.16e-2005 được mong đợi cấp phép trong dải tần 2.3 Ghz, 2.5 Ghz, 3.3 Ghz và 3.5 Ghz. Băng tần 2.3 Ghz phân cho vùng phía Nam Hàn Quốc cho dịch vụ WiBro dựa trên công nghệ di động WiMAX. Với 27 Mhz của phổ dành cho mỗi nhà vận hành, dải tần này được hỗ trợ triển khai TDD với 3 kênh trên một trạm gốc và một dải thông kênh nhỏ là 8.75 Mhz. Dịch vụ WiBro sẽ ra mắt trong năm 2006 với các sản phẩm theo chuẩn WiMAX. Băng tần 2.5 tới 2.7 được dùng cho các dịch vụ vô tuyến cố định và di động ở nước Mỹ. Băng tần này cũng đang là tiềm năng được sử dụng ở nhiều nước Nam Mỹ và Châu Âu cũng như vài nước ở vùng Châu Á Thái Bình Dương. Băng tần 3.5 Ghz được sử dụng cho các dịch vụ vô tuyến cố định được sử dụng trên rất nhiều nước trên thế giới và cũng phù hợp với giải pháp WiMAX cho cả dịch vụ cố định và di động. 2.6 Kiến trúc WiMAX end-end IEEE chỉ định nghĩa các lớp vật lý (PHY) và lớp điều khiển truy nhập phương tiện (MAC) trong chuẩn 802.16. Cách tiếp cận này phù hợp với công nghệ như Ethernet và WiFi dựa vào IETF để thiết lập các tiêu chuẩn cho các giao thức ở lớp cao hơn như TCP/IP, SIP, VoIP, và IPSec. Trong truyền thông di động không dây, 3GPP và 3GPP2 thiết lập các chuẩn với đa dạng các giao diện và giao thức bởi vì các tổ chức này không chỉ yêu cầu việc liên hoạt động qua giao diện vô tuyến mà còn liên kết hợp liên mạng và liên nhà sản xuất cho chuyển vùng (roaming), mạng truy nhập đa nhà sản xuất, tính cước liên công ty. Các nhà sản xuất và nhà cung cấp dịch vụ đang nhận ra vấn đề này và đang hình thành các nhóm làm việc chung để phát triển mô hình tham chiếu mạng chuẩn cho các giao diện liên mạng mở. Hai trong số đó là nhóm làm việc về mạng của diễn đàn WIMAX –tập trung vào tạo đặc tả mạng mức cao cho các hệ thống WIMAX cố định, di động và xách tay theo tiêu chuẩn IEEE 802.16, và nhóm làm việc cung cấp dịch vụ - chủ yếu là soạn thảo các dự luật và dành ưu tiên để giúp đỡ cho nhóm làm việc về mạng. Kiến trúc mạng end-end WiMAX di động được dựa trên nền tảng IP, tất cả là mạch gói và không thừa kế từ mạch thoại. Nó mang đến các ưu điểm về việc giảm giá thành tổng thể qua vòng đời phát triển mạng WiMAX. Sử dụng mạng toàn IP nghĩa là lõi mạng chung có thể được sử dụng, mà không cần thiết duy trì cả mạng lõi kênh và mạng lõi gói. Một lợi ích nữa của mạng toàn IP là nó thay thế mạng với khả năng của bộ xử lý và thiết bị tính toán, được gọi là “luật Moore”. Các cải tiến xử lý máy tính xảy ra nhanh hơn cải tiến trong thiết bị viễn thông bởi vì phần cứng không bị giới hạn bởi “vòng tròn thiết bị viễn thông”. Kết quả cuối cùng là một mạng được thực hiện liên tục với hiệu suất làm việc cao hơn đã đem lại thuân lợi cho nhà cung cấp thứ 3 phát triển từ truyền thông internet. Kết quả này đem lại giá thành thấp hơn, scalability cao và sự triển khai nhanh do chức năng mạng của các dịch vụ dựa trên trên phần mềm là chính. Để triển khai hệ thống thương mại hoạt động một cách thành công, hệ thống đó phải được hỗ trợ các chỉ tiêu giao diện vô tuyến 802.16 (PHY/MAC). Phần chính trong chúng là sự cần thiết để hỗ trợ một tập hợp lõi các chức năng liên mạng như một phần của kiến trúc hệ thống WiMAX end-end tổng thể. Trước khi đưa ra chi tiết về kiến trúc, chúng ta đầu tiên để ý đến vài nguyên lý cơ bản được hướng dẫn để phát triển cho kiến trúc WiMAX. Kiến trúc được dựa trên khung chuyển mạch gói, bao gồm các thủ tục cơ bản được dựa trên IEEE 802.16 và các bổ xung, phù hợp với IETF RFC và chuẩn Ethernet. Kiến trúc cho phép tách kiến trúc truy nhập (và các cấu hình được hỗ trợ) từ kết nối dịch vụ IP. Phần tử mạng của hệ thống kết nối phải tuân theo chuẩn vô tuyến IEEE 802.16 Kiến trúc cho phép điều chỉnh linh hoạt để cung cấp một khoảng rộng các tuỳ chọn triển khai như là: Mạng WiMAX kích thước nhỏ đến kích thước lớn (độ bao phủ vô tuyến thưa thớt tới dày đặc). Môi trường truyền sóng vô tuyến ở nông thôn, thành thị và miền núi. Giấy phép cung cấp các băng tần Cấu hình nhánh, phẳng, lưới và hỗn hợp. Cho phép đa dạng các mô hình sử dụng cho cố định, lưu động, portable, di động. 2.6.1 Hỗ trợ các dịch vụ và ứng dụng Kiến trúc end-end bao gồm các hỗ trợ cho: Thoại, dịch vụ đa phương tiện và các dịch vụ bắt buộc khác như là dịch vụ khẩn cấp. Có khả năng truy cập tới nhiều nhà cung cấp dịch vụ ứng dụng độc lập (ASP) Truyền thông thoại di động sử dụng VoIP Hỗ trợ giao diện với đa dạng interworking và các media gateways cho phép phân phát các dịch vụ incumbent/legacy được dịch qua IP (ví dụ, SMS qua IP, MMS, WAP) tới mạng truy nhập WiMAX. Hỗ trợ sự phân phát dịch vụ IP multicast và broadcast qua mạng truy nhập WiMAX. 