Đề tài Tìm hiểu công nghệ WiMAX

MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT MỤC LỤC CÁC BẢNG MỤC LỤC HÌNH ẢNH MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG WIMAX 13 1.1. WiMAX là gì? 13 1.2. Các chuẩn của WiMAX 16 1.2.1. Chuẩn IEEE 802.16-2001...................................................................... 16 1.2.2. Chuẩn IEEE 802.16a........................................................................... 17 1.2.3. Chuẩn IEEE 802.16-2004............................................. 18 1.2.4. Chuẩn IEEE 802.16e......... 18 1.3. Phổ WiMAX 19 1.3.1. Băng tần đăng ký........................... 19 1.3.2. Băng tần không dăng ký.. 20 1.3.3. Các băng tần được đề xuất cho WiMAX trên thế giới........... 20 1.3.4. Các băng tần ở Việt Nam có khả năng dành cho WiMAX............. 21 1.4. Truyền sóng 23 1.4.1. Công nghệ OFDM.. 24 1.4.2. Công nghệ OFDMA........... 25 1.4.3. Điều chế thích nghi......... 26 1.4.4. Công nghệ sửa lỗi..... 27 1.4.5. Điều khiển công suất........................ 27 1.4.6. Các công nghệ vô tuyến tiên tiến.... 27 1.5. So sánh WiMAX với WiFi và 3G. 28 1.5.1. WiFi 29 1.5.2. 3G 29 1.6. Kết luận 31 Chương 2: CÁC KĨ THUẬT SỬ DỤNG TRONG WiMAX 32 2.1. Kĩ thuật OFDM 32 2.1.1. Sự ảnh hưởng của môi trường đến việc truyền dẫn.................... 32 2.1.2. Đa sóng mang..... 32 2.1.3. Công nghệ OFDM với khả năng hạn chế nhiễu......... 34 2.1.4. Sự trực giao (Orthogonal)................................................ 37 2.1.5. Trực giao miền tần số........................................... 38 2.1.6. Tạo và thu OFDM................... 39 2.1.7. Điều chế tải phụ................................................................. 39 2.1.8. Các sơ đồ điều chế.. 40 2.1.9. Khoảng bảo vệ (GUARD PERIOD)..................... 41 2.1.10. Bảo vệ chống lại ISI.. 42 2.1.11. Độ dịch Doppler.. 43 2.1.12. Tạo kí hiệu OFDM... 44 2.1.13. Mô tả kí hiệu OFDM... 45 2.1.14. Các thông số và tín hiệu được phát của kí hiệu OFDM........ 46 2.1.15. Cấu trúc khung... 48 2.2. Kĩ thuật OFDMA cho mạng WiMAX 49 2.2.1. Nguyên lý cơ bản................................................ 50 2.2.2. Những đặc tính vượt trội.............................. 50 2.2.3. Các giao thức OFDMA................ 51 2.2.4. Cấu trúc kí hiệu OFDMA và phân kênh con...... 53 2.2.5. OfDMA theo tỉ lệ (scalable)........................ 55 2.2.6. Cấu trúc khung TDD............... 56 2.2.7. Tổng quát về khung (Frame).............................. 57 2.2.8. Các thành phần trong khung (Frame Parts)............................. 58 2.3. Kết luận chương 59 Chương 3: ĐẶC ĐIỂM CÔNG NGHỆ WiMAX 60 3.1. WiMAX cố định – IEEE 802.16d-2004 60 3.1.1. Lớp MAC........... 60 3.1.2. Lớp PHY.. 69 3.2. WiMAX di động – IEEE 802.16e- 2005 75 3.2.1. Lớp PHY........... 75 3.2.2. Lớp MAC.. 81 3.3. Kết luận chương 86 Chương 4: ỨNG DỤNG ...87 4.1. Các vấn đề cần quan tâm khi thiết kế mạng WiMAX 87 4.1.1. Mô hình triển khai WiMAX với các yêu cầu truy cập di đông... 87 4.1.2. Mô hình triển khai WiMAX với các yêu cầu truy cập cố định... 88 4.1.3. Các vấn đề kĩ thuật cần quan tâm khi thiết kế và triển khai mạng WiMAX........... 90 4.2. Tình hình ứng dụng WiMAX ở Việt Nam 115 4.2.1. Ưu điểm 115 4.2.2. Thách thức 116 4.2.3. Tình hình thực tế 118 4.3. Xu hướng của WiMAX trong thời gian tới trên qui mô thế giới 126 4.4.Tiềm năng cho WiMAX ở Việt Nam 128 4.4.1.WiMAX cố định.......................... 128 4.4.2.WiMAX di động.... 128 KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AAS adaptive antena system Hệ thống anten thích nghi AK Authorization key Khoá Cấp phép BE Best effort Cố gắng tối đa BER Bit error ratio Tỷ lệ lỗi bit BNI Base station network interface Giao diện giữa trạm gốc