Đề tài Phân tích và qui hoạch vùng phủ sóng mạng Internet không dây băng rộng sử dụng công nghệ WiMax

1 Lời nói đầu Ngày nay với các tiến bộ của kỹ thuật, mạng internet đang dần trở nên phổ thông và tiện dụng. Người sử dụng có nhiều lựa chọn các dịch vụ internet khác nhau từ ADSL, v.v… và hướng tới để sử dụng các dịch vụ cao cấp hơn, chất lượng tốt hơn. Công nghệ WiMax được nghiên cứu và triển khai để từng bước đáp ứng những yêu cầu đó. Những dịch vụ theo thời gian thực, dịch vụ phục vụ công cộng như giao thông; giáo dục v.v… đã đưa khả năng sử dụng internet sang một phạm vi mới. Trong quá trình thực hiện đề tài “Phân tích và qui hoạch vùng phủ sóng mạng Internet không dây băng rộng sử dụng công nghệ WiMax” tôi đã được sự hướng dẫn chỉ bảo và giúp đỡ của thầy giáo hướng dẫn và các kỹ sư của Công ty Điện toán và truyền số liệu khu vực 1 VDC. Tôi xin gửi lời cảm ơn trân trọng tới: Thầy giáo hướng dẫn TS.Đào Ngọc Chiến - bộ môn Hệ thống viễn thông Khoa Điện tử Viễn Thông trường Đại học Bách Khoa Hà Nội; Kỹ sư Nguyễn Thanh Tùng - Trưởng phòng kỹ thuật Công ty Điện toán và truyền số liệu khu vực 1 VDC; Các bạn trong phòng thí nghiệm anten và siêu cao tần - tầng 6 thư viện Tạ Quang Bửu – Đại học Bách Khoa Hà Nội và gia đình đã quan tâm, tạo điều kiện giúp tôi hoàn thành bản đồ án. Ngày 19 tháng 05 năm 2007 Sinh viên: Nguyễn Việt Khoa 2 Tóm tắt đồ án WiMax (World Interoperability Microwave Access) là hệ thống truy cập vi ba có tính tương tác toàn cầu dựa trên tiêu chuẩn kĩ thuật IEEE 802.16 – 2004. 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 Wifi chủ yếu phục vụ cho mạng cục bộ LAN còn WiMax phục vụ chủ yếu cho mạng đô thị MAN (Metropolitan Area Network), cung cấp các dịch vụ dữ liệu tốc độ cao chất lượng tốt. WiMax ra đời nhằm cung cấp một phương tiện truy cập Internet không dây tổng hợp có thể thay thế cho ADSL và Wifi. Nội dung đồ án được trình bày trong 4 chương. Trong đó: - Chương 1: Khái quát chung về hệ thống thông tin vô tuyến đưa ra một cái nhìn tổng quát về các hệ thống thông tin vô tuyến trước và đang sử dụng ngày nay đồng thời giới thiệu qua về hệ thống WiMax. - Chương 2: Giới thiệu tổng quan về công nghệ WiMax – chương này trình bày những đặc điểm kỹ thuật chính của hệ thống WiMax. - Chương 3: Xây dựng mô hình tính toán mạng Wireless 802.16 – đưa các tiêu chí, phương pháp tính toán, các thông số mô phỏng để áp dụng tính toán xây dựng hệ thống WiMax. - Chương 4: Định hướng quy hoạch mạng internet sử dụng công nghệ WiMax – dựa vào các điều kiện thực tế về kĩ thuật, kinh tế, tính khả thi để định hướng ứng dụng và lựa chọn phát triển hệ thống WiMax. 3 Mục lục Lời nói đầu ................................................................................................................. 1 Tóm tắt đồ án ............................................................................................................. 2 Mục lục ....................................................................................................................... 3 Danh sách các hình vẽ ............................................................................................... 6 Danh sách bảng biểu ................................................................................................. 8 Danh sách các từ viết tắt ........................................................................................... 9 CHƯƠNG 1: QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN TẾ BÀO .............................................................................................. 10 1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 1 (1G) ............................................................ 10 1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 (2G) ............................................................ 10 1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2,5 (2,5G) ...................................................... 11 1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G) ............................................................ 12 1.5 Giới thiệu về hệ thống WiMax .................................................................................. 12 CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX .................................. 17 2.1 Khái niệm chung ........................................................................................................ 17 2.2 Lớp vật lý (PHY) ....................................................................................................... 18 2.2.1 Cở sở OFDMA ........................................................................................................ 18 2.2.2 Cấu trúc ký hiệu OFDMA và kênh con hoá ........................................................... 22 2.2.3 S-OFDMA .............................................................................................................. 24 2.2.4 Cấu trúc khung TDD ............................................................................................... 25 2.2.5 Các đặc tính lớp PHY cao cấp khác ........................................................................ 27 2.3 Mô tả lớp điều khiển truy nhập phương tiện (MAC-Media Access Control) ............ 29 2.3.1 Hỗ trợ chất lượng dịch vụ (QoS) ............................................................................ 29 2.3.2 Dịch vụ lập lịch trình MAC (Media Access Control) ............................................. 32 2.4 Quản lý di động và nguồn năng lượng ....................................................................... 32 2.4.1 Quản lý di động ....................................................................................................... 32 2.4.2 Quản lý nguồn năng lượng ..................................................................................... 32 2.5 Bảo mật trong WiMax ............................................................................................... 34 2.6 Các đặc tính khác của WiMax di động ...................................................................... 34 2.6.1 Sử dụng Anten thông minh ..................................................................................... 34 2.6.2 Sử dụng lại tần số .................................................................................................... 37 2.7 Phân tích hiệu suất hệ thống di động WiMax ............................................................ 38 4 2.7.1 Các thông số hệ thống di động WiMax .................................................................. 38 2.7.2 Quỹ đường truyền WiMax di động ......................................................................... 43 2.7.3 Hiệu suất hệ thống WiMax ..................................................................................... 43 2.7.4 Hỗ trợ dịch vụ và ứng dụng .................................................................................... 48 2.7.5 Liên mạng và chuyển vùng (roaming) .................................................................... 48 2.8 Các ứng dụng, tiêu chuẩn áp dụng và tương lai của WiMax ..................................... 51 2.8.1 Các tiêu chuẩn mở của WiMax di động .................................................................. 51 2.8.2 Các ứng dụng WiMax di động ................................................................................ 52 2.8.3 Các vấn đề về phổ của WiMax di động .................................................................. 52 2.8.4 Lộ trình cho các sản phẩm WiMax ......................................................................... 53 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN MẠNG WIRELESS 802.16 ........................................................................................................................ 55 3.1 Khái quát về hệ thống được thiết kế .......................................................................... 55 3.1.1 Vị trí và cân nhắc vị trí thực ................................................................................... 55 3.1.2 Nhận dạng các yêu cầu đối với thiết bị ................................................................... 58 3.1.3 Năm chữ “C” trong thiết kế một hệ thống .............................................................. 61 3.2 Cấu trúc của hệ thống ................................................................................................ 62 3.2.1 Mô hình khả thi của hệ thống ................................................................................. 62 3.2.2 Tái sử dụng tần số và nhiễu giữa các cell lân cận ................................................... 65 3.2.3 Mô hình kênh truyền dẫn và nhiễu ........................................................................ 68 3.2.4 Giả thiết mức mô hình hệ thống chung ................................................................... 72 3.2.5 Các thông số đầu ra ................................................................................................. 74 3.3 Các mô hình lưu lượng ứng dụng .............................................................................. 75 3.3.1 Đặc điểm của mô hình lưu lượng HTTP ................................................................. 75 3.3.2 Đặc tính của mô hình lưu lượng FTP ..................................................................... 77 3.3.3 Ứng dụng Video gần thời gian thật (NRTV - near real time video) ....................... 78 3.3.4 Quan điểm trừu tượng về lớp PHY trong mô hình hệ thống .................................. 78 3.4 Tái sử dụng tần số và giao thoa giữa các cell ............................................................ 79 3.4.1 Tái sử dụng tần số ................................................................................................... 79 3.4.2 Mô hình kênh truyền và giao thoa cho mô hình hệ thống ...................................... 79 3.5 Các thông số cho hệ thống ......................................................................................... 81 3.5.1 Các thông số kênh truyền theo mức ....................................................................... 81 3.5.2 Thông số cho BS và MS ......................................................................................... 84 5 3.5.3 Các thông số định cỡ và thông số tham khảo ......................................................... 85 3.5.4 Mô hình kênh truyền theo mức ............................................................................... 86 3.5.5 Suy hao đường truyền trong hệ thống WiMax ....................................................... 94 3.5.6 Tạo ra các thông số của người sử dụng đối với các môi trường: cell lớn môi trường thành phố và cell lớn môi trường vùng ngoại ô ............................................................. 100 3.5.7 Đề xuất các thông số cho thuê bao trong môi trường cell nhỏ - thành phố .......... 104 3.5.8 Tạo ra các hệ số kênh truyền ................................................................................ 106 3.5.9 Định cỡ hệ thống theo mức ................................................................................... 108 CHƯƠNG 4: ĐỊNH HƯỚNG QUY HOẠCH MẠNG INTERNET SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ WIMAX ........................................................................................ 