2.6.2 Liên mạng và chuyển vùng Liên mạng và chuyển vùng là thành phần quan trọng của kiến trúc mạng end-end với sự hỗ trợ cho một số lượng các kịch bản dược triển khai. Cụ thể chúng sẽ hỗ trợ cho các trường hợp sau: Liên mạng với các mạng không dây đã tồn tại như 3GPP, 3GPP2 hay DSL, MSO với giao diện liên mạng dựa trên tiêu chuẩn IETF phù hợp với các giao thức Roaming toàn cầu thông qua mạng WiMAX, bao gồm các tính năng nhận thực và tính cước Nhiều định dạng khả năng nhận thực người dùng như là tên/ mật khẩu, chứng chỉ số, mô dun xác nhận thuê bao (SIM), SIM universal, và mô đun xác nhận người sử dụng có thể di chuyển được (RUIM). Diễn đàn WiMAX đang xác định một mô hình tham chiếu mạng WiMAX (NRM) đại diện cho logic của kiến trúc mạng. NRM xác nhận các thực thể chức năng và điểm tham chiếu qua mà khả năng lien hoạt động đạt được giữa các thực thể. Kiến trúc được phát triển với mục tiêu là cung cấp sự hỗ trợ duy nhất các chức năng được cần thiết với một khoảng mô hình triển khai mạng và kịch bản sử dụng (một khoảng từ cố định-lưu động-portable-di động đơn giản và đến di động hoàn toàn). Hình 2.11: Mô hình tham chiếu mạng WIMAX Hình vẽ trên mô tả NRM, bao gồm các thực thể logic sau: MS, ASN và CSN và điểm tham chiếu xác định rõ ràng cho liên kết nối của các thực thể logic. Hình mô tả các điểm tham chiếu chính R1-R5. Mỗi thực thể, MS, ASN, và CSN đại diện một nhóm các thực thể chức năng. Mỗi một chức năng có thể được nhận ra trong một thiết bị vật lý đơn hoặc có thể được phân bố qua các thiết bị vật lý. Nhóm và phân bố các chức năng vào thiết bị vật lý trong thực thể chức năng (như là ASN) là một sự tuỳ chọn; một nhà sản xuất có thể chọn bất cứ việc thực thi chức năng vật lý nào, hoặc riêng rẽ hoặc kết hợp, miễn là sự thực thi đạt được yêu cầu liên hoạt động. Mục đích của NRM là phải cho phép các tuỳ chọn thực thi cho một thực thể chức năng được cho và đạt được sự liên hoạt đông giữa các thực thể chức năng khác nhau. Liên hoạt động được dựa trên sự xác định về giao thức truyền thông và đối xử mặt phẳng số liệu giữa các thực thể chức năng để đạt được các chức năng end-end tổng thể, ví dụ, An ninh và quản lý di động. Do đó, thực thể chức năng trên một mặt của điểm tham chiếu đại diện cho một tập hợp các điểm cuối mặt phẳng mang (bearer). ASN xác định một giới hạn lo gic và đại diện một cách tin cậy để mô tả một tập hợp các thực thể chức năng và tương ứng với luồng bản tin được kết hợp với các dịch vụ truy nhập. ASN trình bày một cận cho việc liên hoạt động với client WiMAX, chức năng dịch vụ kết nối WiMAX và tích hợp các chức năng embođied bởi các nhà cung cấp khác nhau. Ánh xạ các thực thể chức năng tới thực thể logic trong ASN như được mô tả trong NRM có thể được thực hiện theo các cách khác nhau. Diễn đàn WiMAX đưa ra các chỉ tiêu kỹ thuật mạng để đảm bảo đươc đa dạng các sản phẩm của các nhà sản xuất có thể liên hoạt động và được phù hợp các yêu cầu triển khai đa dạng. Mạng dịch vu kết nối (CSN) được xác định như là một tập hợp các chức năng mạng mà cung cấp các dịch vụ kết nối IP tới các thuê bao WiMAX. Một CSN có thể bao gồm các phần tử mạng như là router, AAA proxy/Server, cớ sở dữ liệu người sử dụng và thiết bị gateway liên hoạt động. Một CSN có thể được triển khai như một phần của nhà cung câp dịch vụ mạng WiMAX Greenfield (NSP) hoặc một phần NSP WiMAX incumbent. Hình dưới đây cung cấp một quan điểm cơ bản hơn nữa về rất nhiều thực thể trong nhóm chức năng ASN và CSN. Hình 2.12: Cấu trúc mạng WiMAX trên nền IP Các chỉ tiêu kỹ thuật mạng cho hệ thống WiMAX được dựa trên vài nguyên lý kiến trúc mạng cơ bản, bao gồm các nguyên lý được liêt kê dưới đây. Cung cấp các vấn đề logíc giữa thủ tục và địa chỉ IP, định tuyến và thủ tục quản lý kết nối và giao thức để cho phép sử dụng các kiến trúc truy nhập cơ bản trong một chuỗi kịch bản triển khai interworking và standalone Hỗ trợ cho việc chia sẽ ASN của một nhà cung cấp truy nhập mạng (NAP) với đa nhà NSP Hỗ trợ dịch