và mạng BS Base station Trạm gốc BW Bandwidth Băng thông BWA Broadband wireless access Truy nhập không dây băng rộng CDMA code division multiple access Đa truy nhập chia mã CA Certification authority Quyền Chứng thực CP Cyclic Prefix Tiền tố Tuần hoàn CPE Customer Premise Equipment Thiết bị đầu cuối thuê bao CPS Common part sublayer Lớp con phần chung CRC Cyclic redundancy check Kiểm tra vòng dư CS Convergence sublayer Lớp con hội tụ DES Data encryption standard Tiêu chuẩn mật mã dữ liệu DFS Dynamic frequency selection Lựa chọn tần số động DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc DHCP Dynamic host configuration protocol Thủ tục cấu hình chủ không cố định DL Downlink Hướng xuống EC Encryption control Điều khiển mật mã ECB Electronic code book Bảng mật mã điện tử EDE Encrypt-Decrypt-Encrypt Mật mã-giải mã-mật mã FEC Forward Error Correction Mã hóa sử lỗi trước ETSI European Telecommunications Standard Institute Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu FBSS Fast Base Station Switching Chuyển đổi trạm gốc nhanh FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia tần số FDD Frequency division duplex Song công chia tần số FEC Forward error correction Sửa lỗi hướng đi FFT Fast Fourier transform Biến đổi Fourier nhanh FSS Fixed satellite service Dịch vụ vệ tinh cố định FWA Fixed wireless access Truy nhập không dây cố định GPS Global positioning satellite Vệ tinh định vị toàn cầu H-FDD Half-duplex FDD FDD bán song công HHO Hard Handoff Chuyển vùng cứng IE Information element Phần tử thông tin IETF Internet Engineering Task Force Tổ chức kỹ sư thiết kế Internet IDFT Inverse Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc ngược IFFT Inversion Fast Fourier transform Biến đổi Fourier ngược nhanh IP Internet Protocol Thủ tục Internet ITU International Telecommunications Union Hiệp hội viễn thông Quốc tế KEK Key encryption key Khoá Mật mã Khoá LAN Local area network Mạng nội bộ LMDS Local multipoint distriution service Dịch vụ phân phối đa điểm nội hạt LOS Line of sight Tia trực xạ MAC Medium access control layer Lớp điều khiển truy nhập môi trường MAN Metropolitan area network Mạng khu vực thành phố MDHO Macro Diversity Handover Chuyển giao đa dạng riêng MIMO Multi input Multi output Đa đường vào đa đường ra MMDS Multichannel multipoint distribution service Dịch vụ phân phối đa điểm đa kênh MPEG Moving Picture Experts Group Nhóm chuyên gia nghiên cứu ảnh động NCFG Network configuration Cấu hình mạng NLOS Non line of sight Tia không trực xạ nrtPS Non-real-time polling service Dịch vụ thăm dò không thời gian thực OFDM Orthogonal frequency division multiplexing Ghép kênh chia tần số trực giao OFDMA Orthogonal frequency division multiple access Đa truy nhập chia tần số trực giao PARP Peak-to Average Power Ratio Công suất tương đối cực đại PCMCIA Personal Computer Memory Card International Association Hiệp hội quốc tế về tấm mạch nhớ của máy tính cá nhân PDA Personal Digital Assistant Thiết bị vụ số cá nhân PDH Plesiochronous digital hierarchy Phân cấp số cận đồng bộ PDU Protocol data unit Đơn vị dữ liệu thủ tục PER Packet Error Rate Tỷ lệ lỗi gói PHY Physical layer Lớp vật lý PKM Privacy key management Quản lý khoá riêng PMP Point - to – multipoint Điểm đa điểm PPP Point-to-Point Protocol Thủ tục điểm-điểm QAM Quadrature amplitude modulation Điều chế biên độ cầu phương QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ QPSK Quadrature phase-shift keying Khoá dịch pha cầu phương REQ Request Yêu cầu rtPS Real-time polling service Dịch vụ thăm dò thời gian thực Rx Reception Thu SA Security association Tập hợp bảo mật SAID Security association identifier Bộ nhận dạng tập hợp bảo mật SAP Service access