113 4.1 Tính toán đường truyền ........................................................................................... 113 4.2 Nghiên cứu, khảo sát tổng quát về một site ............................................................. 116 Kết luận .................................................................................................................. 124 Tài liệu tham khảo ................................................................................................ 125 6 Danh sách các hình vẽ Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống mạng WiMax .............................................................................. 14 Hình 1.2: Dự đoán phát triển của hệ thống mạng và dịch vụ .............................................. 15 Hình 2.1 Cấu trúc sóng mang con OFDMA ........................................................................ 23 Hình 2.2: Tần số DL gồm nhiều kênh con ........................................................................... 23 Hình 2.3: Cấu trúc tile cho đường lên UL PUSC ................................................................ 24 Hình 2.4: Cấu trúc khung WiMax OFDMA ........................................................................ 26 Hình 2.5: Hỗ trợ QoS WiMax di động ................................................................................ 30 Hình 2.6: So sánh WiMax với các dịch vụ khác .................................................................. 31 Hình 2.7: Chuyển mạch thích ứng cho anten thông minh ................................................... 37 Hình 2.8: Sử dụng lại tần số chia nhỏ .................................................................................. 38 Hình 2.9: Cải thiện hiệu suất phổ với WiMax tối ưu ........................................................... 46 Hình 2.10: Mô hình tham chiếu mạng WiMax .................................................................... 49 Hình 2.11: Cấu trúc mạng WiMax trên nền IP .................................................................... 50 Hình 2.12 Cung cấp một cách tiếp cận về các sản phẩm liên quan của WiMax. ................ 54 Hình 2.13: Biểu đồ chỉ dẫn hướng phát triển công nghệ WiMax ........................................ 54 Hình 3.1: Đưa ra phương án để lựa chọn một site ............................................................... 57 Hình 3.2: Một số tiêu chuẩn để lựa chọn ............................................................................. 58 Hình 3.3: Mô hình trạm phát sóng WiMax .......................................................................... 60 Hình 3.4: Mô hình trạm phát sóng WiMax .......................................................................... 61 Hình 3.5: Hệ thống anten MIMO có thể làm tăng đáng kể dung lượng của hệ thống vô tuyến ..................................................................................................................................... 63 Hình 3.6: Các loại góc anten ................................................................................................ 63 Hình 3.7: Mô tả cell và búp sóng chính của anten ............................................................... 65 Hình 3.8: Chia ô ban đầu thành 3 cell theo mẫu 1:3 ............................................................ 67 Hình 3.9: Tín hiệu thu được bị pha-đinh. ............................................................................ 69 Hình 3.10 a, b : Nội dung của một gói cuộc gọi .................................................................. 76 Hình 3.11: Mô tả một gói tin trong một phiên FTP ............................................................. 77 Hình 3.12: Mô hình lưu lượng video theo thời gian thực .................................................... 78 Hình 3.13: Cấu trúc một khe thời gian của tín hiệu OFDM ............................................... 79 Hình 3.14: Mẫu anten 3 sector ............................................................................................. 84 Hình 3.15: Sự định hướng góc tới tại MS ............................................................................ 85 Hình 3.16: Hệ thống WiMax truyền sóng trong LOS và NLOS ......................................... 86 Hình 3.17: Vị trí thuê bao LOS và NLOS ........................................................................... 88 Hình 3.18: Sóng mang đơn và tín hiệu thu OFDM .............................................................. 89 Hình 3.19: Hiệu ứng kênh con hoá (sub channelization) .................................................... 90 Hình 3.20: Ứng dụng của hệ thống anten mimo đối với các trường hợp sử dụng khác nhau ............................................................................................................................................. 91 Hình 3.21: Bán kính cell ...................................................................................................... 92 Hình 3.22: Các thông số góc của trạm gốc và thuê bao ....................................................... 93 Hình 3.23: Hình vẽ mô phỏng mô hình Hata ....................................................................... 95 Hình 3.24: Mô phỏng mô hình Walfish-Ikegami ................................................................ 97 Hình 3.25: Mô hình WiMax đối với các môi trường khác nhau ....................................... 100 7 Hình 3.30: Tôpô Mesh ....................................................................................................... 110 Hình 3.31: Tôpô điểm đến điểm ........................................................................................ 110 Hình 4.1: Mô hình truyền và phát tín hiệu của một trạm WiMax ..................................... 113 Hình 4.2: Kết hợp giữa WiMax và Wifi ............................................................................ 122 8 Danh sách bảng biểu Bảng 2.1: Các tham số tỉ lệ OFDMA ................................................................................... 25 Bảng 2.2: Các kỹ thuật mã hóa và điều chế được hỗ trợ ..................................................... 27 Bảng 2.3: Tốc độ dữ liệu PHY với các kênh con PUSC trong WiMax di động .................. 28 Bảng 2.4: Các ứng dụng WiMax di động và QoS ............................................................... 31 Bảng 2.5: Các tùy chọn của anten cao cấp .......................................................................... 35 Bảng 2.6: Các tốc độ dữ liệu cho các cấu hình SIMO/MIMO ............................................ 36 Bảng 2.7: Các thông số hệ thống WiMax di động ............................................................... 39 Bảng 2.8: Các thông số OFDMA ......................................................................................... 40 Bảng 2.9: Phương thức truyền bá ........................................................................................ 40 Bảng 2.10: Quỹ đường truyền liên kết DL cho WiMax di động ......................................... 41 Bảng 2.11: Quỹ đường truyền kết nối WiMax di động ....................................................... 43 Bảng 2.12: Các kiểu kênh đa đường cho sự mô phỏng hiệu suất ........................................ 44 Bảng 2.13: Mô hình kênh người dùng hỗn hợp để mô phỏng hiệu suất .............................. 44 Bảng 2.14: Các giả định cấu hình WiMax Di động ............................................................. 46 Bảng 2.15: Hiệu suất hệ thống di động WiMax .................................................................. 46 Bảng 2.16: Các lớp ứng dụng của WiMax .......................................................................... 52 Bảng 3.1: Thông số của mô hình đa đường ......................................................................... 69 Bảng 3.2: Một số thông số về mô hình kênh truyền ............................................................ 71 Bảng 3.3: Down link của mô hình hệ thống mô phỏng ....................................................... 74 Bảng 3.4: Thông số mô hình lưu lượng HTTP .................................................................... 76 Bảng 3.5: Các thông số của các phiên ứng dụng FTP ......................................................... 77 Bảng 3.6: Thông số lưu lượng NRTV ................................................................................. 78 Bảng 3.7: Thông số mô hình kênh truyền mô phỏng ........................................................... 80 Bảng 3.8: Thông số năng lượng cho các mô hình kênh truyền khác nhau .......................... 80 Bảng 3.9: Các thông số kênh truyền theo mức [8] .............................................................. 83 Bảng 3.10: Các thông số tham khảo cho trạm gốc và thuê bao ........................................... 85 Bảng 3.11: Bảng so sánh tổn hao đường truyền từ mô hình Hata và Walfish – Ikegami .... 98 Bảng 3.12: Độ lệch đường truyền phụ góc lệch và góc tới ............................................... 105 Bảng 3.13: Dải tần số và sự liên quan đến giới hạn năng lượng ....................................... 111 Bảng 3.14: Từ điểm đến đa điểm: hoạt động ở băng tần: 2,4 GHz ISM ........................... 111 Bảng 3.15: Từ điểm đến điểm: hoạt động ở băng tần: 2,4 GHz ISM ................................ 112 Bảng 3.16: Từ điểm đến điểm: hoạt động ở băng tần: 5,8 GHz U_NII ............................. 112 Bảng 4.1: Bảng mô tả các thông số suy hao do cáp ở dải tần số từ 2,4 đến 5,8 GHz........ 115 Bảng 4.2: Thông số suy hao của các vật liệu ..................................................................... 116 9 Danh sách các từ viết tắt Số thứ tự Từ viết tắt Ý nghĩa 1 WiMax Hệ thống truy nhập vi ba có tính tương tác toàn cầu 2 OFDM Công nghệ ghép kênh phân chia tần số trực giao 3 MIMO Hệ thống anten thông minh (đa đầu vào, đa đầu ra) 4 WISP Nhà cung cấp dịch vụ internet không dây 5 NRTV Dịch vụ video gần tương ứng thời gian thực 6 UE/MS/CPE Thiết bị của người sử dụng 7 SNR Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu 8 AS Góc phương vị 9 AoA Góc tới 10 AoD Góc lệch 11 802.16a Chuẩn WiMax cố định 12 802.16e Chuẩn WiMax di động 10 CHƯƠNG 1: QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN TẾ BÀO Kể từ khi được triển khai vào những năm đầu của thập niên 1980 cho đến nay, thông tin vô tuyến di động đã và đang phát triển với tốc độ hết sức nhanh chóng trên phạm vi toàn cầu. Kết quả thống kê cho thấy ở một số quốc gia, số lượng thuê bao di động đã vượt hẳn số lượng thuê bao cố định. Trong tương lai số lượng thuê bao di động và cố định sẽ tiếp tục tăng lên và song song với nó là sự gia tăng về nhu cầu của người sử dụng các dịch vụ dữ liệu. Điều này đã khiến các nhà khai thác cũng như các tổ chức viễn thông không ngừng nghiên cứu, cải tiến và đưa ra các giải pháp kỹ thuật, để cải tiến và nâng cấp các hệ thống thông tin. Cho đến nay hệ thống thông tin đã trải qua 3 thế hệ. 1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 1 (1G) a. Đặc điểm Hệ thống mạng di động thế hệ thứ nhất (1G) được phát triển vào những năm cuối thập niên 70, hệ thống này sử dụng kỹ thuật tương tự (analog). Tất cả các hệ thống 1G sử dụng phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA (Frequency Division Multiple Access). Các hệ thống mạng di động 1G chỉ được dùng để sử dụng cho dịch vụ thoại với chất lượng khá thấp nguyên do tình trạng nghẽn mạch và nhiễu xảy