vụ cung cấp NSP đơn qua ASN-được quản lý bởi một hay nhiều NAP Hỗ trợ cho việc khám phá và lựa chọn NSP có thể truy nhập được bởi một MS hoặc SS Hỗ trợ NAP mà triển khai một hay nhiều cấu hình ASN Hỗ trợ truy nhập tới các dịch vụ nhà khai thác incumbent qua chức năng internetworking Các chỉ tiêu kỹ thuật cho điểm tham chiếu được xác định rõ ràng giữa các nhóm khác nhau của thực thể chức năng mạng (trong một ASN, giữa ASN, giữa một ASN và một CSN và giữa CSN), và cụ thể giữa một MS, ASN, và CSN để cho phép liên hoạt động đa nhà sản xuất. Hỗ trợ sự phát triển giữa các mô hình sử dụng khác nhau tới các giả sử kỹ thuật có thể và bắt buộc Cho phép nhiều nhà sản xuất khác nhau dựa trên sự kết hợp khác nhau các thực thể chức năng trên thực thể mạng lớp vật lý, miễn là sự thực thi này tuân theo các giao thức thông thường và các thủ tục qua điểm tham chiếu ứng dụng có thể, như được xác định trong các chỉ tiêu kỹ thuật mạng Hỗ trợ kịch bản thông thường nhất của một nhà cung cấp dịch vụ triển khai một ASN cùng với một tập hợp giới hạn các chức năng CSN, để mà các nhà khai thác có thể cung cấp các dịch vụ truy cập internet cơ bản mà không cần xem xét đến roaming và interworking. Kiến trúc WiMAX cũng cho phép cả IP và dịch vụ Ethernet, trong mạng tuân theo chuẩn IP di động. Sự mềm dẻo và liên hoạt động được hỗ trợ bởi mạng WiMAX cung cấp cho các nhà khai thác mạng với giá thành thấp của đa nhà sản xuất của mạng WiMAX thậm chi với sự triển khai giữa mạng ASN tập trung và phân bố trong mạng. 2.6.3 Bảo mật Kiến trúc mạng WiMAX end-end được dựa trên an ninh mạng mà là agnostic tới các kiểu nhà khai thác và cấu hình ASN và áp dụng qua mô hình triển khai internetworking và Greenfield và các kịch bản hỗ trợ. Trong thực tế nó có các hỗ trợ: Nhật thực thiết bị mutual mạnh giữa một MS và mạng WiMAX, được dựa trên khung security IEEE 802.16 Tất cả cơ chế nhật thực được triển khai chung và nhật thực tại nhà và kịch bản mạng nhà khai thác được dựa trên khung nhật thực mở rộng và chắc chắn Tích hợp số liệu, bảo vệ replay Sử dụng cơ chế an ninh cho MS bắt đầu/kết thúc như là mạng riêng ảo (VPN), cơ chế quản lý địa chỉ IP secure chuẩn giữa MS/SS và nhà và NSP “visited”. 2.6.4 Tính di động và chuyển giao Kiến trúc mạng WiMAX end-end có khả năng mở rộng để hổ trợ tính di động và handover. Nó sẽ: Chuyển giao cùng công nghệ và chuyển giao giữa các công nghệ (như:WIFI, 3GPP, 3GPP2, DSL hoặc MSO) nếu như MS được hỗ trợ hoạt động ở nhiều chế độ Hỗ trợ IPv4 hoặc IPv6 được dựa trên quản lý tính di động. Trong khung này, và như có thể, kiến trúc sẽ đảm bảo MS với đa địa chỉ IP và kết nối IPv4 và IPv6 đồng thời Hỗ trợ chuyển vùng giữa các NSP Sử dụng cơ chế để hỗ trợ chuyển vùng “seamless” tại tốc độ di chuyển của phương tiện - thoả mãn giới hạn ngắn dịch vụ. Một vài khả năng khác được hỗ trợ tính di động bao gồm hỗ trợ: Cấu hình địa chỉ mạng tĩnh và động Sự gán động của Home Agent trong mạng nhà cung cấp dịch vụ như là một dạng của việc tối ưu tuyến, cũng như mạng IP nhà như một dạng của việc cân bằng tải. Ấn định động của Home Agent dựa trên các cơ chế. 2.6.5 Khả năng mở rộng, vùng bao phủ và lựa chọn nhà khai thác. Kiến trúc mạng WiMAX end-end có khả năng mở rộng linh động và mềm dẻo. Cụ thể, nó sẽ: Cho phép người sử dụng lựa chọn hoặc tự động hoặc bằng tay từ NAP và NSP khả dụng. Cho phép thiết kế ASN và CSN mà có thể thay đổi quy mô dễ dàng-theo các khía cạnh độ bao phủ, khoảng hoặc khả năng Đảm bảo một khoảng rộng các cấu hình ASN- bao gồm hub và spoke, nhánh, liên kết nối multi-hop Thoả mãn một khoảng rộng các liên kết backhaul, cả vô tuyến và hữu tuyến với sự kế thừa khác nhau và các đặc điểm thông lượng Hỗ trợ triển khai cơ sở hạ tầng ngày 1 phức tạp Hỗ trợ sử dụng các dịc vụ IP mà do đó tăng số thuê bao hoạt động và dịch vụ IP trên người sử dụng Hỗ trợ sự tích hợp các trạm gốc của vùng phủ đa dạng và khả năng-ví dụ, trạm gốc macro, mirco, pico và hỗ trợ tách và tích hợp các chức năng ASN trong triển khai mạng ASN để cho phép sử dụng sơ đồ cân bằng tài cho việc sử dụng hiệu quả phổ vô tuyến và các nguồn tài nguyên mạng. Các đặc điểm khác gắn liền với năng lực của hệ thống và khả năng quản lý của kiến trúc mạng WiMAX bao gồm: hỗ trợ một khoảng rộng các giám sát client online và offline, và sơ đồ quản lý