point Điểm truy nhập dịch vụ SAR Synthetic aperture radar Rada khe hở nhân tạo SC Single carrier Kênh mang đơn SDH Synchronous Digital Hierarchy Phân cấp số đồng bộ SDU Service data unit Đơn vị dữ liệu dịch vụ SF Service flow Luồng dịch vụ SFID Service Flow Identifier Bộ Nhận dạng Luồng Dịch vụ SNMP Simple Network Management Protocol Thủ tục quản lý mạng đơn giản SNR Signal-to-noise ratio Tỷ lệ tín hiệu/tạp âm SS Subscriber Station Trạm thuê bao STC Space time coding Mã thời gian không gian TDD Time division duplex Song công chia thời gian TDM Time division multiplex Ghép kênh chia thời gian TDMA Time division multiple access Đa truy nhập phân chia thời gian TEK Traffic encryption key Khoá mật mã lưu lượng Tx Transmission Truyền dẫn UGS Unsolicited grant service Dịch vụ cấp phát tự nguyện UL Uplink Hướng lên MỤC LỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1: So sánh các chuẩn IEEE 802.16 .............................................19 Bảng 1.2: So sánh WiMAX di động và 3G ...........................................31 Bảng 2.1: Mã Gray ...............................................................................41 Bảng 2.2: Các thông số lớp PHY OFDM-256 .....................................48 Bảng 2.3: Tham số vật lý của OFDMA .................................................51 Bảng 2.4: Các thông số S-OFDMA ......................................................55 Bảng 3.1: Các loại khoá bảo mật sử dụng trong IEEE 802.16-2004 ...69 Bảng 3.2: Mã sửa lỗi đối với các phương thức điều chế ....................... 71 Bảng 3.3: Kích cỡ khối bit xen kẽ ........................................................72 Bảng 3.4: Các phương thức điều chế và Mã hóa được hỗ trợ trong 802.16e .................................................................................78 Bảng 3.5: Tốc độ dữ liệu lớp PHY Mobile WiMAX ..........................79 Bảng 3.6: Các dịch vụ WiMAX di động và QoS ................................ 83 Bảng 4.1: Phân bổ tần số cho các công nghệ không dây .....................91 Bảng 4.2 Tốc độ dữ liệu cho các cấu hình SIMO/MIMO ...................106 MỤC LỤC HÌNH ẢNH Trang Hình 1.1 Mô hình mạng WiMAX ................................………………13 Hình 1.2 Lộ trình công nghệ WiMAX ............................................. ….14 Hình 1.3. Minh họa họat động WiMAX ........................…………….24 Hình 1.4. So sánh FDM và OFDM............................ …………………25 Hình 1.5. OFDM với 256 sóng mang .........................………………..25 Hình 1..6. Các kênh con trong OFDMA...... ………………………….26 Hình 1.7. Bán kính cell quan hệ với điều chế thích nghi …………….26 Hình 1.8. MISO ............................……………………………………28 Hình 1.9 MIMO ..................................………………………………..28 Hình 2.1: Suy giảm tín hiệu theo khoảng cách........... ………………..32 Hình 2.2. Sự tạo ra tín hiệu OFDM……............................. ………….33 Hình 2.3. FDM thông thường và OFDM…......................... ………….33 Hình 2.4: So sánh sóng mang của OFDM với các hình thức truyền thống......................................................... …………35 Hình 2.5: OFDM phát và thu......................................... ……………..36 Hình 2.6. Tích của hai vectơ trực giao bằng 0……….................. ……37 Hình 2.7.Tích phân của hai sóng sin khác tần số ……………………38 Hình 2.8. Tích phân của hai sóng sin cùng tần số …………………..38 Hình 2.9. Sơ đồ khối của thiết bị đầu cuối OFDM …………………..39 Hình 2.10. Ví dụ chòm điểm (constellation) điều chế IQ, 16 – QAM, với mã gray dữ liệu tới mỗi vị trí………………….40 Hình 2.11. Giản đồ IQ của 16QAM khi dùng mã Gray ………….. 