ra thường xuyên. b. Các hệ thống mạng 1G Các hệ thống mạng di động 1G bao gồm các hệ thống sau: • AMPS (Advaced Mobile Phone System) • ETACTS (Enhanced Total Access Cellular System) - Châu Âu • NMT (Nordic Mobile Telephone System) - Bắc Âu 1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 (2G) a. Đặc điểm Hệ thống mạng 2G được triển khai vào năm 1990 và hiện nay vẫn được sử dụng rộng rãi, là một mạng thông tin di động số băng hẹp, sử dụng phương pháp chuyển mạch mạch là chủ yếu. Phương pháp đa truy cập TDMA và CDMA được sử dụng 11 kết hợp với FDMA. Hệ thống mạng di động 2G sử dụng cho dịch vụ thoại và truyền số liệu là chủ yếu. b. Các hệ thống mạng di động 2G Hệ thống mạng 2G bao gồm các hệ thống sau: • PCS (Personal Communication System): PCS là hệ thống truyền dẫn ở tần số 1900 MHz. Ưu đỉểm của điện thoại PCS là nhỏ, trọng lượng nhẹ, bảo mật tốt và thời gian Pin chờ lâu. • TDMA: Là mạng di động sử dụng kỹ thuật điều chế số phát triển từ mạng 1G AMPS, tăng dung lượng mạng bằng cách cho phép nhiều người dùng chung một kênh vô tuyến mà vẫn bảo đảm chất lượng thoại. Điện thoại TDMA có thể hoạt động ở 2 chế độ: tương tự và số. • CDMA: Được triển khai năm 1995. Tương tự như TDMA, mạng CDMA cũng phục vụ đồng thời ở hai chế độ tương tự và số. Điểm khác biệt giữa TDMA và CDMA là các kênh CDMA rộng hơn khoảng 6 lần và hệ thống cấp cho mỗi thuê bao một mã duy nhất. • GSM: Ra đời năm 1988 sử dụng kết hợp hai phương pháp đa truy nhập theo thời gian TDMA và theo tần số FDMA, nhờ đó tại một thời điểm có 8 thuê bao có thể sử dụng chung một kênh. GSM sử dụng cho dịch vụ truyền thoại và fax với tốc độ 9600 bit/s. Điện thoại GSM sử dụng một SIM-Card rời lưu trữ số điện thoại, thông tin và tài khoản thuê bao. 1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2,5 (2,5G) a. Đặc điểm Hệ thống mạng 2,5G là mạng chuyển tiếp giữa hệ thống mạng di động thế hệ thứ 2 (2G) và thứ 3 (3G). Hệ thống hoàn toàn dựa trên cơ chế chuyển mạch gói. Ưu điểm của hệ thống di động 2,5G là tiết kiệm được không gian và tăng tốc độ truyền dẫn. b. Các hệ thống mạng 2,5G • GPRS: Là một hệ thống mới, đuợc triển khai trên nền của hệ thống GSM sử dụng phương thức chuyển mạch gói và nhờ đó cước phí sử dụng được tính dựa trên từng gói 12 nhận, gởi đi, khác hẳn và có lợi hơn cho thuê bao so với cách tính cước dựa trên thời gian kết nối. GPRS có thể được xem như là sự mở rộng của hệ thống di động thế hệ thứ 2G GSM, có khả năng cung cấp các kết nối ảo, các dịch vụ truyền số liệu với tốc độ lên đến 171,2 Kbps cho mỗi người sử dụng nhờ vào việc sử dụng đồng thời nhiều khe thời gian. Bên cạnh mục đích cung cấp những số liệu mới cho các thuê bao di động, GPRS còn được xem như là bước chuyển tiếp từ thế hệ 2G lên 3G. Với việc xây dựng hệ thống GPRS, các nhà khai thác đã xây dựng một cấu trúc mạng lõi dựa trên nền IP để hỗ trợ cho các ứng dụng về số liệu, cũng như đã tạo ra một môi trường để thử nghiệm và khai thác các dịch vụ tích hợp giữa thoại và số liệu của thế hệ của thế hệ 3G sau này. Trong khi hệ thống GSM tập trung hỗ trợ cho các kết nối thoại, thì mục đích chính của GPRS là cung cấp phương tiện truy cập vào các mạng số liệu chuẩn như TCP/IP. • EDGE: Được xây dựng dựa trên nền tảng của mạng GSM nhưng lại cung cấp gần đạt đến các chuẩn dành cho 3G tốc độ xấp xỉ 384 Kbps. 1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G) a. Đặc điểm: Là thế hệ thông tin di động số cho phép chuyển mạng bất kỳ, có khả năng truyền thông đa phương tiện chất lượng cao. Các hệ thống 3G được xây dựng trên cơ sở CDMA hoặc CDMA kết hợp với TDMA, có khả năng cung cấp một băng tần rộng theo yêu cầu, do đó có thể hỗ trợ các dịch vụ có nhiều tốc độ khác nhau. Ở thế hệ thứ 3, các hệ thống thông tin di động có xu thế hoà nhập thành một tiêu chuẩn chung duy nhất và phục vụ lên đến 2Mbps. Mặc dù 3G được tính toán sẽ là một chuẩn mang tính toàn cầu nhưng chi phí xây dựng cơ sở hạ tầng cho hệ thống này rất tốn kém. b. Các hệ thống mạng 3G • WCDMA: WCDMA hay còn gọi là IMT - 2000 là một chuẩn của ITU (International Telecommunication Union) có nguồn gốc từ chuẩn CDMA. Công nghệ WCDMA cho phép tốc độ truyền dữ liệu đến các thiết bị di động cao hơn nhiều so với khả 13 năng của mạng di động hiện nay. WCDMA có thể hỗ trợ việc truyền thoại, hình ảnh dữ liệu video... có tốc độ lên đến 2Mbps. • UMTS: Là một mạng thế hệ thứ 3 được triển khai ở Châu Âu. Mạng này cung cấp cung cấp cho người sử dụng các dịch vụ hoạt động ở tần số 2GHz, cho phép hình ảnh âm thanh, video, truyền hình…hiển thị trên các máy điện thoại di động. UMTS được xem là một hệ thống mạng cải tiến từ mạng 2G GSM. 1.5 Giới thiệu về hệ thống WiMax WiMax (World interoperability 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. Diễn đàn WiMax là tổ chức phi lợi nhuận, hỗ trợ và thương mại hóa công nghệ theo tiêu chuẩn 802.16. Ở đây giới thiệu cơ sở lý luận của WiMax cũng như xem xét các tiêu chuẩn với các mô hình ứng dụng WiMax như là một trong các giải pháp truy cập băng rộng không dây. 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. • 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. 14 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 2,5 GHz hoặc 3,5 GHz. Độ rộng băng tầng là 3,5 MHz. Trong mạng cố định, WiMax thực hiện cách tiếp nói 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. 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 Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống mạng WiMax 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 6 GHz. 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 15 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. [11] Chúng ta đã biết đến các công nghệ truy nhập Internet phổ biến hiện nay như quay số qua Modem thoại, ADSL, hay các đường thuê kênh riêng, hoặc sử dụng các hệ thống vô tuyến như điện thoại di động, hay mạng WiFi. Mỗi phương pháp truy cập mạng có đặc điểm riêng. Đối với Modem thoại thì tốc độ quá thấp, ADSL tốc độ có thể lên đến 8 Mbit/s nhưng cần có đường dây kết nối, các đường thuê kênh riêng thì giá thành đắt mà không dễ dàng triển khai đối với các khu vực có địa hình phức tạp. Hệ thống thông tin di động hiện tại cung cấp tốc độ truyền 9,6 Kbit/s quá thấp so với nhu cầu người sử dụng, ngay cả các mạng thế hệ sau GSM như GPRS (2,5G) cho phép truy cập ở tốc độ lên đến 171,2 Kbit/s hay EDGE khoảng 300-400 Kbit/s cũng chưa thể đủ đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng khi sử dụng các dịch vụ mạng Internet. Ở hệ thống di động thế hệ tiếp theo 3G thì tốc độ truy cập Internet cũng không vượt quá 2 Mb/s. Với mạng WiFi (chính là mạng LAN không dây) chỉ có thể áp dụng cho các máy tính trao đổi thông tin với khoảng cách ngắn. Với thực tế như vậy, WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Access) ra đời nhằm cung cấp một phương tiện truy cập Internet không dây tổng hợp có thể thay thế cho ADSL và WiFi. Hình 1.2: Dự đoán phát triển của hệ thống mạng và dịch vụ 16 Hệ thống WiMax có khả năng cung cấp đường truyền với tốc độ lên đến 70 Mb/s và với bán kính phủ sóng của một trạm anten phát lên đến 50 km. Mô hình phủ sóng của mạng WiMax tương tự như mạng điện thoại tế bào. Bên cạnh đó, WiMax cũng hoạt động mềm dẻo như WiFi khi truy cập mạng. Mỗi khi một máy tính muốn truy nhập mạng nó sẽ tự động kết nối đến trạm anten WiMax gần nhất. • WiMax hoạt động như thế nào Thực tế WiMax hoạt động tương tự WiFi nhưng ở tốc độ cao và khoảng cách lớn hơn rất nhiều cùng với một số lượng lớn người dùng. Một hệ thống WiMax gồm 2 phần: - Trạm phát: giống như các trạm BTS trong mạng thông tin di động với công suất lớn có thể phủ sóng một vùng rộng tới 8000 Km2. - Trạm thu: có thể là các anten nhỏ như các Card mạng cắm vào hoặc được thiết lập sẵn trên Mainboard bên trong các máy tính, theo cách mà WiFi vẫn dùng. Các trạm phát BTS được kết nối tới mạng Internet thông qua các đường truyền tốc độ cao dành riêng hoặc có thể được nối tới một BTS khác như một trạm trung chuyển. Các anten thu/phát có thể trao đổi thông tin với nhau qua các tia sóng truyền thẳng hoặc các tia phản xạ. Trong trường hợp truyền thẳng, các anten được đặt cố định trên các điểm cao, tín hiệu trong trường hợp này ổn định và tốc độ truyền có thể đạt tối đa. Băng tần sử dụng có thể dùng ở tần số cao đến 66 GHz vì ở tần số này tín hiệu ít bị giao thoa với các kênh tín hiệu khác và băng thông sử dụng cũng lớn hơn. Đối với trường hợp tia phản xạ, WiMax sử dụng băng tần thấp hơn, 2-11GHz, tương tự như ở WiFi, ở tần số thấp tín hiệu dễ dàng vượt qua các vật cản, có thể phản xạ, nhiễu xạ, uốn cong, vòng qua các vật thể để đến đích. Và ở chương sau sẽ trình bày kĩ hơn về tổng quan kĩ thuật của hệ thống WiMax. 17 CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX 2.1 Khái niệm chung WiMax di động (Mobile WiMax) là giải pháp không dây băng rộng cho phép phủ sóng mạng băng rộng không dây và cố định nhờ công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng trên diện rộng với kiến trúc mạng linh hoạt. Giao diện WiMax di động sử dụng kỹ thuật OFDM để cải thiện hiệu suất đa đường trong các môi trường không theo tầm nhìn thẳng. OFDMA thay đổi tỉ lệ (S-OFDMA) được giới thiệu trong phần bổ sung IEEE 806.16e để hỗ trợ băng thông kênh tỉ lệ từ 1,25 đến 2 MHz. Nhóm kỹ thuật di động trong diễn đàn WiMax đang phát triển tham số hệ thống cho WiMax di động, qua đó xác định các đặc tính bắt buộc và tuỳ chọn của chuẩn IEEE - là chuẩn giao diện vô tuyến tương thích với WiMax di động. [14] Tham số WiMax di động cho các hệ thống di động được phép cấu hình trên cơ sở một tập các đặc tính cơ bản để đảm bảo chức năng cơ bản nhất cho các thiết bị đầu cuối và các trạm gốc. Đó là các cấu hình được tối ưu về dung lượng hoặc được tối ưu về phủ sóng. WiMax di động phiên bản 1 sẽ bao gồm các băng thông kênh 5; 7; 8,75 và 10 MHz dành cho các dải tần được cấp phép trên thế giới như: 2,3 GHz, 2,5 GHz, 3,3 GHz và 3,5 GHz. Các hệ thống WiMax di động cung cấp khả năng mở rộng về cả công nghệ truy nhập vô tuyến cũng như kiến trúc mạng, do đó cung cấp khả năng linh động cao trong các lựa chọn phát triển mạng và cung cấp dịch vụ. Một số các đặc điểm chính mà WiMax di động hỗ trợ là: Tốc độ dữ liệu cao: Các kỹ thuật anten MIMO cùng với các nguyên lý chia nhỏ kênh linh hoạt, mã hoá và điều chế nâng cao, tất cả làm cho công nghệ WiMax di động có khả năng hỗ trợ tốc độ dữ liệu đường xuống tối đa lên tới 63 Mbps cho một sector và tốc độ dữ liệu đường lên tối đa lên tới 28 Mbps cho một sector trong một kênh 10 MHz. Chất lượng dịch vụ (QoS): Tiền đề cơ bản của kiến trúc MAC trong IEEE 802.16 là QoS. Nó định nghĩa luồng dịch vụ mà có thể ánh xạ đến các điểm mã DiffServ hoặc các nhãn luồng để cho phép kết nối đầu cuối tới đầu cuối theo giao thức IP 18 trên cơ sở QoS. Ngoài ra, các nguyên lý báo hiệu trên cơ sở kênh chia nhỏ kênh và MAP cung cấp một cơ chế linh động cho việc lập lịch tối ưu tài nguyên không gian, tần số và thời gian trên giao diện vô tuyến theo khung. Tính mềm dẻo: Tài nguyên phổ cho băng rộng không dây được cấp phát khác nhau. Vì vậy công nghệ WiMax di động được thiết kế để có thể linh hoạt để hoạt động trong các kênh khác nhau từ 1,25 đến 20 MHz thoả mãn các yêu cầu trên toàn cầu. Khả năng bảo mật: Các đặc tính khả năng bảo mật trong WiMax di động là tốt nhất trong lớp với sự xác thực trên theo EAP, mã hoá được xác thực theo AES- CCM, các