được dựa trên chuẩn công nghiệp IP, triển khai rộng, mở, b) khả năng dịch vụ qua môi trường vô tuyến (OTA) fho giám sát đầu cuối MS và nâng cấp phần mềm. 2.6.6 Khả năng liên hoạt động của đa nhà sản xuất Một khía cạnh quan trọng khác của kiến trục mạng WiMAX là hỗ trợ liên hoạt động giữa các thiết bị từ nhiều nhà sản xuất khác nhau trong một ASN và qua các ASN khác nhau. Những liên hoạt động như vậy sẽ bao gồm các liên hoạt động giữa: BS và thiết bị backhaul trong một mạng ASN, và nhiều phần tử ASN (có thể từ các nhà sản xuất khác nhau) và CSN, với tối thiểu hoặc không có sự suy giảm trong chức năng hoặc khả năng của ASN. Chuẩn IEEE 802.16 xác định đa lớp con hỗi tụ. Khung kiến trúc mạng WiMAX hỗ trợ một khoảng các kiểu CS bao gồm: ethenet CS, IPv4 CS và IPv6 CS. 2.6.7 Chất lượng dịch vụ Kiến trúc mạng WiMAX có một khả năng hỗ trợ cơ chế QoS. Cụ thể, nó cho phép hỗ trợ mềm dẻo việc sử dụng đồng thời một tập hợp đa dạng các dịch vụ IP. Kiến trúc hỗ trợ: Tập hợp QoS khác nhau (trên người sử dụng/đầu cuối) hoặc fine-grained (từng luồng dịch vụ trên người sử dụng/terminal) Điều khiển phân quyền Quản lý băng thông Thực thi các chính sách như được quy định bởi các nhà khai thác cho các SLA dựa trên QoS (bao gồm bắt buộc cho mỗi user và nhóm người sử dụng cũng như các nhân tố khác như: định vị, thời gian… Các chỉ tiêu kỹ thuật mạng WiMAX mềm dẻo cho phép thực thi các cấu hình mạng dịch vụ truy nhập khác nhau tên là profiles ASN, bao gồm cả kiến trúc tập trung cũng như phân bố. Hơn nữa, diễn đàn WiMAX đang phát triển một khung liên hoạt động trong đó Intra-ASN và liên ASN hoạt động với các nhà sản xuất khác nhau được đảm bảo. CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG TRIỂN KHAI WiMAX DI ĐỘNG TRÊN MẠNG NỘI HẠT TẠI VIỆT NAM 3.1 Tổng quan Đầu năm 2006, Bộ Bưu chính viễn thông đã cấp phép thử nghiệm trong 1 năm dịch vụ WiMax cố định cho 4 doanh nghiệp gồm: Viettel, VTC, VDC và FPT Telecom. Kế hoạch là tháng 4/2007, sau khi có báo cáo từ những đơn vị này, Bộ sẽ lựa chọn 3 nhà cung cấp chính thức mạng băng rộng không dây. Tuy nhiên, việc cấp phép WiMax cố định vẫn chưa được thực hiện vì nhiều lý do. Các doanh nghiệp khẳng định kết quả thử nghiệm rất khả quan. Trong khi đó, phía Bộ nhận định khả năng thương mại của công nghệ này ở thị trường Việt Nam phụ thuộc phần lớn vào giá cả thiết bị đầu cuối. Thời điểm kết thúc thử nghiệm (năm 2007), giá thiết bị còn cao và không phong phú. Trong năm 2007, Bộ Bưu Chính Viễn Thông cấp phép cung cấp dịch vụ Wimax di động.  Wimax di động mới là triển vọng lớn nhất của Wimax. Với công nghệ này, người dùng đầu cuối có thể được sử dụng Internet tốc độ cao lên đến 1Mbps, tại bất kỳ nơi nào trong vùng phủ sóng bán kính rộng nhiều km. Thiết bị đầu cuối của dịch vụ Wimax di động có thể là các card PCMCIA, USB, hoặc đã được tích hợp sẵn vào trong con chip máy tính (kiểu như công nghệ Centrino của Intel). Bốn doanh nghiệp viễn thông Việt Nam được Bộ TT-TT cấp phép cung cấp dịch vụ thử nghiệm công nghệ Wimax di động là: VNPT, Viettel, EVN Telecom và FPT Telecom. Thời hạn được thử nghiệm dịch vụ trong vòng 01 năm với quy mô không quá 1000 thuê bao. Cụ thể, Tập đoàn VNPT được thử nghiệm ở băng tần 2.5 GHz tại Hà Nội, TP.HCM và Đà Nẵng. Viettel sử dụng băng tần 2.3-2.4 GHz tại Hà Nội và Thái Nguyên. EVN Telecom thử nghiệm tại băng tần 2.3-2.4 GHz khu vực Hà Nội và Đồng Nai. FPT Telecom được thử nghiệm công nghệ Wimax di động ở băng tần 2.3-2.4 GHz tại Hà Nội và Hải Phòng. Các doanh nghiệp sẽ được phép thử nghiệm chủ yếu các loại hình dịch vụ viễn thông băng rộng. Wimax di động chủ yếu cung cấp dịch vụ cho các sản phẩm di động như: máy tính xách tay, điện thoại di động, PDA, thiết bị không dây… Với Wimax di động, người tiêu dùng có thể truy cập Internet không dây tốc độ cao lên tới 1Mbps trong vùng phủ sóng bán kính rộng nhiều km. 3.2 Triển khai WIMAX di động của công ty Viễn Thông Hà Nội (HNPT) 3.2.1 Mục tiêu triển khai Hiện nay HNPT đã và đang triển khai các dịch vụ truy cập Internet băng rộng qua các hệ thống cáp đồng, cáp quang như: ADSL, Mega Wan, TSL và tiến tới là mạng MAN. Đứng trước yêu cầu của thị trường cần phải cung cấp dịch vụ truy cập Internet băng rộng linh hoạt hơn để triển khai dể dàng, đáp ứng nhanh chóng và có khả năng tiếp cận được