41 Hình 2.12.Chèn khoảng thời gian bảo vệ cho mỗi ký hiệu OFDM …..42 Hình 2.13. Chức năng của khoảng bảo vệ chống lại ISI …………….43 Hình 2.14. Hiệu ứng của độ lệch Doppler ……………………………44 Hình 2.15 Bộ phát OFDM 4 sóng mang .. ……………………………45 Hình 2.16 Cấu trúc miền thời gian của ký hiệu OFDM . …………….45 Hình 2.17 Mô tả tần số OFDM..................................... ……………..46 Hình 2.18. Cấu trúc khung 802.16 OFDM…………...................... …..49 Hình 2.19. Sự sắp xếp theo hai chiều trong OFDMA……………....... 50 Hình 2.20.Sự so sánh OFDM và OFDMA………………....................51 Hình 2.21 Cấu trúc sóng mang con OFDMA……………………….... 53 Hình 2.22.Kênh con phân tập tần số DL……………………………... 54 Hình 2.23. Cấu trúc tile cho UL PUSC……………………………..... 55 Hình 2.24. Cấu trúc khung 802.16e OFDMA....................................... 57 Hình 2.25. Cấu trúc khung OFDMA………………………………..... 58 Hình 3.1 Quá trình phân loại MAC SDU ............................................. 61 Hình 3.2 Cấu trúc của MAC PDU........................................................ 63 Hình 3.3 Quá trình truyền-nhận ........................................................... 70 Hình 3.4 Quá trình xen kẽ ................................................................... 71 Hình 3.5 Cấu trúc khung TDD ............................................................. 73 Hình 3.6 Cấu trúc khung con đường xuống TDD ............................... 74 Hình 3.7 Cấu trúc khung con đường lên TDD ..................................... 75 Hình 3.8 OFDM và OFDMA ............................................................... 77 Hình 3.9 Hiệu ứng kênh con hoá (sub channelization) ........................ 77 Hình 3.10: Điều chế thích nghi và mã hóa dựa trên khoảng cách với BS..78 Hình 3.11: Cơ chế yêu cầu lặp lại khi lỗi xảy ra ................................ 80 Hình 3.12: Hỗ trợ QoS trong Mobile WiMAX ................................... 82 Hình 4.1: Ứng dụng đa dạng của Mobile WiMAX ..............................89 Hình 4.2: Hai chế độ song công TDD và FDD .................................... 91 Hình 4.3: Cấu trúc khung WiMAX OFDM ..........................................93 Hình 4.4: Minh họa khung OFDMA với cấu trúc đa vùng .................. 94 Hình 4.5: Mô hình tái sử dụng tần số .................................................. 98 Hình 4.6: Phân đoạn tần số trong một cell ........................................... 99 Hình 4.7: Phân đoạn tái sử dụng tần số trong một site gồm 3 cell ....... 100 Hình 4.8: Vùng phủ sóng của Sector Antenna ..................................... 101 Hình 4.9: Vùng phủ sóng của Omni Antenna ...................................... 101 Hình 4.10: CPE với Anten tích hợp bên trong ..................................... 102 Hình 4.11: CPE với Anten ngoài .......................................................... 102 Hình 4.12: Công nghệ tạo chùm tia đơn .............................................. 103 Hình 4.13: Mã hóa không gian – thời gian ......................................... 104 Hình 4.14: Hệ thống Anten MIMO ...................................................... 105 Hình 4.15: Hệ thống Anten MIMO 4x4 ............................................... 106 Hình 4.16: Chuyển mạch thích ứng cho Anten thông minh ................ 107 Hình 4.17: Chuyển giao cứng HHO .................................................... 109 Hình 4.18: Chuyển trạm gốc nhanh (FBSS) ........................................ 110 Hình 4.19: Chuyển giao phân tập MDHO ............................................ 111 Hình 4.20: Trung tâm quản lý mạng WiMAX ..................................... 112 Hình 4.21: Sơ đồ kết nối của mạng WiMAX ....................................... 114 Hình 4.22: Toàn cảnh thung lũng Tả Van ........................................... 