nguồn bảo vệ bản tin điều khiển theo CMAC và HMAC. Các xác thực cho một tập các người dùng đang tồn tại bao gồm: thẻ SIM/USIM, các thẻ thông minh, các chứng chỉ số, các nguyên lý Username/Password theo các phương pháp EAP tương ứng cho kiểu nhận thực. Khả năng di động: WiMax di động hỗ trợ các nguyên lý chuyển giao tối ưu với trễ nhỏ hơn 50 ms để đảm bảo các ứng dụng thời gian thực như VoIP với dịch vụ không bị suy giảm. Các nguyên lý quản lý khoá linh động mà bảo mật được duy trì trong quá trình chuyển giao. 2.2 Lớp vật lý (PHY) 2.2.1 Cở sở OFDMA Kỹ thuật ghép kênh phân chia tần số trực giao (OFDM) là một kỹ thuật ghép kênh, phân chia nhỏ băng thông thành các tần số sóng mang con. Trong một hệ thống OFDM, luồng dữ liệu đầu vào được chia thành các luồng con song song với tốc độ giảm và như vậy tăng khoảng thời gian của ký hiệu và mỗi luồng con được được điều chế và truyền trên một sóng mang con trực giao tách biệt. Khoảng thời gian cho mỗi biểu trưng tăng sẽ cải thiện khả năng chống lại trễ lan truyền của OFDM. Hơn nữa, tiền tố vòng CP có thể hoàn toàn loại bỏ nhiễu xuyên ký hiệu (ISI) miễn là thời lượng CP lâu hơn trễ kênh lan truyền. CP chính là sự lặp lại phần dữ liễu gồm các mẫu cuối của khối được gắn vào trước một tải tin. Chính CP chống lại nhiễu liên khối và làm kênh quay vòng và cho phép cân bằng miền tần số với độ phức tạp thấp. Tuy vậy, một hạn chế của CP là nó được thêm vào trước tải tin làm giảm hiệu suất sử dụng băng thông. CP không chỉ làm giảm hiệu suất băng thông, 19 ảnh hưởng của CP cũng tương tự như hệ số rolloff trong các hệ thống sóng mang đơn được lọc cos nâng. Do OFDM có một phổ "tường gạch" (đan xen) rất nhọn, một tỉ lệ lớn các băng thông kênh cấp phát có thể được sử dụng cho truyền số liệu, giúp làm giảm suy hao hiệu suất do tiền tố vòng CP. OFDM khai thác sự phân tập tần số của kênh đa đường bằng cách mã hoá và chèn thông tin trên các sóng mang con trước khi truyền đi. Điều chế OFDM có thể thực hiện được với biến đổi ngược Fourier nhanh - IFFT, phép biến đổi này cho phép một số lượng lớn các sóng mang con (lên tới 2048) với độ phức tạp thấp. Trong một hệ thống OFDM, tài nguyên sẵn có trong miền thời gian chính là các ký hiệu OFDM và trong miền tần số chính là các sóng mang con. Tài nguyên về thời gian và tần số có thể được tổ chức thành các kênh con cấp phát cho người dùng. So sánh truyền OFDM với truyền sóng mang đơn BER của hệ thống OFDM phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: sơ đồ điều chế được sử dụng, giá trị đa đường và mức nhiễu trong tín hiệu. Tuy nhiên nếu chúng ta xem xét chỉ tiêu kỹ thuật của OFDM với nhiễu Gauss trắng cộng với AWGN thì chỉ tiêu của OFDM chính xác giống như chỉ tiêu kỹ thuật của hệ thống truyền sóng mang đơn kết hợp dùng cùng sơ đồ điều chế. Nếu ta xem xét một tải phụ OFDM đơn (vì các tải phụ là trực giao với nhau nên điều này không ảnh hưởng tới chỉ tiêu kỹ thuật) thì điều này chính xác như truyền sóng mang đơn mà sóng mang này được điều chế trực giao cầu phương (Quadrature) không có lọc băng thông. Biên độ và pha truyền đi được duy trì không đổi trong chu kỳ ký hiệu và được cài đặt dựa trên sơ đồ điều chế và dữ liệu truyền. Sau đó vectơ được phát đi này được cập nhật ở đầu của mỗi ký hiệu. Điều này dẫn đến đáp tuyến tần số sinc là đáp tuyến cần thiết cho OFDM. Tuy nhiên, hầu hết mọi môi trường truyền sóng bị ảnh hưởng của truyền lan nhiều đường. Đối với một băng thông truyền dẫn cố định đã cho, tốc độ ký hiệu đối với truyền sóng mang đơn là rất cao, trong khi đó đối với tín hiệu OFDM tốc độ này thấp hơn N lần với N là số tải phụ được sử dụng. Tốc độ ký hiệu thấp hơn này cũng làm ISI thấp đi. Ngoài ra, hệ thống OFDM còn dùng khoảng bảo vệ ở đầu mỗi ký hiệu, khoảng bảo vệ này loại bỏ ISI bất kỳ thấp hơn chiều dài của nó. Nếu khoảng bảo vệ là đủ dài thì tất cả ISI có thể bị loại bỏ. Truyền lan đa đường dẫn đến pha- đinh chọn lọc tần số, làm giảm các tải phụ riêng. Do vậy, hầu hết các hệ thống 20 OFDM dùng sửa lỗi tiến FCC để có thể khôi phục những tải phụ bị suy giảm nhiều, trong khi đó chỉ tiêu kỹ thuật của truyền sóng mang đơn bị suy giảm nhanh khi có hiệu ứng đa đường Các giới hạn điều chế của hệ thống Hầu hết các hệ thống thông tin di động hiện nay như GSM, IS-95 và các hệ thống thế hệ thứ ba chỉ dùng các sơ đồ điều chế có độ dung sai nhiễu cao như BPSK, QPSK hoặc tương đương. Điều này dẫn đến hiệu quả phổ thấp nhưng hệ thống khỏe. Các hệ thống này dùng các sơ đồ điều chế cố định do cần đạt SNR cao. Tốc độ ký hiệu của hệ thống sóng mang đơn phải cao nếu muốn có được tốc độ bit cao. Kết quả là các hệ thống, ví dụ GSM đòi hỏi cân bằng phức tạp (đến 4 chu kỳ ký hiệu) để khắc phục truyền lan nhiều đường. Các hệ thống GSM được thiết kế để khắc phục độ trễ cực đại tới 15μm, tương ứng với độ trễ mẫu được thử nghiệm ở khoảng cách truyền từ 30-35 km. Tốc độ ký hiệu của GSM là 270KHz tương ứng với chu kỳ ký hiệu 3,7μs, như vậy ISI được gây ra bởi hiệu ứng đa đường trải dài trên 4 chu kỳ ký hiệu. Điều này có thể phá hủy hoàn toàn thông tin truyền đi, nhưng nó được khôi phục trong thực tế nhờ dùng cân bằng thích nghi thức. Mặc dù điều này làm việc tốt cho các sơ đồ điều chế tốt như GMSK như đã được sử dụng cho các hệ thống GSM, việc áp dụng nó thành công cho các sơ đồ điều chế cao hơn là khó khăn vì các lỗi sở tại trong cân bằng sẽ gây tỷ lệ lỗi cao. Trong các hệ thống DS-CDMA vấn đề không bị giới hạn chủ yếu cho hiệu ứng đa đường, mà bởi can nhiễu giữa những người sử dụng. Các hệ thống DS-CDMA tận dụng một thực tế là bằng việc trải rộng thông tin của người dùng trên một băng thông rộng sẽ cho phép nhiều người sử dụng truyền tín hiệu ở cùng một tần số. Mỗi một trong các ngưởi sử dụng này trải rộng thông tin bằng một cách nhân nó với một dãy giả ngẫu nhiên tốc độ cao nhất PRS. Ở máy thu tín hiệu từ mỗi người sử dụng được trích ra bằng cách nhân tín hiệu tới với cùng dãy PRS giống hệt vậy và tích phân trên chu kỳ ký hiệu thông tin. Tuy nhiên quá trình này là không trực giao trong kết nối ngược làm cho các người sử dụng xuất hiện như nhiễu đối với nhau. Thông lượng kênh của hệ thống là cực đại khi số người sử dụng là cực đại, dẫn đến mức nhiễu rất cao, điều này làm cho hệ thống mẫu cần hoạt động với tỷ số năng lượng trong một bit/nhiễu EBNR (Energy per Bit to Noise Ratio) là khoảng 5-8 dB sau giải điều chế có hiệu 21 quả phổ cao vì SNR là quá thấp. OFDM thì lại khác vì nó giảm thiểu cả hai ảnh hưởng này. Hiệu ứng đa đường bị giảm thiểu bằng cách dùng tốc độ ký hiệu thấp và dùng khoảng bảo vệ. Cân bằng kênh có thể được thực hiện dễ dàng bằng cách dùng các ký hiệu pilot hoặc các tone pilot. Dạng cân bằng này là chính xác và dẫn đến lỗi tại chỗ cực tiểu, như vậy cho phép SNR trung bình cao. Ngoài ra, những người sử dụng trong OFDM được duy trì trực giao với nhau nhờ dùng ghép kênh theo thời gian hoặc ghép kênh theo tần số đồng bộ, giảm thiểu can nhiễu giữa những người sử dụng. Cả hai ưu điểm này có nghĩa rằng SNR kênh hiệu quả cao có thể được duy trì thậm chí trong môi trường nhiều người sử dụng hiệu ứng đa đường. Tiềm năng này cho SNR cao có nghĩa rằng các sơ đồ điều chế bậc cao có thể được sử dụng trong các hệ thống OFDM, cho phép cải thiện hiệu quả phổ của hệ thống. Hơn nữa mỗi tải phụ có thể được phân một sơ đồ điều chế khác nhau dựa trên các điều kiện kênh thực tế đo được. Các phép đo này có thể đạt được dễ dàng như một phần của bước cân bằng kênh, cho phép các tải phụ được phân phối động các sơ đồ điều chế dựa trên SNR của mỗi tải phụ. Những sự thay đổi SNR này xuất hiện do can nhiễu, khoảng cách truyền, pha-đinh chọn lọc tần số v.v…Kỹ thuật này được biết như điều chế thích nghi. Các tải phụ với SNR thấp có thể được phân phối dùng BPSK (1b/s/Hz) hoặc để không truyền dữ liệu. Các tải phụ SNR cao có thể truyền các sơ đồ điều chế cao như 256-QAM (8b/s/Hz), cho phép công suất hệ thống cao hơn. Việc phân phối điều chế linh hoạt trong OFDM cho phép chúng được tối ưu các điều kiện thực tế của địa phương, hơn là dùng sơ đồ điều chế thấp để đảm bảo hệ thống hoạt động trong các điều kiện xấu nhất. OFDMA là một nguyên lý đa truy cập/ghép kênh cung cấp khả năng ghép kênh các luồng dữ liệu từ nhiều người dùng trên các kênh con hướng xuống và đa truy nhập hướng lên nhờ các kênh con hướng lên. Trong OFDMA, 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. 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 bảo vệ lân cận rộng như trong FDMA để tách biệt những người dùng khác nhau. Trong hệ thống OFDMA có 2 phương pháp chuyển vùng mềm cơ bản được áp dụng cho cả đường lên và đường xuống. Yêu cầu cho cả 2 phương pháp là việc 22 phát từ các trạm gốc đi và việc phát tới các trạm gốc được đồng bộ để sự khác biệt về trễ tại hai trạm nằm trong phạm vi thời gian phòng vệ của các ký hiệu OFDM. Kỹ thuật thứ nhất là sử dụng cùng một tập sóng mang và cùng một chuỗi nhảy như nhau trong 2 tế bào để kết nối tới 2 trạm gốc. Vì thế, trong đường xuống, máy di động nhận tổng 2 tín hiệu với cùng nội dung số liệu giống hệt như nhau. Máy di động không thể phân biệt được giữa 2 trạm gốc; hiệu quả chuyển vùng mềm tương tự thêm vào thành phần đa đường bên ngoài làm tăng độ lợi phân tập. Dạng chuyển vùng này tương tự như chuyển vùng mềm trong mạng DS-CDMA. Kỹ thuật thứ 2 cho chuyển vùng mềm là sử dụng các bộ sóng mang phụ khác nhau trong 2 tế bào. Khác với phương pháp thứ nhất, ở đường xuống, máy di động lúc này phải phân biệt giữa 2 trạm gốc. Nó phải giải điều chế các tín hiệu từ 2 trạm gốc một cách riêng biệt, sau đó các tín hiệu này có thể được kết hợp lại, tốt nhất là bằng cách sử dụng bộ tổ hợp theo tỷ lệ cực đại. Dạng chuyển vùng này tương tự với loại có thể được dùng trong mạng không CDMA. Các ưu điểm của phương pháp thứ 2 trội hơn phương pháp thứ nhất trong đường xuống là tăng ích SNR tăng lên do sự phân tập của máy thu và tự do hơn cho các trạm gốc trong việc phân bổ các sóng mang có sẵn. Ở phương pháp thứ nhất, các trạm gốc bắt buộc phải sử dụng cùng các sóng mang. Ưu điểm chính của phương pháp thứ nhất là việc thực hiện đơn giản hơn, không cần có thêm phần cứng bổ trợ, chỉ cần thêm một vài giao thức để kết nối đồng thời với 2 trạm gốc. Phương pháp thứ 2 đòi hỏi có thêm phần cứng bởi vì nó buộc phải giải điều chế thêm một bộ sóng mang khác. Hơn nữa nó phải thực hiện xử lý thêm để tổ hợp theo tỷ lệ cực đại các tín hiệu nhận được từ các trạm gốc khác nhau. 2.2.2 Cấu trúc ký hiệu OFDMA và kênh con hoá Cấu trúc ký hiệu OFDMA gồm 3 loại sóng mang con như Hình 2.1: - Sóng mang con dữ liệu (data) cho truyền dữ liệu - Sóng mang con dẫn đường (pilot) cho mục đích ước lượng và đồng bộ - Sóng mang con vô dụng (null) không để truyền dẫn; được sử dụng cho các băng bảo vệ và các sóng mang DC. 23 Hình 2.1 Cấu trúc sóng mang con OFDMA Các kênh con tích cực (dữ liệu và dẫn đường) được nhóm lại thành các tập con các sóng mang con gọi là các kênh. OFDMA PHY hỗ trợ kênh con hóa ở cả hướng xuống – DL và hướng lên – UL. Có hai kiểu hoán vị các kiểu sóng mang con cho kênh con hoá: phân tập và lân cận. Hoán vị phân tập kéo theo các sóng mang con ngẫu nhiên tạo thành các kênh con. Nó cung cấp phân tập tần số và lấy trung bình nhiễu liên tế bào. Các hoán vị phân tập gồm đường xuống FUSC sóng mang con sử dụng hoàn toàn, đường xuống PUSC sóng mang con sử dụng một phần và đường lên PUSC và các hoán vị tùy chọn thêm vào. Với đường lên