đến các khu vực, các tòa nhà mà mạng của HNPT chưa triển khai được. Để đáp ứng các yêu cầu nêu trên, trong giai đoạn tới HNPT cần phải triển khai một hệ thống truy cập vô tuyến băng rộng (Broadband Wireless Access) để hỗ trợ và bổ sung cho các hệ thống truy nhập băng rộng hiên có. 3.2.1.1 Yêu cầu về dịch vụ cho hệ thống truy nhập vô tuyến băng rộng Sẵn sàng cung cấp ngay các dịch vụ: truy nhập Internet tốc độ cao cho các thuê bao cố định và di động (di chuyển với tốc độ < 40 km/h), làm backhaul cho các điểm truy nhập WiFi hotspots. Hỗ trợ triển khai một số dịch vụ trong thời gian tới: VoIP, kết nối E1, ứng dụng Video và Multimedia... 3.2.1.2 Đối tượng khách hàng của hệ thống truy nhập vô tuyến băng rộng Khách hàng ở một số khu đô thị mới và một số tòa nhà cao tầng mà mạng cáp do các doanh nghiệp mới triển khai. Các khu vực ngoại thành khó triển khai mang cáp hoặc chi phí cho đầu tư mạng cáp quá lớn. Các khách hàng sử dụng dịch vụ di động băng rộng 3.2.2 Qui mô triển khai WIMAX di động tại Hà Nội Trên cơ sở các khu vực chưa có mạng cáp và trên cơ sở hạ tầng rất tốt đã có của VNPT, Viễn Thông Hà nội đề xuất triển khai dịch vụ truy nhập Internet băng rộng qua hệ thống WiMAX di động với một số tiêu chí như sau : Phủ sóng cho toàn bộ các khu vực VIETTEL triển khai mạng cáp (khu Mỹ Đình 1, Trung Hoà - Nhân Chính, khu Yên hoà, khu Nam Trung Yên, khu tái định cư Cầu Giấy...). Qui mô hệ thống ở mức phù hợp nhằm để thăm dò thị trường cũng như có thời gian để đánh giá và kiểm chứng công nghệ WiMAX. Hệ thống sẵn sàng khả năng nâng cấp lên các Version mới của công nghệ WiMAX di động và mở rộng dung lượng khi có yêu cầu. Với mục tiêu để được ấn định sớm tần số ở dải 2.5 GHz. Hình 3.1: Sơ đồ các khu vực triển khai WiMAX di động 3.2.3 Phối hợp thử nghiệm triển khai Wimax giữa Motorola và HNPT Nội dung Bản đề xuất Phối hợp Thử nghiệm Công nghệ (PTC) do Motorola xây dựng dành riêng cho HNPT về việc cung cấp và cho mượn một mạng theo chuẩn mạng 802.16e tại giải tần 2.5GHz đã được cấp phép. Giải pháp này không chỉ là lựa chọn thay thế đối với kênh thuê riêng hay cáp quang truyền thống mà còn mở rộng vùng phủ sóng và dịch vụ băng rộng đến các thị trường chưa được phục vụ tốt và chưa được phục vụ. Motorola đã xây dựng kế hoạch thử nghiệm này dựa trên việc tìm hiểu về các mục tiêu của HNPT nhằm cung cấp dịch vụ băng rộng vô tuyến ra thị trường trên địa bàn Hà Nội. Điểm duy nhất chỉ có trong đề xuất của Motorola là cung cấp trọn gói theo hình thức chìa khóa trao tay bao gồm Mạng truy nhập Vô tuyến/ Mạng truy nhập dịch vụ (gồm các điểm truy nhập AP, thiết bị đầu cuối thuê bao SM và CPE) và Mạng dịch vụ lõi (AAA, NMS, BRAS, SSGW, IMS,…vv) cùng với hỗ trợ các ứng dụng cho người sử dụng như: điểm truy cập Internet, VoIP và Video. Giải pháp này được tăng sức mạnh với các dịch vụ chuyên nghiệp của Motorola như : quy hoạch tần số và mạng, Tích hợp hệ thống, Đào tạo khách hàng và Quản lý triển khai. Mạng thử nghiệm được thiết kế nhằm giúp HNPT thực hiện các công việc sau : Xác định hiệu năng hệ thống Xác thực tính khả quan đối với công nghệ WiMAX di động. Có được những hiểu biết thấu đáo vì sao công nghệ WiMAX di động hỗ trợ và thúc đẩy toàn diện việc kinh doanh băng rộng vô tuyến của HNPT Củng cố nền tảng của việc kinh doanh băng rộng vô tuyến sử dụng công nghệ WiMAX di động. Hình 3.2: Cấu hình sản phẩm Ultra Light 3.2.3.1 Mô tả ULAP Wi4 của Motorola Mô tả cấu hình ULAP: ULAP có cấu hình sector hóa 90 độ với một bộ phận tích hợp RF Hình 3.3 : Cấu hình sản phẩm ULAP Hình trên thể hiên việc lắp đặt trạm cơ bản cho ULAP và module quản lý nhóm. ULAP và module quản lý nhóm được thiết kế để lắp đặt bên ngoài nhà trạm / tòa nhà nhằm triển khai “zero footprint “với chi phí thấp. Hình 3.4: Framework quản lý các phần tử ULAP Hình 3.5: Cấu hình cell điển hình (4 sector) Motorola cũng cung cấp module thuê bao ULAP (SM) để triển khai ngoài trời. Lợi thế của module thuê bao (SM) treo rất thuận lợi cho việc tạo ra mức tín hiệu lớn hơn cho phép vùng phủ sóng rộng và tốc độ truyền dữ liệu cao hơn so với việc triển khai trong nhà. SM ngoài trời cũng có cổng RJ45 đơn tới máy tính khách hàng hoặc mạng máy tính. Hình 3.6: Module thuê bao ngoài trời Hình vẽ dưới đây chỉ ra cấu hình cho hệ thống trạm gốc Motorola MOTOWi4 ULAP