120 Hình 4.23: Hình ảnh về thiết bị trạm gốc BS được lắp trên nóc nhà điểm BĐVHX ............................................. 122 Hình 4.24: Hình ảnh thực tế thiết bị Out door phía khách hàng ........... 123 Hình 4.25 Hình ảnh người dân Tả Van truy cập Internet .................... 123 Hình 4.26 WiMAX trên taxi........................................... .................... 127 MỞ ĐẦU *** Ngày nay nhu cầu thông tin liên lạc của con người ngày càng cao, nhất là đối với các thiết bị không dây tốc độ cao, băng thông rộng như điện thoại không dây, internet không dây... để mọi người có thể liên lạc với nhau ở mọi lúc, mọi nơi và quan trọng hơn là việc mở rộng dân trí cho người dân ở các vùng xa xôi hẻo lánh trên đất nước ta, nơi mà cơ sở hạ tầng viễn thông chưa đến được. Hiện nay đã có rất nhiều hệ thống mạng không dây ra đời như là WiFi, bluetooth... và một trong số đó có thể đáp ứng được nhu cầu trên là WiMax. WiMAX chủ yếu cung cấp dịch vụ internet không dây với giá thành rẻ, tốc độ truyền cao kết nối đến các thiết bị đầu cuối trong một khoảng cách truyền lớn. Hiện nay, ở nước ta WiMAX đang được thử nghiệm ở tỉnh miền núi như: Lào Cai,Cao Bằng. Mặc dù có những khó khăn bước đầu, nhưng em tin với sự đầu tư đúng hướng của Đảng và nhà nước dành cho Wimax thì nó sẽ được phát triển ra toàn quốc. Tuy nhiên, việc triển khai hệ thống còn gặp nhiều khó khăn do nhiều nguyên nhân khách quan cũng như chủ quan. Vì vậy, em chọn đề tài “ tìm hiểu công nghệ WiMAX ”. Trong giới hạn đồ án này, em đã tìm hiểu kĩ thuật và những khó khăn của công nghệ WiMAX khi áp dụng rộng rãi ở nước ta. Đồ án gồm có bốn chương: Chương 1: Tổng quan về hệ thống WiMAX. Chương 2: Các kĩ thuật sử dụng trong WiMAX Chương 3: Đặc điểm công nghệ WiMAX. Chương 4: Ứng dụng. Để hoàn thành đồ án này em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của thầy Nguyễn Quốc Trung và các thầy cô giáo trong Khoa Kĩ thuật – Công nghệ, trường đại học Qui Nhơn. Đồ án còn nhiều thiếu sót, mong các thầy cô và các bạn nhiệt tình góp ý để đồ án được hoàn thiện. Qui nhơn, tháng 6 năm 2009 Sinh viên Trần Thiện Tôn Chương I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG WiMAX 1.1 WiMAX là gì ? WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) là một công nghệ không dây băng rộng, hỗ trợ khả năng kết nối băng thông rộng tốc độ cao cho cả mạng cố định lẫn mạng không dây di động. Hai phiên bản của WiMAX đã được IEEE đưa ra như sau: Hình 1.1 Mô hình mạng WiMAX ü Fixed WiMAX (WiMAX cố định): Dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004, được thiết kế thích hợp cho dạng truy nhập cố định. Trong phiên bản này sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonnal Frequency Division Multiple) hoạt động trong cả môi trường nhìn thẳng – LOS (line-of-sight) và không nhìn thẳng – NLOS (Non-line-of-sight). Sản phẩm dựa trên tiêu chuẩn này hiện tại đã được cấp chứng chỉ và thương mại hóa. ü Mobile WiMAX (WiMAX di động): dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.16e, hỗ trợ cho dạng di động, cung cấp khả năng chuyển vùng – handoff và chuyển mạng – roaming. Tiêu chuẩn này sử dụng phương thức đa truy cập ghép kênh chia tần số trực giao OFDMA (Orthogonnal Frequency Division Multiple Access) – là sự phối hợp của kỹ thuật ghép kênh và kỹ thuật phân chia tần số có tính chất trực giao, rất phù hợp với môi trường truyền dẫn đa đường nhằm tăng thông lượng cũng như dung lượng mạng, tăng độ linh hoạt trong việc quản lý tài nguyên, tận dụng tối đa phổ tần, cải thiện khả năng phủ sóng với các loại địa hình đa dạng. Phiên bản này đã được hợp chuẩn năm 2005. Lộ trình công nghệ WiMAX có thể hình dung qua hình vẽ sau: Hình 1.2 Lộ trình công nghệ WiMAX WiMAX đã được phát triển và khắc phục được những nhược điểm của