PUSC, mỗi cặp ký hiệu OFDM, các sóng mang con khả dụng được nhóm lại thành các cluster chứa 14 sóng mang con lân cận trên mỗi khoảng thời gian của ký hiệu, với cấp phát dữ liệu và dẫn đường trong mỗi cluster trong các ký hiệu chẵn và lẻ như mô tả trên Hình 2.2: Hình 2.2: Tần số DL gồm nhiều kênh con Một nguyên lý sắp xếp lại được sử dụng để tạo thành các nhóm cluster chẳng hạn mỗi nhóm được tạo thành bởi các cluster được phân bố qua không gian các sóng mang con [2]. Mỗi kênh con trong một nhóm chứa hai cluster và được tạo bởi 48 sóng mang con và 8 sóng mang dẫn đường. Các sóng mang con dữ liệu trong mỗi nhóm được tiếp tục hoán vị để tạo thành các kênh con trong phạm vi nhóm. Vì vậy, Các ký hiệu chẵn Các ký hiệu lẻ Sóng mang con dữ liệu Sóng mang con điều khiển 24 chỉ các vị trí dẫn đường trong cluster là được biểu thị trong Hình 2.2. Các sóng mang con dữ liệu trong cluster được phân bổ cho nhiều kênh con. Cấu trúc cluster cho DL, một cấu trúc lát (tile) được định nghĩa cho UL PUSC có định dạng như Hình 2.3 Hình 2.3: Cấu trúc tile cho đường lên UL PUSC Không gian sóng mang con khả dụng sẽ được phân chia thành các lát (tile) và 6 lát, được chọn từ toàn bộ phổ theo nguyên lý hoán vị/sắp xếp lại, và được nhóm lại với nhau tạo thành khe. Một khe gồm 48 sóng mang con dữ liệu và 24 sóng mang con dẫn đường trong 3 ký hiệu OFDM. Hoán vị lân cận nhóm một khối các sóng mang lân cận tạo thành một kênh con. Các hoán vị lân cận gồm AMC hướng DL và AMC hướng UL có cùng cấu trúc. Trong một ký hiệu có 9 sóng mang con lân cận (gọi là bin), với 8 trong số đó được ấn định cho dữ liệu và 1 được ấn định cho dẫn đường Một khe trong AMC được định nghĩa như một tập các bin của kiểu (NxM = 6), trong đó N là số các bin lân cận và M là số các ký hiệu cận. Do vậy các tổ hợp cho phép là (6 bins, 1 ký hiệu). 2.2.3 S-OFDMA Chế độ OFDM cho mạng không dây diện rộng (Wireless MAN) theo chuẩn IEEE 802.16e-2005 dựa trên kỹ thuật S-OFDMA (Scalable OFDMA). S-OFDMA hỗ trợ nhiều dải băng thông khác nhau để xác định hoạt động nhu cầu cấp phát phổ khác nhau và các yêu cầu mô hình sử dụng. Khả năng tỉ lệ được hộ trợ nhờ điều chỉnh kích thước FFT trong khi vẫn giữ nguyên độ rộng băng tần sóng mang con là 10,94 KHz. Do vậy băng thông sóng mang con theo đơn vị tài nguyên và độ dài của ký hiệu là cố định, ảnh hưởng ở các lớp cao hơn cũng được tối thiểu hoá khi lấy tỉ lệ băng thông. Các tham số S-OFDMA được liệt kê trong Bảng 2.1. Các băng thông Sóng mang con điều khiển Ký hiệu 1 Ký hiệu 2 Ký hiệu 0 Sóng mang con dữ liệu 25 hệ thống cho hai hồ sơ mà nhóm kỹ thuật WiMax Forum đưa ra lần đầu (Release-1) là 5 và 10 MHz. 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 (NFFT) 128 512 1024 2048 Số kênh con (Sub-channels) 2 8 16 32 Độ rộng tần số sóng mang con 10,94 Khoảng thời gian lấy mẫu (Tb=1/f) 91,4 Khoảng thời gian bảo vệ (Tg=Tb/8) 11,4 Khoảng biểu trưng OFDMA (Ts=Tb + Tg) 102,9 Số biểu trưng OFDMA (Khung 5 ms) 48 Bảng 2.1: Các tham số tỉ lệ OFDMA 2.2.4 Cấu trúc khung TDD Chuẩn 802.16e hỗ trợ TDD và FDD bán song công; tuy nhiên phê chuẩn WiMax di động đưa ra lần đầu tiên chỉ có TDD. Với những phát hành sắp tới, WiMax Forum sẽ đề cập đến FDD cho các thị trường xác định, nơi mà các yêu cầu ổn định phổ cục bộ hoặc sẽ kế thừa TDD hoặc sẽ triển khai FDD. Đối với các vấn đề nhiễu, TDD không yêu cầu sự đồng bộ hệ thống ở diện rộng; trái lại TDD sẽ ưu tiên chế độ song công bởi các lý do: - TDD cho phép điều chỉnh tỉ lệ DL/UL (đường xuống/đường lên) để hỗ trợ hiệu quả lưu lượng không đối xứng giữa đường xuống và đường lên (với FDD thì tỉ lệ đường xuống và lên là không đổi và thường là bằng băng thông của đường xuống và đường lên). - TDD đảm bảo sự trao đổi kênh để: hỗ trợ khả năng điều chỉnh đường truyền, MIMO và các công nghệ anten vòng kín cao cấp khác. - Không như FDD yêu cầu một cặp kênh, TDD chỉ yêu cầu một kênh đơn cho cả đường lên và đường xuống đem lại khả năng điều chỉnh linh động sự cấp phát tần số toàn cục. - Các thiết kế bộ thu phát để triển khai TDD cũng ít phức tạp và ít tốn kém hơn. 26 Hình 2.4 minh hoạ cấu trúc khung OFDM ở chế độ TDD. Mỗi khung được chia thành các khung con hướng xuống (DL) và hướng lên (UL) bởi bộ Phát/Thu và Thu/Phát (TTG và RTG) để tránh xung đột giữa hướng DL và UL. Trong một khung, thông tin điều khiển dùng để đảm bảo hoạt động hệ thống được tối ưu: - Phần đầu khung (Preamble): Là ký hiệu OFDM đầu tiên của khung dùng để đồng bộ. - Tiêu đề điều khiển khung (FCH): Nằm sau phần mở đầu khung. Nó cho biết thông tin cấu hình khung như độ dài bản tin MAP, nguyên lý mã hoá và các kênh con khả dụng. - DL-MAP và UL-MAP: Cho biết 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 trạm di động (MS) để thực hiện điều chỉnh: thời gian vòng kín, tần số và công suất cung như yêu cầu băng thông. - UL CQICH: Kênh UL CQICH cấp phát cho MS để phản hồi trạng thái kênh. - UL ACK: Kênh UL ACK cấp cho MS để xác nhận phản hồi DL HARQ. Hình 2.4: Cấu trúc khung WiMax OFDMA 27 2.2.5 Các đặc tính lớp PHY cao cấp khác WiMax di động đã đưa ra các kỹ thuật: AMC - điều chế thích nghi và mã hoá, HARQ – Yêu cầu lặp lại tự động lại kiểu kết hợp, CQICH - Phản hồi kênh nhanh để nâng cao khả năng phủ sóng, dung lượng cho WiMax trong các ứng dụng di động. 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 tùy chọn. Cả mã hoá vòng 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) cũng được hỗ trợ tùy chọn. Bảng 2.2 tổng kết các nguyên lý mã hoá và điều chế hỗ trợ trong WiMax di động. Hướng xuống - DL Hướng lên - UL Điều chế QPSK, 16 QAM, 64 QAM QPSK, 16 QAM, 64 QAM Tốc độ mã CC 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 x2, x3, x4 1/2, 2/3, 5/6 1/2, 2/3, 5/6 x2, x4, x6 CTC Mã lặp Bảng 2.2: 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 hoạ trong Bảng 2.3 (với độ rộng các kênh là 5 và 10 MHz với các kênh con PUSC). Độ dài khung là 5 ms. Mỗi khung có 48 biểu trưng OFDM gồm 44 biểu trưng OFDM sẵn sàng để truyền dữ liệu. Các giá trị được đánh dấu màu là để chỉ các tốc độ cho kỹ thuật 64QAM tuỳ chọn ở đường lên. Bộ lập lịch trạm gốc xác định tốc độ dữ liệu phù hợp cho mỗi cấp phát cụm dựa trên kích thước bộ đệm và điều kiện truyến sóng ở phía thu, v.v… Một kênh chỉ thị chất lượng kênh CQI được sử dụng để cung cấp thông tin trạng thái kênh từ thiết bị đầu cuối người dùng đến bộ lập lịch trạm gốc. Thông tin trạng thái kênh tương ứng từ kênh CQICH gồm: CINR vật lý; CINR hiệu quả; lựa chọn chế độ MIMO và lựa chọn kênh con lựa chọn tần số. Với kỹ thuật TDD, khả năng điều chỉnh kênh lợi dụng ưu điểm khả năng trao đổi kênh để cung cấp thông tin chính xác hơn về tình trạng kênh. 28 Tham số Hướng xuống Hướng lên Hướng xuống Hướng lên 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 dữ liệu 360 272 720 560 Kênh con 15 17 30 35 Thời gian biểu trưng Ts 102,9 ms Độ dài khung 5 ms Số biểu trưng OFDM/khung 48 Số biểu trưng OFDM cho dữ liệu 44 Mã hóa Tốc độ mã Kênh 5 MHz Kênh 10 MHz Tốc độ DL (Mbps) Tốc độ UL (Mbps) Tốc độ DL (Mbps) Tốc độ UL (Mbps) 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 12,67 9,41 3/4 CTC 9,50 8,85 19,01 14,11 1/2 CTC 9,50 6,85 19,01 14,11 64 QAM 2/3 CTC 12,67 9,14 25,34 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 2.3: Tốc độ dữ liệu PHY với các kênh con PUSC trong WiMax di động WiMax di động cũng hỗ trợ HARQ. HARQ được phép sử dụng giao thức “Dừng và Đợi” N kênh để cung cấp khả năng đáp ứng nhanh, để đóng gói lỗi và cải tiến khả 29 năng phủ sóng đường biên tế bào. Ngoài ra để cải thiện hơn nữa sự ổn định của đường truyền. Một kênh dành riêng ACK cũng được cung cấp ở đường lên để báo hiệu ACK/NACK của HARQ. Hoạt động đa kênh HARQ cũng được hỗ trợ. ARQ đa kênh dừng-và-đợi với một số lượng nhỏ kênh là một giao thức đơn giản mà hiệu quả cho phép tối thiểu bộ nhớ yêu cầu cho HARQ. WiMax cũng cung cấp báo hiệu cho phép hoạt động ở chế độ không đồng bộ. Chế độ không đồng bộ cho phép các độ trễ khác nhau giữa những lần truyền lại và chính điều này đem lại sự linh hoạt cho bộ lập lịch do sự hiệu quả của mào đầu thêm vào khi cấp phát phiên truyền lại. HARQ kết hợp với CQICH và AMC sẽ cung cấp khả năng thay đổi đường truyền trong môi trường di động với tốc độ xe không vượt quá 120 Km/giờ. 2.3 Mô tả lớp điều khiển truy nhập phương tiện (MAC-Media Access Control) Chuẩn 802.16 lúc đầu được phát triển cho các dịch vụ băng rộng như thoại, dữ liệu và video. Lớp MAC dựa theo chuẩn DOCSIS và có thể hỗ trợ lưu lượng dữ liệu cụm với tốc độ định cao ngay cả khi đang hỗ trợ lưu lượng thoại và luồng video trên cùng một kênh. Tài nguyên cấp phát cho một thiết bị đầu cuối bởi bộ lập lịch MAC có thể thay đổi từ một khe thời gian đơn đến toàn bộ khung, do vậy có thể cung cấp một dải rất rộng thông lượng cho một người dùng đầu ở một thời điểm cho trước bất kỳ. Hơn nữa, thông tin cấp phát tài nguyên được chuyển thành các bản tin MAP ở đầu mỗi khung nên bộ lập lịch có thể thay đổi sự cấp phát tài nguyên theo từng khung để thích ứng với trạng thái lưu lượng cụm. 2.3.1 Hỗ trợ chất lượng dịch vụ (QoS) Với tốc độ đường truyền vô tuyến cao, khả năng truyền bất đối xứng đường lên/đường xuống và một cơ chế cấp phát tài nguyên linh hoạt, WiMax di động hoàn toàn có thể đáp 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 đảm bảo qua các luồng dịch vụ như Hình 2.5. 30 Hình 2.5: Hỗ trợ QoS WiMax di động Đó là các luồng tin được cung cấp với một tập các tham số QoS. Trước khi cung cấp một loại hình dữ liệu, trạm gốc và đầu cuối của người dùng phải thiết lập một đường kết nối logic theo một hướng nhất định giữa các MAC ngang hàng. MAC đầu ra kết hợp với các gói tin chuyển đến giao diện MAC tạo thành một luồng dịch vụ để truyền trên kênh kết nối đã thiết lập. Các tham số QoS tương ứng với luồng dịch vụ xác định thứ tự truyền và lập lịch trên đường vô tuyến. Do vậy QoS hướng kết nối này có thể cung cấp thông tin điều khiển chính xác trên đường vô tuyến. Do đường truyền vô tuyến thường bị nút cổ chai, nên QoS hướng kết nối đảm bảo được điều khiển QoS đầu cuối tới đầu cuối. Các tham số luồng dịch vụ có thể được quản lý một cách linh hoạt thông qua các bản tin MAC để thoả mãn yêu cầu dịch vụ. Luồng dữ liệu dựa trên cơ chế QoS như vậy áp dụng cho cả đường lên và đường xuống đã cải thiện được QoS cho cả hai hướng. WiMax di động hỗ trợ nhiều loại ứng dụng và dịch vụ dữ liệu với các yêu cầu QoS khác nhau. Bảng 2.4 đưa ra kết luận tổng hợp. 31 Yêu cầu QoS Ứng dụng Đặc tính kỹ thuật QoS UGS (Dịch vụ cho phép tự nguyện) Voip Tốc độ duy trì tối đa Dung sai trễ tối đa Dung sai Jitter rtPS (Dịch vụ thời gian thực) Luồng video hoặc audio Tốc độ dự phòng tối đa Tốc độ duy trì tối đa Dung sai trễ tối đa Mức ưu tiên lưu lượng ErtPS (Dịch vụ thời gian thực mở rộng) Thoại với khả năng loại vùng bận Tốc độ dự phòng tối đa Tốc độ duy trì tối đa Dung sai trễ tối đa Mức ưu tiên lưu lượng Dung sai Jitter nrtPS (Dịch vụ không theo thời gian thực) Công thức truyền file FTP Tốc độ dự phòng tối đa Tốc độ duy trì tối đa Mức ưu tiên lưu lượng BE (dịch vụ tốt nhất) Truyền dữ liệu, Duyệt Web… Tốc độ duy trì tối đa Mức ưu tiên lưu lượng Bảng 2.4: Các ứng dụng WiMax di động và QoS Hình 2.6: So sánh WiMax với các dịch vụ khác 32 Kiến trúc mạng WiMax cung cấp khả năng hỗ trợ các cơ chế QoS. Trong thực tế, nó cho phép hỗ trợ đồng thời một tập đa dạng các dịch vụ IP. Chính kiến trúc này hỗ trợ: a) Các mức QoS khác biệt – dạng thô (từng user) và/hoặc dạng tinh (từng luồng dịch vụ cho từng user), b) Điều khiển phân quyền, c) Quản lý băng thông và d) Thực hiện các chính sách được qui định bởi các nhà khai thác cho các SLA dựa trên QoS (bao gồm sự bắt buộc cho mỗi user và nhóm user cũng như các nhân tố: định vị, thời gian,.v.v.). Quản lý định nghĩa cơ chế và sự ép buộc cơ chế giữa các nhà khai thác được tạo bởi các cơ chế IETF chuẩn. 