và và bảng mô tả các tính năng của nó: Hình 3.7 : Cấu hình đa sector của ULAP Bảng 3.1: Tổng hợp những đặc tính kỹ thuật chính của ULAP Kết quả mô phỏng sử dụng bộ thuê bao ngoài trời 3500 dựa trên các thông số sau: Băng tần 2.5GHz, chia Uplink/Downlink là 75% / 25% Mục tiêu dịch vụ ở cell edge: 1.024 Mbps Downlink, Uplink 128kps (phủ sóng 90%) Độ cao Ăngten ULAP tính từ mặt đất: 30m, độ cao bộ thuê bao ngoài trời ULAP tính từ mặt đất : 7m. Kiểu bộ đệm lưu lượng dữ liệu toàn phần (Video/ Audio Streaming). Dựa vào tốc độ kết nối trung bình của 1 user qua 1 sector. Độ rộng băng thông của kênh 7MHz được hỗ trợ theo việc nâng cấp phần mềm cho hệ thống Throughput lớn nhất của mỗi sector >> dung lượng trung bình. Bảng3.2: Đặc tính kỹ thuật vô tuyến của ULAP Điều khiển truyền tải điện áp tự động (lên tới-20 dB) Quản lý công suất AP:<45 Watts/ sector @ 55VDC CMM:100 Watts @ 55VDC CMM/AP Tỷ lệ điện áp tối đa: 480 Watts @ 55VDC Điện áp tiêu hao 90 to 264 VAC / 50-60 Hz Điện áp yêu cầu 42 dBm EIRP = 25 dBm + 17 dBi (Sector đơn) EIRP có thể thay đổi theo chức năng của quy định và yêu cầu mặt nạ quang phổ (khác nhau đối với mỗi quốc gia) Điện áp ra tối đa/sector (PA & Antenna) ModulationReceiver Sensitivity, Typical QPSK (3/4)-94.3 dBm 16QAM (3/4)-87.5 dBm 64QAM (3/4)-80.5 dBm Điều chế và mã hóa Từ -40C tới 55C nhiệt độ ngoài trời Nhiệt độ vận hành CMM: 432 x 330 x 165 mm Trọng lượng: 11.3 kg Nguồn: 305 x 152 x 102 mm Trọng lượng: 2.7 kg Kích thước vật lý đơn vị điều khiển Radio:1320 x 180 x 130 mm Trọng lượng: 7.5 kg Kích thước vật lý điểm truy nhập 4 sector: N=4 / N=2 Tần số dùng lại Cấu hình từ xa / phần mềm OTA có thể nâng cấp Cấu hình 200 Môđun thê bao/điểm truy nhập Môđun hỗ trợ thuê bao OFDM PHY và trước chuẩn MAC (802.16e với nâng cấp phần mềm) Kiến trúc 3.5 MHz (phần mềm nâng cấp 7MHz) Kênh băng tần 2.300- 2.500 GHz Dải tần Active RF Head với PoE và kết nối số tới đơn vị điều khiển Kiến trúc trạm chính Cố định và nomadic Ứng dụng Bảng 3.3: Đặc tính kỹ thuật vô tuyến của ULAP (tiếp…) DC nối đất Bảo vệ nguồn sáng Yêu cầu ứng dụng bắt buộc Chẳng hạn: ETSI EN302 021, 753; RoHS/WEEE Máy triệt sóng tùy chọn (nếu cần) Regulatory Compliance 99.99+% Sẵn có IEEE 802.3 (10/100 BT Ethernet) Giao diện dây Ethernet (Công suất qua Ethernet) qua Cat-5 CMM tới điểm truy nhập cáp DES và AES (Tùy chọn), FIPS Certified (cho AES) Bảo mật 2 mức QoS RSA Authentication Lớp 2 IEEE 802.1p, IPv4 Diffserv (DSCP) Phân loại lưu lượng 802.1Q Hỗ trợ VLAN IPv4, TCP, UDP, PPP, SNMP Giao thức hỗ trợ Bảng 3.4: Đặc tính kỹ thuật anten của ULAP DC nối đất Bảo vệ nguồn sáng Tilt Mounting Kit for 2 to 4.5 đường kính cực Cực gắn vào phần cứng ETSI EN 302 085 CS3 Phân cực chéo tối thiểu ETSI EN 302 085 CS3 Minimum Front-to-Back Isolation ETSI EN 302 085 CS3 Góc phương vi Sidelobes 50 Ohm Trở kháng đầu vào 45 W Điện áp vào tối đa Xuống -25o Elevation Null Fill 0o Góc ngẩng điện của anten 7o Mặt chiếu độ rộng chùm 3 dB 4 sector | 360o Góc phương vi độ rộng chùm 3 dB 18 dBi Mức thu tối thiểu Dọc Phân cực hóa Bảng 3.5: Các thông số kỹ thuật Module và Anten thuê bao 42 dBm EIRP = 25 dBm + 17 dBi (30o internal ant.) Actual EIRP thay đổi theo chức năng của quy định và yêu cầu mặt nạ quang phổ (cụ thể ở từng quốc gia) Công suất đầu ra tối đa (PA and Antenna) -40°C to 55°C Nhiệt độ vận hành 2.5 kg Trọng lượng 254 x 355 x 76 mm Kích thước vật lý Cấu hình từ xa/ phần mềm có thể nâng cấp được Cấu hình OFDM PHY và trước chuẩn MAC (802.16e với nâng cấp phần mềm) Kiến trúc OFDM / TDD (OFDMA với nâng cấp phần mềm) Giao diện khí 3.5 MHz (7MHz với nâng cấp phần mềm) Băng thông của kênh 2.300 – 2.500 GHz Dải tần Cố định và nomadic Ứng dụng Bảng 3.6: Các thông số kỹ thuật Module và Anten thuê bao (tiếp...) Yêu cầu ứng dụng bắt buộc Chẳng hạn: ETSI EN302 021,753; RoHS/WEEE. Các máy triệt sóng tùy chọn (nếu cần) Đáp ứng yêu cầu Xây dựng server DHCP cho người dùng LAN DHCP client cho WAN DHCP IPSec, PPTP & L2TP Pass-Through VPN NAT, DMZ Host Hàm NAT Xây dựng trong tường lửa hỗ trợ người sử dụng 253 LAN Tưởng lửa IEEE 802.1Q Hỗ trợ VLAN IEEE 802.3 (10/100 BT Ethernet) Giao diện LAN DES and AES (optional), FIPS Certified (for AES) Bảo mật 2 levels QOS IPv4, TCP, UDP, PPP, SNMP Hỗ trợ giao thức Hệ thống điều khiển công suất truyền tự động (lên