các công nghệ truy cập băng rộng trước đây, cụ thể: Cấu trúc mềm dẻo: WiMAX hỗ trợ các cấu trúc hệ thống bao gồm điểm – đa điểm, công nghệ lưới (mesh) và phủ sóng khắp mọi nơi. Điều khiển truy nhập môi trường – MAC, phương tiện truyền dẫn hỗ trợ điểm – đa điểm và dịch vụ rộng khắp bởi lập lịch một khe thời gian cho mỗi trạm di động (MS). Nếu có duy nhất một MS trong mạng, trạm gốc (BS) sẽ liên lạc với MS trên cơ sở điểm – điểm. Một BS trong một cấu hình điểm – điểm có thể sử dụng anten chùm hẹp hơn để bao phủ các khoảng cách xa hơn. Chất lượng dịch vụ QoS: WiMAX có thể được tối ưu động đối với hỗn hợp lưu lượng sẽ được mang. Có 4 loại dịch vụ được hỗ trợ: dịch vụ cấp phát tự nguyện (UGS), dịch vụ hỏi vòng thời gian thực (rtPS), dịch vụ hỏi vòng không thời gian thực (nrtPS), nỗ lực tốt nhất (BE). Triển khai nhanh, chi phí thấp: So sánh với triển khai các giải pháp có dây, WiMAX yêu cầu ít hoặc không có bất cứ sự xây dựng thiết lập bên ngoài. Ví dụ, đào hố để tạo rãnh các đường cáp thì không yêu cầu. Ngoài ra, dựa trên các chuẩn mở của WiMAX, sẽ không có sự độc quyền về tiêu chuẩn này, dẫn đến việc cạnh tranh của nhiều nhà sản xuất, làm cho chi phí đầu tư một hệ thống giảm đáng kể. Dịch vụ đa mức: Cách thức nơi mà QoS được phân phát nói chung dựa vào sự thỏa thuận mức dịch vụ (SLA - Service-Level Agreement) giữa nhà cung cấp dịch vụ và người sử dụng cuối cùng. Chi tiết hơn, một nhà cung cấp dịch vụ có thể cung cấp các SLA khác nhau tới các thuê bao khác nhau, thậm chí tới những người dùng khác nhau sử dụng cùng MS. Cung cấp truy nhập băng rộng cố định trong những khu vực đô thị và ngoại ô, nơi chất lượng cáp đồng thì kém hoặc đưa vào khó khăn, khắc phục thiết bị số trong những vùng mật độ thấp nơi mà các nhân tố công nghệ và kinh tế thực hiện phát triển băng rộng rất thách thức. Tính tương thích: WiMAX được xây dựng để trở thành một chuẩn quốc tế, tạo ra sự dễ dàng đối với người dùng cuối cùng để truyền tải và sử dụng MS của họ ở các vị trí khác nhau, hoặc với các nhà cung cấp dịch vụ khác nhau. Tính tương thích bảo vệ sự đầu tư của một nhà vận hành ban đầu vì nó có thể chọn lựa thiết bị từ các nhà đại lý thiết bị. Di động: IEEE 802.16e bổ sung thêm các đặc điểm chính hỗ trợ khả năng di động. Những cải tiến lớp vật lý OFDM (ghép kênh phân chia tần số trực giao) và OFDMA (đa truy nhập phân chia tần số trực giao) để hỗ trợ các thiết bị và các dịch vụ trong một môi trường di động. Những cải tiến này, bao gồm OFDMA mở rộng được, MIMO (Multi In Multi Out - nhiều đầu vào nhiều đầu ra), và hỗ trợ đối với chế độ idle/sleep và handoff, sẽ cho phép khả năng di động đầy đủ ở tốc độ tới 160 km/h. Mạng WiMAX di động cho phép người sử dụng có thể truy cập Internet không dây băng thông rộng tại bất cứ đâu có phủ sóng WiMAX. Hoạt động NLOS: Khả năng hoạt động của mạng WiMAX mà không đòi hỏi tầm nhìn thẳng giữa BS và MS. Khả năng này của nó giúp các sản phẩm WiMAX phân phát dải thông rộng trong một môi trường NLOS. Phủ sóng rộng hơn: WiMAX hỗ trợ động nhiều mức điều chế, bao gồm BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM. Khi yêu cầu với bộ khuếch đại công suất cao và hoạt động với điều chế mức thấp (ví dụ BPSK hoặc QPSK). Các hệ thống WiMAX có thể phủ sóng một vùng địa lý rộng khi đường truyền giữa BS và MS không bị cản trở. Mở rộng phạm vi bị giới hạn hiện tại của WLAN công cộng (hotspot) đến phạm vi rộng (hotzone). Ở những điều kiện tốt nhất có thể đạt được phạm vi phủ sóng 50 km với tốc độ dữ liệu bị hạ thấp (một vài Mbit/s), phạm vi phủ sóng điển hình là gần 5 km với CPE (NLOS) trong nhà và gần 15km với một CPE được nối với một anten bên ngoài (LOS). Dung lượng cao: Có thể đạt được dung lượng 75 Mbit/s cho các trạm gốc