2.3.2 Dịch vụ lập lịch trình MAC (Media Access Control) Dịch vụ lập lịch MAC có những thuộc tính sau cho dịch vụ dữ liệu băng thông rộng. - Bộ lập lịch dữ liệu nhanh - Lập lịch trình cho cả đường xuống và đường lên: Cấp phát tài nguyên động: - QoS hướng kết nối: - Lập lịch lựa chọn tần số 2.4 Quản lý di động và nguồn năng lượng 2.4.1 Quản lý di động Thời gian pin và chuyển giao là hai vấn đề tranh luận trong các ứng dụng di động. WiMax di động hỗ trợ chế độ ngủ (Sleep Mode) và chế độ rỗi (Idle Mode) cho phép vận hành MS hiệu quả. WiMax di động cũng hỗ trợ khả năng chuyển giao trong suốt cho phép MS có thể chuyển từ một trạm gốc này sang một trạm gốc khác với tốc độ xe tải mà không bị gián đoạn kết nối. 2.4.2 Quản lý nguồn năng lượng WiMax di động hỗ trợ hai chế độ vận hành hiệu năng – Sleep Mode và Idle Mode. Sleep Mode là trạng thái mà MS 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, những giai đoạn này có đặc điểm là không khả dụng với MS cho cả hướng xuống hay hướng lên Chế độ Sleep Mode cho phép MS tối thiểu năng lượng tiêu thụ và tối thiểu tài nguyên vô tuyến của trạm gốc. Chế độ Sleep Mode cũng cung cấp khả năng linh hoạt cho MS để dò các trạm gốc khác để thu thập thông tin hỗ trợ chuyển giao trong chế độ Sleep Mode. Idle Mode cung cấp một cơ chế cho MS để sẵn sàng một cách định kỳ nhận 33 các bản tin quảng bá hướng xuống 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 Idle Mode làm lợi cho MS bằng cách loại bỏ yêu cầu chuyển giao và các hoạt động bình thường khác và làm lợi 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. Chuyển giao 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). Trong đó, chuyển giao HHO là bắt buộc còn FBSS và MDHO là hai chế độ tuỳ chọn. Những cải tiến này được phát triển với mục đích giữ cho trễ chuyển giao lớp 2 ít hơn 50 ms. 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. Trong các BS của tập Active Set, một Anchor BS được định nghĩa. 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 trện 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. 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 sàng phục vụ MS. 34 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. 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. 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 được thực hiện. 2.5 Bảo mật trong WiMax WiMax di động hỗ trợ tốt nhất các đặc tính bảo mật lớp nhờ áp dụng các công nghệ tốt nhất đang sẵn có hiện nay. Nó hỗ trợ cho nhận thực giữa thiết bị/người dùng, giao thức quản lý khoá lính động, mã hoá lưu lượng, bảo vệ bản tin mặt phẳng quản lý và tối ưu hoá giao thức bảo mật cho các chuyển giao nhanh. Các nội dung chính của đặc điểm bảo mật là: - Giao thức quản lý khoá. - Nhận thực thiết bị/người sử dụng. - Mã hóa lưu lượng. - Bảo vệ các bản tin điều khiển. - Hỗ trợ chuyển giao nhanh. 2.6 Các đặc tính khác của WiMax di động 2.6.1 Sử dụng Anten thông minh OFDMA cho phép các hoạt động anten thông minh được thực hiện trên các sóng mang con véctơ phẳng. Các bộ cân bằng phức tạp không phải bù pha-đinh lựa chọn tần số. Vì vậy OFDMA rất thích hợp hỗ trợ các công nghệ anten thông minh. Trong thực tế, MIMO-OFDM/OFDMA được hình dung như là cơ sở nền tảng cho các hệ thống truyền thông băng rộng thế hệ mới. WiMax di động hỗ trợ một dải rộng các 35 công nghệ anten thông minh để nâng cao hiệu suất hệ thống. Các công nghệ anten thông minh được hỗ trợ gồm: - Tạo chùm (beamforming): Nhờ khả năng tạo chùm, hệ thống sử dụng nhiều anten để truyền các tín hiệu quan trọng để nâng cao dung lượng và khả năng phủ sóng của hệ thống cũng như giảm khả năng mất dịch vụ. - Mã không gian - thời gian (Space Time Code – STC): Hỗ trợ phân tập truyền như mã Alamouti để cung cấp khả năng phân tập không gian và giảm dự trữ suy hao tín hiệu. - Ghép kênh không gian (SM): Hỗ trợ ghép kênh không gian để tận dụng tốc độ đỉnh cao hơn và giảm thông lượng. Nhờ ghép kênh không gian, nhiều luồng sẽ được truyền trên hệ thống nhiều anten. Nếu phía thu cũng có hệ thống nhiều anten, nó có thể phân tách các luồng khác nhau để đạt được thông lượng cao hơn so với các hệ thống đơn anten. Với hệ thống MIMO 2x2, SM tăng tốc đốc độ dữ liệu đỉnh gấp 2 lần. Ở đường lên mỗi người dùng chỉ có một anten phát, 2 người dùng có thể truyền cùng với nhau trong cùng một khe thời gian giống như hai luồng được ghép kênh không gian từ hai anten của cùng một người dùng. Quá trình như vậy gọi là ghép kênh không gian cùng đường lên. [14] Các đặc tính hỗ trợ trong WiMax di động được liệt kê trong Bảng 2.5. Liên kết Dạng tia Mã hóa Không gian – Thời gian Đa phương DL Nt ≥ 2 Nr ≥ 13 Nt= 2, Nr ≥ 1 Ma trận A Nt= 2, Nr ≥ 2 Ma trận B, Mã hóa dọc UL Nt ≥ 1 Nr ≥ 2 N/A Nt= 1, Nr ≥ 2 Hai người dung cộng tác SM Bảng 2.5: Các tùy chọn của anten cao cấp WiMax di động hỗ trợ khả năng chuyển đổi lựa chọn thích nghi để khai thác tối đa lợi ích của các công nghệ anten thông minh trong các tình trạng kênh truyền khác nhau. Ví dụ, SM cải thiện thông lượng đỉnh. Mặc dù, điều kiện kênh không tốt, tỉ lệ lỗi gói tin PER có thể cao và do vậy vùng phủ sóng với tỉ lệ PER yêu cầu sẽ bị hạn chế. Ngoài ra STC còn cung cấp khả năng phủ sóng rộng bất chấp tình trạng kênh truyền nhưng lại không cải thiện được tốc độ dữ liệu gói. WiMax di động còn hỗ trợ 36 lựa chọn MIMO thích nghi giữa các chế độ đa MIMO để sử dụng tối đa hiệu suất phổ mà vùng phủ sóng không bị giảm. Bảng dưới đây tổng kết tốc độ dữ liệu đỉnh lý thuyết với các tỉ lệ DL/UL khác nhau giả định băng thông kênh là 10 MHz, độ rộng khung là 5ms gồm 44 biểu trưng dữ liệu OFDM. [10] Với hệ thống MIMO 2x2, hướng xuống của người dùng và tốc độ dữ liệu đỉnh có thể gấp đôi (theo lý thuyết). Tốc độ dữ liệu đỉnh tối đa hướng xuống là 63,36 Mbps khi tất cả biểu trưng dữ liệu chỉ dành cho hướng xuống. Với đường lên cùng SM, tốc độ dữ liệu đỉnh được nhân đôi trong khi tốc độ dữ liệu đỉnh người dùng không đổi. Tốc độ dữ liệu đỉnh người dùng hướng lên và tốc độ dữ liệu đỉnh lần lượt là 14,11 Mbps và 28,22 Mbps khi tất cả các biểu trưng dữ liệu chỉ dành cho hướng lên. Bằng cách áp dụng các tỉ lệ DL/UL khác nhau, băng thông có thể được điều chỉnh giữa đường lên và đường xuống để cung cấp các mẫu lưu lượng khác nhau. Tỷ số DL/UL 1:0 3:1 2:1 3:2 1:1 0:1 Tỷ lệ tối đa người dùng (Mbps) SIMO (1x2) DL 31,68 23,04 20,16 18,72 15,84 0 UL 0 4,03 5,04 6,05 7,06 17,11 MIMO (2x2) DL 63,36 46,08 40,32 37,44 31,68 0 UL 0 4,03 5,04 6,05 7,06 16,11 Tỷ lệ tối đa vùng (Mbps) SIMO (1x2) DL 31,68 23,04 20,16 18,72 15,84 0 UL 0 4,03 5,04 6,05 7,06 14,11 MIMO (2x2) DL 63,36 46,08 40,32 37,44 31,68 0 UL 0 8,06 10,08 12,10 14,12 28,22 Bảng 2.6: Các tốc độ dữ liệu cho các cấu hình SIMO/MIMO (Cho kênh 10 MHz, độ dài khung 5ms, kênh con PUSC, 44 biểu trưng OFDM dữ liệu) 37 Hình 2.7: Chuyển mạch thích ứng cho anten thông minh 2.6.2 Sử dụng lại tần số WiMax di động hỗ trợ sử dụng lại một tần số trên tất cả các cell (sector) trên cùng một kênh tần số để tận dụng tối đa hiệu quả sử dụng phổ. Tuy nhiên, do nhiễu đồng kênh lớn trong việc triển khai sử dụng lại một tần số, ở các vùng biên cell sẽ bị suy giảm chất lượng kết nối. Nhưng với WiMax di động, người dùng hoạt động trên các kênh con mà chỉ chiếm một phần nhỏ trên toàn bộ băng thông kênh truyền; vấn đề nhiễu đường biên ô có thể dễ dàng đánh địa chỉ bởi việc sử dụng kênh con cấu hình thích hợp mà không sử dụng đến kế hoạch tần số truyền thống. Trong WiMax di động, việc sử dụng kênh con linh hoạt được thực hiện dễ dàng bởi 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. Vùng hoán vị là một số lượng các ký hiệu OFDMA liền kề trong đường xuống hoặc đường lên mà sử dụng cùng hoán vị. Khung con đường xuống hoặc đường lên bao gồm nhiều hơn một vùng hoán vị được chỉ ra như Hình 2.7. Mẫu sử dụng lại tần số kênh con được cấu hình để người dùng gần trạm gốc hoạt động trong khu vực sẵn có các kênh con. Còn đối với người dùng ở đường biên, mỗi cell hoạt động trên vùng chỉ có một phần kênh con sẵn có. Trong Hình 2.8, F1, F2 và F3 biểu thị các tập kênh con khác nhau trong cùng một kênh tần số. Với cấu hình như vậy, một mẫu sử dụng lại tần số hợp lý sẽ được duy trì cho người dùng ở 38 trung tâm để tối đa hiệu suất phổ và sử dụng lại tần số một phần được thực hiện cho các thuê bao ở đường biên để đảm bảo thông lượng và chất lượng kết nối. Kế hoạch sử dụng lại kênh con có thể được tối ưu theo cell trên cơ sở dung lượng mạng và tình trạng nhiễu khung. Do đó tất cả các cell có thể hoạt động trên cùng kênh tần số mà không cần hoạch định tần số. Hình 2.8: Sử dụng lại tần số chia nhỏ Dịch vụ Multicast và Broadcast – MBS Dịch vụ MBS trong WiMax di động kết hợp các đặc tính tốt nhất của DVB-H, MediaFLO và 3GPP E-UTRA, thoả mãn những yêu cầu sau: - Tốc độ dữ liệu cao và khả năng phủ sóng sử dụng mạng một tần số (SFN) - Cấp phát tài nguyên vô tuyến linh động - MS tiêu thụ năng lượng thấp - Hỗ trợ dữ liệu ngang hàng bao gồm các luồng audio và video - Thời gian chuyển mạch kênh nhỏ 2.7 Phân tích hiệu suất hệ thống di động WiMax 2.7.1 Các thông số hệ thống di động WiMax Khi WiMax di động được dựa trên OFDMA theo mức, nó có thể cấu hình linh hoạt để hoạt động tại các băng thông khác nhau nhờ điều chỉnh các thông số hệ thống. Chúng ta xem xét hệ thống WiMax di động với các đặc tính sau đây như là một bài toán cho tính toán hiệu suất hệ thống di động WiMax. Bảng 2.7 cung cấp các thông số hệ thống, Bảng 2.8 là các thông số OFDMA và Bảng 2.9 chỉ ra các mô hình truyền sóng được sử dụng cho tính toán hiệu suất. 39 Các thông số Giá trị Số lượng ô 3 cung 19 Tần số điều khiển 2500 MHz Song công TDD Băng thông kênh 10 MHz Khoảng cách BS-đến-BS 2,8 Km Khoảng cách nhỏ nhất Di động-đến-BS 36m Kiểu dáng anten 70௢ (-3dB) với 20dB tỷ số giữa- đến-cuối Độ cao BS 32m Độ cao đầu cuối di động 1,5 m Sự tăng ích anten BS 15dBi Sự tăng ích anten MS -1 dBi Năng lượng khuếch đại công suất cực đại BS 43 dBm Năng lượng PA cực đại đầu cuối di động 23 dBm Của anten Tx/Rx BS Tx: 2 hoặc 4 Rx: 2 hoặc 4 Của anten Tx/Rx MS Tx: 1; Rx: 2 Đồ hình tạp âm BS 4 dB Đồ hình tạp âm MS 7dB Bảng 2.7: Các thông số hệ thống WiMax di động Các thông số Các giá trị Băng thông kênh hệ thống (MHz) 10 Tần số lấy mẫu (ࡲ࢖ là MHz) 11,2 Cỡ FFT (ࡺࡲࡲࢀ) 1024 Không gian tần số sóng mang con 10,94 KHz Thời gian ký hiệu có ích (ࢀ࢈= 1/f) 91,4 μs 40 Thời gian giám sát (ࢀࢍ= ࢀ࢈/8) 11,4 μs Thời gian tồn tại ký hiệu OFDMA (Tần số = ࢀ࢈ + ࢀ࢙) 102,9 μs Thời gian tồn tại khung 5 ms Số lượng các ký hiệu OFDMA 48 DL PUSC Các sóng mang con rỗng (null) 184 Các sóng mang con dẫn đường 120 Các sóng mang con dữ liệu 720 Các kênh con 30 UL PUSC Các sóng mang con rỗng (null) 184 Các sóng mang con dẫn đường 280 Các sóng mang con dữ liệu 560 Các kênh con 35 Bảng 2.8: Các thông số OFDMA Các thông số Giá trị Phương thức truyền bá Ngoại ô COST 231 Hiệu ứng màn che bản ghi thông thường SD 8 dB Sự tương quan hiệu ứng màn che BS 0,5 Sự thiệt hại xâm nhập 10 dB Bảng 2.9: Phương thức truyền bá Đường xuống