tới 20 dB) Quản lý công suất 55 VDC / 45 Watts Điện áp tiêu dùng 90 to 264 VAC/ 50-60 Hz Điện áp yêu cầu Dọc Phân cực hóa Tích hợp, độ rộng chùm 3 dB với góc phương vi khoảng 30o, và góc nâng 40o, 17 dBi Gain Anten 3.2.3.2 Nội dung công việc triển khai Nội dung các công việc triển khai bao gồm: Phê chuẩn thiết kế trạm và những yêu cầu về điện, cơ khí và dân dụng đối với việc lắp đặt phần cứng ULAP trên mạng. Thực hiện nhiều Test truy nhập khác nhau bao gồm khả năng kết nối vô tuyến giữa các thành phần mạng ULAP khác nhau như điểm truy cập, Module thuê bao và CPE’s. Thực hiện kiểm tra dải và sự truyền sóng để xác nhận vùng phủ sóng ngoài trời (trên thực tế so với phỏng đoán) cho những môi trường khác nhau (đô thị, thị trấn và nông thôn). Thực hiện kiểm tra throughput để công nhận các cell và ngưỡng dung lượng mạng. Thực hiện các Test nhiều thuê bao và các thuê bao sử dụng đồng thời để công nhận sự hoạt động của mạng trong những hoàn cảnh khác nhau. Kiểm tra các dịch vụ thuê bao khác nhau như dữ liệu, vô tuyến, VoIP, và các ứng dụng khác. Thu thập KIP’s để đánh giá độ trễ của hệ thống, độ sửa lỗi, tốc độ truyền dữ liệu …và thực hiện cùng phân tích dữ liệu để đánh giá hiệu quả của giải pháp. 3.2.3.3 Sơ đồ chung về mạng của ULAP WiMAX được trình bày trong hình Hình 3.8: Cấu hình mạng chung ULAP Cell của ULAP sẽ được kết nối với điểm chuyển mạch tập mà điểm này sẽ kết thúc tới mạng dữ liệu của nhà khai thác sử dụng backhaul hiện có. Backhaul có thể trên Canopy hoặc trên bất kỳ công nghệ nào được hỗ trợ trên mạng HNPT. Throughput thực tế sẽ phụ thuộc vào dung lượng được phục vụ của ULAP cell. Hình 3.9: Cấu hình mạng 3.2.3.4 Các thành phần hệ thống và thiết bị kiểm tra được yêu cầu 4 sector MotoWi4 Ultra Light 3500Access Point – 1 bộ 1 sector MotoWi4 Ultra Light 3500Access Point – 2 bộ Thiết bị cung cấp điện ULAP – 3 bộ Module thuê bao ULAP MotoWi4 – 20 bộ Thiết bị cấp nguồn module thuê bao – 20 bộ Module backhaul Canopy và cấp nguồn và dữ liệu – 4 bộ Dụng cụ treo cho Canopy Module backhaul – 4 bộ Có ít nhất 1PC demo với Ethernet và dung lượng dữ liệu truyền dung để kiểm tra. P3 với 512M RAM hoặc tương đương Ít nhất 1 cáp PC để chạy Linux Redhat WS 4.0 cho NMS Các loại cáp và chuyển đổi điện CAT5 chuẩn với ổ nối RJ45( chiều dài cáp không quá 100m) cho mỗi ULAP và CPE. Có thêm ít nhất 1 cáp cho mỗi thành phần mạng thêm vào. Bộ chuyển đổi điện có thể chuyển từ ổ cắm tiêu chuẩn Mỹ sang tiêu chuẩn VN nếu cần. Chuyển mạch lớp 3 với các cổng 12 10/100 – 1 bộ Router VN và 100base T/100 base T mạng 2-3 Linksys 8 port routers hoặc có thể tương đương. Các PC có thể chơi các trò chơi giống nhau – 2 bộ 3.2.3.4.1 Phần mềm CNUT phiên bản 4 chạy phần mềm Windows XP với phiên bản Runtime và PERL 5.8 hoặc phiên bản tốt hơn. Hệ thống quản lý thành phần Prizm – 20 bản quyền module thuê bao Hệ thống quản lý và nhận thực băng thông (BAM) bản quyền máy chủ 2.0 Phần mềm chạy ULAP phiên bản 8.0 Phần mềm CPE ngoài trời phiên bản 8.1 Cơ sở dữ liệu Cơ sở dữ liệu phần mềm máy chủ MySQL ( gồm Linux Redhat WS phiên bản 4.0) Công cụ Công cụ nâng cấp CNUT Phần mềm khách hàng/máy chủ WinFTP 3.2.4 Cấu hình thử nghiệm Hình 3.10: Cấu hình thử nghiệm WiMAX di động HNPT 3.2.4.1 Các mô hình thử nghiệm 3.2.4.1.1 Dịch vụ dữ liệu Bao gồm các bài thử nghiệm PING, FTP, duyệt Web Internet, Intranet Hình 3.11 – Thử nghiệm dịch vụ truyền file FTP Hình 3.12– Thử nghiệm dịch vụ duyệt Web intranet Hình 1.3 – Thử nghiệm dịch vụ duyệt Web internet Hình 3.13 – Thử nghiệm dịch vụ duyệt Web internet 3.2.4.1.2 Dịch vụ thoại trên nền IP Dịch vụ VoIP dự kiến thử nghiệm là dịch vụ gọi giữa PC với PC. Mục đích của thử nghiệm là xác định khả năng hỗ trợ QoS của ULAP đối với dịch vụ nhạy cảm với trễ (thời gian thực). Hình 3.14 – Thử nghiệm dịch vụ VOIP PC-to-PC 3.2.4.1.3. Dịch vụ game tương tác Hình 3.15 – Thử nghiệm dịch vụ Game trực tuyến 3.2.4.1.4 Dịch vụ mạng riêng ảo: Hình 3.16: Thử nghiệm dịch vụ mạng riêng ảo VPN 3.2.4.1.5. Dịch vụ cấp phát địa chỉ IP-DHCP Dịch vụ cấp phát địa chỉ IP bao gồm 2 bài thử nghiệm: Thử nghiệm với SM là DHCP Server (sử dụng tính năng built-in của SM) Thử nghiệm với DHCP Server trong mạng HNPT Hình 3.17: SM built-in DHCP Server Hình 3.18: External DHCP Server 3.2.4.1.6. Thử nghiệm VOIP với VOIP Server và Voice