với một kênh 20 MHz trong các điều kiện truyền sóng tốt nhất. Tính mở rộng: Chuẩn 802.16 -2004 hỗ trợ các dải thông kênh tần số vô tuyến (RF) mềm dẻo và sử dụng lại các kênh tần số này như là một cách để tăng dung lượng mạng. Chuẩn cũng định rõ hỗ trợ đối với TPC (điều khiển công suất phát) và các phép đo chất lượng kênh như các công cụ thêm vào để hỗ trợ sử dụng phổ hiệu quả. Chuẩn đã được thiết kế để đạt tỷ lệ lên tới hàng trăm thậm chí hàng nghìn người sử dụng trong một kênh RF. Hỗ trợ nhiều kênh cho phép các nhà chế tạo thiết bị cung cấp một phương tiện để chú trọng vào phạm vi sử dụng phổ và những quy định cấp phát được nói rõ bởi các nhà vận hành trong các thị trường quốc tế thay đổi khác nhau. Bảo mật: Bằng cách mã hóa các liên kết vô tuyến giữa BS và MS, sử dụng chuẩn mã hóa tiên tiến AES, đảm bảo sự toàn vẹn của dữ liệu trao đổi qua giao diện vô tuyến. Cung cấp cho các nhà vận hành với sự bảo vệ mạnh chống lại những hành vi đánh cắp dịch vụ. 1.2 Các chuẩn của WiMAX 1.2.1 Chuẩn IEEE 802.16-2001. Chuẩn IEEE 802.16-2001 được hoàn thành vào tháng 10/2001 và được công bố vào 4/2002, định nghĩa đặc tả kỹ thuật giao diện không gian WirelessMAN™ cho các mạng vùng đô thị. Đặc điểm chính của IEEE 802.16 – 2001: Giao diện không gian cho hệ thống truy nhập không dây băng rộng cố định họat động ở dải tần 10 – 66 GHz, cần thỏa mãn tầm nhìn thẳng. Lớp vật lý PHY: WirelessMAN-SC. Tốc độ bit: 32 – 134 Mbps với kênh 28 MHz. Điều chế QPSK, 16 QAM và 64 QAM. Các dải thông kênh 20 MHz, 25 MHz, 28 MHz. Bán kính cell: 2 – 5 km. Kết nối có định hướng, MAC TDM/TDMA, QoS, bảo mật. 1.2.2 Chuẩn IEEE 802.16a. Vì những khó khăn trong triển khai chuẩn IEEE 802.16, hướng vào việc sử dụng tần số từ 10 – 66 GHz, một dự án sửa đổi có tên IEEE 802.16a đã được hoàn thành vào tháng 11/2002 và được công bố vào tháng 4/2003. Chuẩn này được mở rộng hỗ trợ giao diện không gian cho những tần số trong băng tần 2–11 GHz, bao gồm cả những phổ cấp phép và không cấp phép và không cần thoả mãn điều kiện tầm nhìn thẳng. Đặc điểm chính của IEEE 802.16a như sau: Bổ sung 802.16, các hiệu chỉnh MAC và các đặc điểm PHY thêm vào cho 2 – 11 GHz (NLOS). Tốc độ bit: tới 75Mbps với kênh 20 MHz. Điều chế OFDMA với 2048 sóng mang, OFDM 256 sóng mang, QPSK, 16 QAM, 64 QAM. Dải thông kênh có thể thay đổi giữa 1,25MHz và 20MHz. Bán kính cell: 6 – 9 km. Lớp vật lý PHY: WirelessMAN-OFDM, OFDMA, SCa. Các chức năng MAC thêm vào: hỗ trợ PHY OFDM và OFDMA, hỗ trợ công nghệ Mesh, ARQ. 1.2.3. Chuẩn IEEE 802.16-2004. Tháng 7/2004, chuẩn IEEE 802.16 – 2004 hay IEEE 802.16d được chấp nhận thông qua, kết hợp của các chuẩn IEEE 802.16 – 2001, IEEE 802.16a, ứng dụng LOS ở dải tần số 10- 66 GHz và NLOS ở dải 2- 11 GHz. Khả năng vô tuyến bổ sung như là “beam forming” và kênh con OFDM. 1.2.4. Chuẩn IEEE 802.16e. Đầu năm 2005, chuẩn không dây băng thông rộng 802.16e với tên gọi  Mobile WiMax đã được phê chuẩn, cho phép trạm gốc kết nối tới những thiết bị đang di chuyển. Chuẩn này giúp cho các thiết bị từ các nhà sản xuất này có thể làm việc, tương thích tốt với các thiết bị từ các nhà sản xuất khác. 802.16e họat động ở các băng tần nhỏ hơn 6 GHz, tốc độ lên tới 15 Mbps với kênh 5 MHz, bán kính cell từ 2 – 5 km. WiMAX 802.16e có hỗ trợ handoff và roaming. Sử dụng SOFDMA, một công nghệ điều chế đa sóng mang. Các nhà cung cấp dịch vụ mà triển khai 802.16e cũng có thể sử dụng mạng để cung cấp dịch vụ cố định. 802.16e hỗ trợ cho SOFDMA cho phép số sóng mang thay đổi, ngoài các mô hình OFDM và OFDMA. Sự phân chia sóng mang trong mô hình OFDMA được thiết kế để tối thiểu ảnh hưởng của nhiễu phía thiết bị người dùng với anten đa hướng. Cụ thể hơn, 802.16e đưa ra hỗ trợ cải tiến hỗ trợ MIMO và AAS, cũng