WiMax di động Cấu trúc trạm cơ sở MAP Đường truyền Đơn vị Khả năng ࢀ࢞ trên yếu tố anten 10,0 10,0 10,0 W Số lượng các yếu tố anten ࢀ࢞ 2,0 2,0 2,0 Sự tăng phối hợp theo chu kỳ 3,0 3,0 3,0 dB Sự tăng thêm anten ࢀ࢞ 15,0 15,0 15,0 dBi Sự tăng thêm nguồn dẫn đường -0,7 -0,7 -0,7 dB EIRP 57,3 57,3 57,3 dBm Vùng đổi trật tự cơ bản PUSC PUSC PUSC 41 Số lượng sóng mang con đang sử dụng 840 840 840 Năng lực trên sóng mang con đang sử dụng 28,1 28,1 28,1 dBm Đơn vị di động (Thiết bị cầm tay trong điều kiện trong nhà) Sự tăng ích của anten ࡾ࢞ -1,0 -1,0 -1,0 dBi Sự tăng thêm tính đa dạng anten ࡾ࢞ (2 anten) 3,0 3,0 3,0 dB Đồ hình tạp âm ࡾ࢞ 7,0 7,0 7,0 dB Các số dư Số dư giảm dần theo bản ghi thông thường 5,56 5,56 5,56 dB Số dư sự giảm âm nhanh 6,0 2,0 2,0 dB Số dư nhiễu 2,0 2,0 2,0 dB Tổn thất xuyên âm 10,0 10,0 10,0 dB Số dư tổng cộng 23,56 19,57 19,56 dB Độ nhạy ࡾ࢞ di động Tạp âm nhiệt 174 174 174 dBm/Hz Khoảng cách sóng mang con 10,94 10,94 10,94 kHz Kiểu điều chế QPSK1/8 PQSK ½ 16QAM ½ SNR yêu cầu -3,31 3,49 8,89 dB Phạm vi khoảng cách ô giới hạn 0,82 Tỷ lệ dữ liệu đường truyền DL 2,28 5,76 Mbps Độ nhạy ࡾ࢞ (trên sóng mang) -129,9 -123,2 -117,7 dBm Độ nhạy ࡾ࢞ (tổng hợp) -100,7 -93,9 -88,4 dBm Số dự trữ hệ thống 160,0 153,3 147,8 dB Tổn thất thành phần cho phép tối đa 136,4 133,7 128,2 dB Bảng 2.10: Quỹ đường truyền liên kết DL cho WiMax di động 42 Đơn vị di động (Điện thoại cầm tay trong nhà) Kênh FB Sự chỉ định đầy đủ đường truyền Đơn vị Khả năng ࢀ࢞ trên yếu tố anten 200 200 200 mW Số lượng các yếu tố anten ࢀ࢞ 1,0 1,0 1,0 Sự tăng ích anten ࢀ࢞ -1,0 -1,0 -1,0 dBi EIRP 22,0 22,0 22,0 dBm Vùng đảo trật tự Kênh FB PUSC PUSC Các sóng mang có sẵn 70 840 840 Các kênh con được xác định 60 48 144 Năng lượng trên sóng mang con đang sử dụng 3,56 3,44 -1,334 dBm Sự tăng ích anten ࡾ࢞ 15,0 15,0 15,0 dBi Sự tăng thêm đa dạng anten ࡾ࢞ 3,0 3,0 3,0 dBi Đồ hình tạp âm ࡾ࢞ 4,0 4,0 4,0 dB Số dư giảm dần bản ghi thông thường 5,56 5,56 5,56 dB Số dư sự giảm âm nhanh 4,0 2,0 2,0 dB Số dư nhiễu 3,0 3,0 3,0 dB Tổn thất xuyên âm 10,0 10,0 10,0 dB Số dư tổng cộng 22,56 20,56 20,56 dB Tạp âm nhiệt -174 -174 -174 dBm/KHz Khoảng cách sóng mang con 10,94 10,94 10,94 KHz Kiểu điều biên Ranging QPSK 1/8 PQSK 1/8 SNR yêu cầu -6,0 -2,5 -2,5 dB Phạm vi khoảng cách ô giới hạn 0,66 Tỷ lệ dữ liệu đường truyền DL 38 115 Kbps Độ nhạy ࡾ࢞ (trên sóng mang con) -135,6 -132,1 -132,1 dBm 43 Độ nhạy ࡾ࢞ (tổng hợp) -117,8 -111,1 -108,8 dBm Số dự trữ hệ thống 157,2 153,5 148,8 dB Tổn thất thành phần cho phép tối đa 134,6 133,0 128,2 dB Bảng 2.11: Quỹ đường truyền kết nối WiMax di động 2.7.2. Quỹ đường truyền WiMax di động Tính toán quỹ đường truyền dựa trên các thông số hệ thống và mô hình truyền sóng kênh tại Bảng 2.11. Giá trị 5,56 dB được sử dụng cho độ dự trữ suy hao giả định trong bảng chiếm 75% khả năng phủ sóng tại đường biên cell và 90% khả năng phủ sóng trên toàn vùng. Dự trữ nhiễu là 2 dB cho DL và 3dB cho UL với mẫu sử dụng lại tần số là (1,1,3). Dự trữ nhiễu có thể giảm xuống 0,2% cho mẫu sử dụng lại tần số (1,3,3) nhưng tại giá trị ảnh hưởng phổ tần số giảm. Độ lợi phân tập Macro là 4 dB khi hiệu chỉnh pha-đinh giả định là 0,5. Phạm vi phủ sóng một cell được ước tính từ quỹ đường truyền theo bất kỳ mô hình truyền sóng nào (như mô hình Hata hay mô hình Erceg). Mô hình Hata dựa trên kết quả thu được theo kinh nghiệm trên dải tần 2 Ghz và tiến tới dự đoán tương đối tại 2,5 GHz. Mô hình Erceg là một mô hình khác được sử dụng phổ biến dải tần số này và dự đoán được xấp xỉ 70% hoặc cao hơn. Cũng chú ý rằng, suy hao đường truyền cho phép tối đa là 128,2 dB tương ứng với tốc độ dữ liệu vùng biên cell hướng DL là 5,76 Mbps và UL là 115kbps; cao hơn tốc độ dữ liệu của hệ thống 3G. Tốc độ dữ liệu cao hơn tại vùng biên cell và tần số sóng mang cao hơn dẫn đến kích thước cell nhỏ hơn. Quỹ đường truyền tốt hơn và kích thước cell lớn hơn có thể đạt được ở các tốc độ dữ liệu ở biên cell thấp hơn như chỉ ra ở Bảng 2.10 và 2.11. 2.7.3. Hiệu suất hệ thống WiMax Mô phỏng dựa trên phương pháp ước lượng 1xEVDV được sử dụng để đánh giá hiệu suất của WiMax di động. Các thông số hệ thống của WiMax di động được miêu tả ở Bảng 2.7, 2.8, 2.9. Mô phỏng hiệu suất cho thấy hỗn hợp người sử dụng với một lượng user di động được miêu tả ở Bảng 2.12 và 2.13. 44 Kiểu kênh Đường dẫn 1 (dB) Đường dẫn 2 (dB) Đường dẫn 3 (dB) Đường dẫn 4 (dB) Đường dẫn 5 (dB) Đường dẫn 6 (dB) Bộ thu răng cưa ITU Ped B Ch – 103 -3,92 -4,82 -8,82 -11,92 -11,72 -28,72 1,2,3,4,5,6 ITU Veh A Ch - 104 -3,14 -4,14 -12,14 -13,14 -18,14 -23,14 1,2,3,4,5,6 Bảng 2.12: Các kiểu kênh đa đường cho sự mô phỏng hiệu suất Có 10 người sử dụng trên một sector. Lưu lượng được giả định trên toàn bộ tải bộ đệm FTP, và giả định tỉ lệ lập lịch hợp lý. Mỗi trạm gốc được cấu hình với ba sector và hệ số sử dụng lại tần số sector là bằng 1. Giả định rằng đánh giá kênh là lý tưởng, sự thích nghi đường truyền là thực tế. Kiểu kênh Số lượng đường Tốc độ Sự giảm âm Xác suất ấn định ITU Ped B Ch -103 6 3km/h Chấp nhận 0,60 ITU Veh A Ch – 104 6 30 km/h Chấp nhận 0,30 6 120 km/h Chấp nhận 0,10 Bảng 2.13: Mô hình kênh người dùng hỗn hợp để mô phỏng hiệu suất Tần số sóng mang cho tính toán WiMax di động là 2,5 GHz. Mào đầu khung (Preamble), MAP OH và kênh điều khiển UL là 7 ký hiệu OFDMA trong DL và 3 ký hiệu OFDMA trong UL. Một ký hiệu được chỉ định cho TTG là một tổng của 11 ký hiệu mào đầu và 37 biểu trưng dữ liệu cho cả DL và UL. Cấu hình cụ thể và những yếu tố giả định được chỉ ra ở Bảng 2.14. Hiệu suất được tính toán trong Bảng 2.15 cho một thực hiện TDD với dải thông kênh truyền là 10 MHZ, các cấu hình anten SIMO, MIMO và các tỉ lệ DL/UL tương ứng là 28:9 và 22:15. Các kết quả này chỉ ra rằng hệ thống WiMax di động có hiệu suất phổ cao. Với hai anten thu, hiệu suất phổ sector DL là khoảng 1,2 bit/sec/Hec và sector UL là 0,55 bit/sec/Hz. Với 2x2 MIMO hiệu suất phổ được cải thiện tới 50% đến 60% trong DL và khoảng 35% trong UL. Hiệu suất phổ cả bao gồm dải thông kênh truyền lớn, cung cấp thông lượng sector cao cho hệ thống WiMax di 45 động. Với 2x2 MIMO và tỉ lệ DL/UL là 3:1, thông lượng sector DL là 13,60 Mbps và thông lượng sector UL là 1,83 Mbps; với tỉ lệ DL/UL là 3:2 thông lượng sector là 10,63 Mbps và 3,05 Mbps tương ứng với DL và UL. Thông lượng dữ liệu sector cao là cần thiết cho dịch vụ dữ liệu băng thông rộng bao gồm cả video và VoIP. Cũng lưu ý rằng 11 ký hiệu mào đầu là một ước tính vừa phải cho mào đầu. Đối với hầu hết ứng dụng dữ liệu, lưu lượng là tập trung và WiMax có thể hoạt động hiệu quả hơn là với mào đầu ít hơn 11 biểu trưng. Hơn nữa, kênh con được xem xét cho trường hợp này là kênh con hoá phân tập PUSC và sự gia tăng hoạch định lựa chọn tần số không được tính toán đến trong mô phỏng. Với kênh con hóa lựa chọn tần số AMC, hiệu suất phổ có thể tăng thêm 15 đến 25%. Do đó, với hệ thống WiMax di động tối ưu thì hiệu suất phổ và thông lượng có thể được cải thiện 20 đến 30% so với kết quả được chỉ ra tại Bảng 2.15. Sự cải tiến về hiệu suất phổ trong trường hợp này được minh hoạ ở Hình 2.8 với cấu hình anten 2x2 MIMO. Các thông số Giá trị Cấu hình ô 3 vùng/ô Sử dụng lại tần số 1/3/1 Người dùng/vùng 10 Kiểu đường truyền Bộ đệm đầy đủ Đánh giá kênh Ý tưởng Trừu tượng hóa PHY EESM Bộ lập chương trình Có tỷ lệ hợp lý thuộc quyền sở hữu riêng Sự thích ứng liên kết Hiện thực với phản hồi trễ Cấu hình tanten 1x2, 2x2 Hỗ trợ MIMO DL Alamouti STC, VSM UL Cộng tác sóng mang Chuyển mạch MIMO Chuyển mạch STC/VSM thích ứng HARQ CC, 3 sự chuyển tiếp Mã hóa CTC Duy trì khung 11 ký hiệu OFDM (7 DL, 3UL, 1TTG) Ký hiệu dữ liệu khung 37 46 Sự phân chia DL/UL A 28:9 B 22:15 Bảng 2.14: Các giả định cấu hình WiMax Di động Các trường hợp DL: 28 ký hiệu dữ liệu UL: 9 ký hiệu dữ liệu DL: 22 ký hiệu dữ liệu UL: 15 ký hiệu dữ liệu Anten Liên kết Thông lượng vùng Hiệu suất quang phổ Thông lượng vùng Hiệu suất quang phổ SIMO DL 8,8 Mbps 1,21 bps/Hz 6,6 Mbps 1,09 bps/Hz UL 1,38 Mbps 0,55 bps/Hz 2,20 Mbps 0,59 bps/Hz MIMO DL 13,60 Mbps 1,87 bps/Hz 10,63 Mbps 1,76 bps/Hz UL 1,83 Mbps 0,73 bps/Hz 2,74 Mpbs 0,83 bps/Hz Bảng 2.15: Hiệu suất hệ thống di động WiMax Hình 2.9: Cải thiện hiệu suất phổ với WiMax tối ưu Một thuận lợi khác của hệ thống WiMax là khả năng cấu hình lại một cách tự động tỉ số DL/UL để đáp ứng lưu lượng mạng với sự tận dụng phổ tối đa, thông lượng sector đường xuống DL tối đa có thể lớn hơn 20Mbs và thông lượng sector đường 1.87 1.76 0.0 1.0 2.0 3.0 28:9 22:15 M bp s Tỉ lệ DL/UL MIMO hiệu quả quang phổ DL (2x2) +30% +20% Đường cơ sở 0.73 0.83 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 28:9 22:15 M bp s Tỉ lệ DL/UL MIMO hiệu quả quang phổ UL (2x2) +30% +20% Đường cơ sở 47 lên UL tối đa có thể lớn hơn 8Mbs. Với một tỉ lệ DL/UL nhất định thuộc dải từ 3:1 đến 1:1, thông lượng sector đường xuống có thể biến thiên từ 10 – 17 Mbs; thông lượng sector đường lên có thể biến thiên từ 2 – 4 Mbs. Kết quả này dựa trên cấu hình MIMO cơ bản của WiMax di động, các cải tiến hiệu suất tốt hơn có thể được thực hiện với các đặc tính cao cấp của WiMax chẳng hạn như AAS. IEEE chỉ định nghĩa các lớp vật lý và lớp điều khiển truy nhập phương tiện trong chuẩn 802.16. Cách tiếp cận này phù hợp với các 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 2GPP2 xác lập các tiêu chuẩn thông qua một phạm vị rộng lớn của các giao diện và giao thức bởi vì chúng cần không chỉ thao thao tác giữa các phần của đường truyền vô tuyến mà còn thao tác giữa các phần của nhà cung cấp, của các mạng để chuyển vùng (roaming), các mạng truy nhập có thiết bị của nhiều nhà cung cấp, đối soát cước giữa các công ty. Các nhà cung cấp và khai thác đều phải nhận ra vấn đề này và thành lập nên các nhóm làm việc chung để phát triển các mô hình khuyến nghị mạng tiêu 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 đầu cuối WiMax di động được dựa trên nền tảng IP, tất cả là mạch gói và không hề thừa kế từ mạch thoại. Điều này tạo thuận lợi cho việc giảm tổng chi phí của chủ sở hữu trong cả vòng đời phát triển của mạng WiMax. Sử dụng toàn bộ là IP có nghĩa một lõi mạng chung được sử dụng mà không cần thiết duy trì cả mạng lõi kênh và mạng lõi gói. Sự phát triển của bộ xử lý máy tính xuất hiện nhanh hơn sự phát triển của thiết bị viễn thông vì phần cứng nói chung không bị giới hạn bởi các chu kỳ thiết bị viễn thông - có xu hướng lâu dài và nặng nề. Kết quả cuối cùng là một mạng hoạt động một cách liên tục với chi phí và hiệu suất làm việc cao hơn đã đem lại thuận lợi cho nhà cung cấp thứ 3 phát triển từ truyền thông Internet. Điều này đem chi phí thấp, khả năng mở rộng cao và khả năng triển khai nhanh do tính năng mạng chính là các dịch vụ chủ yếu là các dịch vụ dựa trên phần mềm. 48 Để triển khai hệ thống thương mại hoạt động và thành công cần sự hỗ trợ ngoài đặc điểm kỹ thuật là giao diện vô tuyến 802.16 (PHY/MAC). Người lãnh đạo cần thiết được hỗ trợ về thiết lập các chức năng của mạng như một phần của toàn bộ kiến trúc hệ thống WiMax đầu cuối. Trước khi nghiên cứu một số chi tiết của kiến trúc này, cần chú ý đến một vài nguyên lý cơ bản. Kiến trúc này dựa trên nền tảng chuyển mạch kênh, bao gồm các thủ tục riêng theo tiêu chuẩn IEEE 802.16 và sự sửa đổi tương ứng, các tiêu chuẩn IEFT RFC và Ethernet phù hợp. Kiến trúc này cho phép tách đôi kiến trúc truy nhập (và các giao thức được hỗ trợ) từ dịch vụ kết nối IP. Các thành phần mạng của hệ thống kết nối là các chi tiết vô tuyến theo chuẩn IEEE 802.16. Kiến trúc này cho phép điều chỉnh linh hoạt để cung cấp một dải rộng các lựa chọn để triển khai như: - Phạm vị hẹp đến phạm vi rộng của các mạng WiMax - Các môi trường truyền sóng vô tuyến ở nông thôn, thành thị và miền núi. - Giấy phép cung cấp các băng tần. - Các topology dạng phẳng, lưới hoặc có thứ tự. - Cùng tồn tại với các mô hình sử dụng trước đó. 2.7.4 Hỗ trợ dịch vụ và ứng dụng Kiến trúc đầu cuối bao gồm sự hỗ trợ đối với: a) Thoại, dịch vụ đa phương tiện và các dịch vụ điều chỉnh uỷ nhiệm khác như dịch vụ khẩn cấp và an ninh hợp pháp. b) Truy cập tới nhiều mạng ASSP (nhà cung cấp dịch vụ) độc lập. c) Truyền thông thoại di động sử dụng VoIP d) Hỗ trợ giao diện cho nhiều loại gateway đa phương tiện cho phép phân phối dịch vụ cụ thể thông qua IP (ví dụ như: SMS qua IP, MMS, WAP). e) Hỗ trợ phân phối dịch vụ IP Multicast và Broadcast qua mạng truy cập WiMax. 