Gateway Mục đích của thử nghiệm là kiểm tra khả năng hỗ trợ ứng dụng VOIP client-server và kết nối liên mạng PSTN ở lớp mạng lõi khi sử dụng lớp mạng truy nhập ULAP. Motorola sẽ cung cấp phần mạng access là ULAP, HNPT sẽ cung cấp phần ứng dụng mạng lõi gồm VOIP Server và VOIP Gateway. Hình 3.19: Thử nghiệm VOIP với VOIP server (HNPT) và Voice Gateway (HNPT) 3.2.5 Kết quả thử nghiệm triển khai Wimax di động : Quá trình thử nghiệm Wimax di động vẫn đang được tiến hành. HNPT đã phối hợp với hãng Motorola tiến hành lắp đặt 4 trạm BTS và tiến hành chạy thử với các đối tượng khách hàng khác nhau. HNPT đã phối hợp với viện Khoa Học Kỹ Thuật Bưu Điện, hãng Motorola, hãng Rohde & schawarz (cung cấp máy đo kiểm) tiến hành đo kiểm tra và đánh giá các thử nghiệm . Căn cứ vào các kết quả đo kiểm và thực tế triển khai, có thể đánh giá như sau : Đạt được mục đích ban đầu của thử nghiệm là cung cấp dịch vụ vô tuyến băng rộng cho các địa bàn khác nhau trên thành phố Hà Nội. Khảo sát được nhiều thông tin phản hồi từ phía khách hàng. Nếu với thiết bị truy nhập qua card WiMAX thì sẽ có khoảng cách kết nối từ 1,5 - 2 km trong điều kiện kết nối khi di chuyển với tốc độ 40 km. Với các thiết bị truy nhập như CPI thì có thể kết nối WiMAX tốc độ cao tương đương với chất lượng ADSL ở khoảng cách 1 - 2 km tính từ trạm BTS trong địa hình thành phố. KẾT LUẬN Sau một thời gian nghiên cứu em đã đưa ra cái nhìn tổng quan về các tiêu chuẩn cho Wimax và các công nghệ điều chế. Qua đó thấy được lộ trình phát triển của Wimax trong hướng phát triển tới 4G. Ở đây, chúng ta có thể thấy được một cách tổng quát về công nghệ Wimax di động với những đặc điểm nổi bật của nó so với các công nghệ vô tuyến băng rộng khác. Thấy rõ được lớp vật lý, lớp MAC, những kỹ thuật được sử dụng ở lớp MAC và PHY, kiến trúc mạng Wimax di động. Quá trình giới thiệu một công nghệ mới đầy tính hấp dẫn vào thị trường cúng có khó khăn riêng và nó cũng gây ra rất nhiều khó khăn cho các nhà cung cấp dịch vụ 3G khi mới bắt tay vào triển khai. Đây còn là một bài toán lớn về mặt kinh tế kỹ thuật chưa được giải quyết. Trong khi đó, có được sự ủng hộ mạnh mẽ của các tập đoàn cung ứng thiết bị viễn thông lớn, Wimax di động càng có lợi thế để phát triển hơn. Sự triển khai Wimax di động ở Việt Nam cũng như ở một vài nước trên thế giới mới chỉ là bước đầu để đưa Wimax di động vào ứng dụng thương mại. Sự thành công của nó như thế nào còn tùy thuộc vào chính sách hỗ trợ của mỗi nước. Hướng nghiên cứu tiếp theo là làm rõ thêm nữa một số kỹ thuật được sử dụng ở lớp MAC để tăng sự hỗ trợ cho khả năng bảo mật trong Wimax di động, mô hình dịch vụ như thế nào. Em rất mong nhận được ý kiến đóng góp từ phía các thầy cô, các bạn sinh viên để em hoàn thiện hơn nữa kiến thức cho bản thân, phục vụ quá trình học tập, nghiên cứu sau này. Một lần nữa em xin cảm ơn tất cả các thầy, cô giáo và các bạn đã quan tâm giúp đỡ em trong quá trình hoàn thành đề tài. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Applications_for_802[1].16-2004_and_802.16e_WiMAX_networks_final. [2]. Fundamental of WiMax –Understanding Broadband Wireless Networking. Prentice Hall, 2007. [3]. IEEE Standard for Local and Metropolitian Area Networks, IEEE Computer Society and the IEEE Microwave Theory and Techniques Society, Oct 2004. [4]. IEEE Std 802.16e-2005 and IEEE Std 802.16-2004/Cor 1-2005 (Amendment and Corrigendum to IEEE Std 802.16-2004), “IEEE standard for local and metropolitan area networks Part 16: Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems Amendment 2: Physical and Medium Access Control layers for Combined Fixed and Mobile Operation in Licensed bands and Corrigendum 1”, February 2006 [5]. Mobile Wimax-Part I: A Technical Overview and Performance Evaluation, Wimax Forum, June 2006. [6]. Mobile WiMAX - Part II: Competitive Analysis, WiMAX Forum, February, 2006 [7]. Understanding Wimax and 3G for Portable/ Mobile Broadband Wireless, Technical White Paper, Dec 2004. [8]. Bản phối hợp thử nghiệm công nghệ giữa Motorola và Viễn Thông Hà Nội. [9]. Quy hoạch phổ tần số vô tuyến điện Quốc Gia- Dự thảo của bộ thông tin và truyền thông, 2007. [10]. Các bài viết tham khảo trên trang Đỗ Công Hùng. OFDM-giải pháp đa truy cập mới trong thông tin di động Đỗ Ngọc Anh. Wimax di động