2.7.5 Liên mạng và chuyển vùng (roaming) Là một chìa khoá quan trọng khác của kiến trúc mạng đầu cuối có hỗ trợ cho một số các kịch bản triển khai. Nó được hỗ trợ cho các trường hợp: a) 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 49 b) Roaming toàn cầu thông qua mạng WiMax, bao gồm các tính năng nhận thực và tính cước. c) Nhiều định dạng khả năng nhận thực người dùng như username/password, chứng thực số, Module nhận dạng thuê bao (SIM), Universal SIM (USIM) và Module nhận dạng người sử dụng di động (RUIM). Hình 2.10: Mô hình tham chiếu mạng WiMax Hình 2.10 minh họa mô hình NRM bao gồm các thực thể logic: MS, ASN, và CSN và các điểm tham chiếu nhận dạng duy nhất cho chức năng kết nỗi liên mạng của các thực thể này. Hình 2.10 cũng mô tả các điểm tham chiếu chuẩn R1-R5. Mỗi thực thể, MS, ASN và CSN biểu diễn cho một nhóm thực thể chức năng. Mỗi chức năng có thể được thực hiện trong một thiết bị vật lý riêng lẻ hoặc có thể được phân phối qua nhiều thiết bị vật lý. Các chức năng nhóm và phân phối trong các thiết bị vật lý trong phạm vi một thực thể chức năng (chẳng hạn ASN) là một lựa chọn triển khai; một nhà máy có thể chọn sản xuất bất kỳ chức năng nào, hoặc là chức năng đơn lẻ hoặc kết hợp, nhưng phải thoả mãn yêu cầu chức năng và tính liên kết nỗi mạng. Xu hướng của NRM là cho phép nhiều tuỳ chọn triển khai cho một thực thể chức năng, và đạt được tính liên kết nối mạng giữa các thực thể khác nhau. Tính liên kết nối mạng dựa trên định nghĩa các giao thức truyền thông và xử lý loại dữ liệu giữa các thực thể để đạt được chức năng tổng thể từ đầu cuối đến đầu cuối chẳng hạn như chức năng quản lý di động và bảo mật. Do vậy các thực thể chức năng ở phía kia của điểm tham chiếu đại diện một tập các điều khiển và các điểm đầu cuối trên mặt phẳng truyền. 50 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 (client), các chức năng dịch vụ kết nối WiMax và tập các chức năng của nhiều nhà cung cấp khác nhau. Việc ánh xạ các thực thể chức năng bằng các thực thể logic trong phạm vi các ASN được mô tả trong mô hình NRM có thể được thực hiện theo nhiều cách khác nhau. WiMax Forum đang trong quá trình xây dựng các tiêu chuẩn mạng theo cách có thể cho phép nhiều hình thức triển khai của các nhà cung cấp. Chính điều này tạo nên tính liên kết nối và thích hợp cho phân tập diện rộng các yêu cầu triển khai. Hình 2.11: Cấu trúc mạng WiMax trên nền IP Hình 2.11 minh hoạ các thực thể trong các nhóm chức năng của ASN Mạng dịch vụ kết nối – 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 dung và thiết bị cổng liên mạng. Một CSN có thể được triển khai như một phần của nhà cung cấp dịch vụ mạng WiMax GreenField – NSP WiMax. Các đặc tính mạng cho các hệ thống WiMax dựa trên các nguyên lý kiến trúc mạng cơ bản bao gồm: 51 - Cung cấp khả năng tách biệt logic giữa các thủ tục và đánh địa chỉ IP, thủ tục điều hành kết nối - định tuyến và các giao thức cho phép sử dụng nguyên gốc kiến trúc truy nhập trong các hình thức thực hiện liên mạng và riêng mạng, - Hỗ trợ khả năng chia sẻ ASN của nhà cung cấp NAP giữa các nhà cung cấp NSP, - Hỗ trợ dịch vụ cung cấp NSP đơn lẻ trên nhiều ASN – được quản lý bởi một hoặc nhiều NAP - Hỗ trợ khả năng phát hiện và lựa chọn NSP khả nhập bởi một MS hoặc SS - Hỗ trợ NAP để triển khai một hoặc nhiều sơ đồ mạng ASN - Hỗ trợ truy nhập dịch vụ của nhà cung cấp hiện hành thông qua các chức năng liên mạng - Đặc tính của các điểm tham chiếu mở và và xác định giữa các nhóm thực thể chức năng mạng (trong phạm vi ASN, giữa các ASN, giữa một ASN và một CSN, và giữa CSN), và giữa một MS, ASN và CSN để cho phép kết nối nhiều nhà cung cấp - Hỗ trợ các đường tiến hoá giữa các mô hình khác nhau bằng các ràng buộc và giả định kỹ thuật hợp lý; cho phép các triển khai của các nhà cung cấp khác nhau dựa trên sự kết hợp khác nhau các thực thể chức năng trên các thực thể mạng vật lý, cũng như các triển khai tương thích với các giao thức chuẩn và các thủ tục của các điểm tham chiếu khả dụng, được định nghĩa trong các đặc tính mạng. - Hỗ trợ hình thức thử để triển khai đơn lẻ một ASN cùng với một tập hữu hạn các chức năng CSN, nhờ đó nhà khai thác có thể cung cấp dịch vụ truy nhập Internet mà không cần quan tâm đến chuyển vùng (roaming) hoặc kết nối với mạng khác (interworking). Kiến trúc WiMax cũng cho phép cả dịch vụ IP và Ethernet trong một mạng tương thích IP di động chuẩn. Độ linh động và khả năng liên kết nối mà mạng WiMax hỗ trợ cung cấp cho các nhà khai thác khả khả năng triển khai mạng WiMax với chi phí thấp ngay cả khi triển khai ASN kết hợp giữa phân tập và tập trung. 2.8 Các ứng dụng, tiêu chuẩn áp dụng và tương lai của WiMax 2.8.1 Các tiêu chuẩn mở của WiMax di động Hệ thống WiMax dựa trên chuẩn giao diện IEEE 802.16, tiêu chuẩn này đã phát triển vài năm. Tuy nhiên, tiêu chuẩn IEEE không đảm bảo rằng thiết bị từ một nhà cung cấp này sẽ tương thích với thiết bị của nhà cung cấp khác. Trong diễn đàn 52 WiMax Forum, một tổ chức thương mại phi lợi nhuận bao gồm hơn 350 công ty thành viên đã tiếp tục những gì mà IEEE để lại. 2.8.2 Các ứng dụng WiMax di động Diễn đàn WiMax nhận biết một số ứng dụng cho các hệ thống dựa trên chuẩn 802.16e. Những ứng dụng này có thể bị hỏng bởi năm lớp chính. Những lớp ứng dụng này được tổng kết trong bảng dưới đây cùng với thông số về góc trễ và jitter để đảm bảo chất lượng kinh nghiệm user. Nhóm Ứng dụng Nguyên tắc thông dải Nguyên tắc góc trễ Nguyên tắc nhiễu 1 Trò chơi tương tác đa người chơi Thấp 50 Kbps Thấp <25ms N/A 2 Hội nghị hình ảnh và Voip Thấp 32-64 Kbps Thấp <160ms Thấp <50ms 3 Xếp loại phương tiện Thấp và cao 5 Kbps đến 2Mbps N/A Thấp <100ms 4 Thông báo nhãn và trình duyệt Web Trung bình 10 Kbps đến 2Mbps N/A N/A 5 Tải nội dung phương tiện Cao >2Mbps N/A N/A Bảng 2.16: Các lớp ứng dụng của WiMax 2.8.3 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 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 tần nhỏ chấp nhận cùng tồn tại với vận hành viền bên cạnh. 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 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 53 dịch vụ WiBro dựa trên công nghệ di động WiMax. Với 27 MHz của phổ dành cho mỗi nhà vận hành, dài 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 thông từ 2,5 đến 2,7 GHz sẵn sàng cho dịch vụ cố định không dây và di động của nước Mỹ. Dải thông này hiện đang sử dụng không đúng mực và tiềm năng sẵn có trong nhiều quốc gia từ Bắc Mỹ đến châu Âu cũng như một số quốc gia vùng châu Á Thái Bình Dương. Dải thông 3,3 đến 3,5 GHz cũng sử dụng cho các dịch vụ cố định không dây tại nhiều nước trên thế giới và cũng phù hợp với giải pháp của WiMax cho cả dịch vụ di động và cố định. 2.8.4 Lộ trình cho các sản phẩm WiMax Phòng thí nghiệm hệ thống WiMax được thành lập là Cetecom Labs tại Malaga, Tây Ban Nha tháng 7 năm 2005 và các sản phẩm theo chuẩn WiMax đối với các dịch vụ cố định là sẵn có và đang được triển khai trên băng tần cấp phép 3,5GHz và băng tần 5,8 GHz. Phòng thí nghiệm thứ 2 là TTA được thành lập ở Hàn Quốc. Cả hai phòng thí nghiệm này sẽ sẵn sàng hoạt động cho chứng chỉ WiMax di động phát hành 1 (release 1) vào quý 3 năm 2006 do vậy vào cuối năm 2006 sẽ cho phép triển khai các sản phẩm WiMax di động đã được chứng nhận. Diễn đàn xem xét hiệu suất di động WiMax một cách đều đặn dựa trên cơ hội của thị trường. Điều này sẽ dùng cho các dải băng tần khác, băng tần kênh và có thể bao gồm sự thay đổi FDD song công hoặc bán song công tuân theo sự cần thiết của vùng trong thị trường được lựa chọn. 54 Hình 2.12 Cung cấp một cách tiếp cận về các sản phẩm liên quan của WiMax. Hình 2.13: Biểu đồ chỉ dẫn hướng phát triển công nghệ WiMax Các thuộc tính và khả năng thực thi của WiMax di động làm nó trở thành một giải pháp thuyết phục với khả năng thực thi cao và dịch vụ không dây băng rộng chi phí thấp. Thông qua công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng trên diện rộng và kiến trúc mạng linh động, WiMax di động đang trên đường hội nhập vào thị trường toàn cầu. Công nghệ này dựa trên giao diện tiêu chuẩn mở được phát triến bởi gần 400 công ty làm nền tảng cho sự chấp nhận của thế giới và yêu cầu của thị trường rộng lớn. 55 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN MẠNG WIRELESS 802.16 3.1 Khái quát về hệ thống được thiết kế Cách nhìn tổng quan về hệ thống được thiết kế: Khi thiết kế một hệ thống cần phải tính đến rất nhiều các yếu tố, một hệ thống được triển khai có rất nhiều vấn đề tưởng như riêng rẽ độc lập nhưng lại có sự liên quan với nhau. Đơn cử như để lựa chọn vị trí đặt thiết bị phát sóng sẽ liên quan đến các yếu tố: chi phí, tầm phủ sóng, công suất cần thiết của hệ thống, tầm phủ sóng và lưu lượng chịu ảnh hưởng của việc lựa chọn thiết bị phát sóng và tần số hoạt động. Do đó một phần nào ta có thể hình dung được mức độ phức tạp khi thiết kế một hệ thống lớn. Để đơn giản hóa những vấn đề trên, ở phần này em xin trình bày từng vấn đề riêng biệt với những giải pháp riêng. 3.1.1 Vị trí và cân nhắc vị trí thực Vấn đề đầu tiên khi xây dựng một hệ thống là ta cần biết hệ thống được triển khai ở đâu, phủ sóng cho khu vực nào và công suất cần thiết là bao nhiêu. Càng nhiều thông số được xác định chính xác càng tốt. Các bản thiết kế, sơ đồ hoặc tài liệu liên quan đến cấu trúc hiện tại của tòa nhà,v.v... sẽ có hữu ích trong việc ước lượng lưu lượng vùng phủ sóng... Trong một vùng phủ sóng có rất nhiều trạm phát sóng được đặt ở những vị trí khác nhau, ta phải lựa chọn vị trí nào tập trung các trạm phát sóng để đạt được kết quả tốt nhất theo một quan điểm thiết kế RF Do đó người thiết kế phải tìm hiểu các đặc tính hoạt động của thiết bị. Để lập một sơ đồ thiết kế cho một hệ thống, người thiết kế cần phải tìm ra câu trả lời cho những câu hỏi sau: + Độ dự trữ suy hao cần thiết cho hệ thống là bao nhiêu? + Mức độ suy hao hệ thống cần khắc phục được là bao nhiêu? + Thiết bị của người sử dụng được gắn ở bên ngoài có anten có độ tăng ích cao hay không? 56 Bởi vì khi truyền sóng vô tuyến xảy ra hiệu ứng đa đường, tín hiệu bị phản xạ và tán xạ hay còn gọi là hiện tượng pha-đinh.Thông thường độ dự trữ pha-đinh cho hệ thống từ 8 đến 10 dB. Nếu tại phía thu, thiết bị được đặt trong tòa nhà (indoor) thì bản thân tòa nhà đó là nguyên nhân gây suy hao. Một số giá trị suy hao tương ứng : 5 đến 7 dB nếu vật liệu là gỗ; cho tới trên 25 dB nếu như tòa nhà đó được thiết kế gồm các vật liệu là k