như các handoff cứng và mềm. Nó cũng cải tiến các khả năng tiết kiệm công suất cho các thiết bị di động và các đặc điểm bảo mật linh hoạt hơn. Với những đặc điểm và sự phát tiển của các chuẩn IEEE802.16 nói trên, ta có thể nhận thấy được sự khác nhau cơ bản cũng như tính kế thừa của các chuẩn này. Bảng 1.1: So sánh các chuẩn IEEE 802.16 802.16 802.16-2004 802.16e Dải tần số 10-66GHz <11GHz <6GHz Môi trường truyền Line of Sight (LOS) Non Line of Sight (NLOS) NLOS Tốc độ 32-144Mbps Up to 70 Mbps 10M – 30M Điều chế Điều chế đơn sóng mang QPSK OFDM 256 sóng mang con QPSK,16QAM,64QAM S-OFDMA QPSK, 16 QAM, 64 QAM Mức di động Cố định Cố định Có thể cho tốc độ di chuyển thấp Băng thông kênh 20,25,28MHz 5- trên 20MHz 1.25-20 MHz Bán kính cell 1.7-5km 5 tới 10km; tối đa 50 km tùy thuộc vào điều kiện truyền 1.7-5km Hiện nay, IEEE vẫn đang nghiên cứu và đưa ra các chuẩn 802.16 mới nhằm hoàn thiện chuẩn này. Ví dụ như: IEEE 802.16f-2005, IEEE802.16g-2007 bổ sung cho thủ tục quản lý kế hoạch và dịch vụ, IEEE 802.16k-2007; IEEE 802.16-2009 củng cố tiêu chuẩn IEEE 802,16-2.004, 802.16e-2005 và 802.16-2004/Cor1-2005, 802.16f-2005, và 802.16g-2007. 1.3. Phổ WiMAX. WiMAX – thiết bị mềm dẻo sẽ được phép hoạt động trong cả hai dải được đăng ký và không được đăng ký. 1.3.1 Băng tần đăng ký Các giải pháp đăng ký cung cấp các ưu điểm chất lượng dịch vụ được cải thiện cao hơn các giải pháp không đăng ký, chấp nhận NLOS tốt hơn ở các tần số thấp, nó có một ngân qũy công suất đường xuống rộng hơn và có thể hỗ trợ các anten trong nhà tốt hơn. Giải pháp đăng ký cho phép kiểm soát qua cách sử dụng phổ và nhiễu. 1.3.1.1 Băng tần đăng ký 2,5 GHz Đã được cấp phát trong phần lớn thế giới, bao gồm bắc Mỹ, Mỹ Latin, Đông và Tây Âu và nhiều vùng của châu Á - Thái Bình Dương như một băng tần đăng ký. Mỗi quốc gia thường cấp phát dải khác nhau, vì vậy phổ được cấp phát qua các vùng có thể từ 2,495 GHz đến 2,690 GHz. Tổng phổ khả dụng là 195 MHz, bao gồm các dải phòng vệ và các kênh MDS, gữa 2.495 GHz và 2.690 GHz. Hỗ trợ FDD, TDD. Phổ trên mỗi đăng ký là 22.5 MHz, một block 16.5 MHz và một block 6 MHz, tổng số 8 đăng ký. 1.3.1.2 Băng tần đăng ký 3,5 GHz. Ở Châu Âu, viện chuẩn viễn thông Châu Âu đã phân phối dải 3,5 GHz, bắt đầu được sử dụng cho WPLL, cho các giải pháp WiMAX đăng ký. Tổng phổ khả dụng thay đổi theo quốc gia nhưng nói chung khoảng 200MHz giữa 3,4 GHz và 3,8 GHz. Hỗ trợ FDD, TDD. Một vài quốc gia chỉ sử dụng FDD trong khi các quốc gia khác cho phép sử dụng FDD hoặc TDD. Phổ trên mỗi đăng ký thay đổi từ 2´5MHz đến 2´56 MHz. 1.3.2. Băng tần không đăng ký 5GHz Phần lớn các quốc gia toàn thế giới đã sử dụng phổ 5 GHz cho các băng tầng không đăng ký như: băng 5,15 GHz và 5,85 GHz . Các giải pháp không đăng ký cung cấp một vài thuận lợi chính hơn các giải pháp đăng ký, bao gồm chi phí ban đầu thấp hơn, rút ra nhanh hơn, và một băng chung có thể được sử dụng ở phần lớn thế giới. Các lợi ích này đang thu hút sự quan tâm và có khả năng cho sự chấp nhận băng rộng nhanh chóng. Tuy nhiên một giải pháp không đăng ký thì khả năng nhiễu cao hơn, và nhiều sự cạnh tranh đối với các nhà kinh doanh bất động sản cho việc triển khai. Một giải pháp không đăng ký sẽ không được xem như một sự thay thế cho giải pháp đăng ký. Mỗi giải pháp cung cấp một thị trường khác nhau dựa vào sự thỏa hiệp giữa chi phí và QoS. 1.3.3. Các băng tần được đề xuất cho WiMAX trên thế giới. Các băng được Diễn đàn WiMax tập trung xem xét và vận động cơ quan quản lý tần số các nước phân bổ cho WiMax là: ● Băng tần 2,3-2,4GHz (2,3GHz Band) : được đề xuất sử dụng cho Mobile WiMAX. Tại Hàn Quốc băng này đã được triển khai cho WBA (WiBro). ● Băng tần 2,4-2,4835GHz: được đề xuất sử dụng cho WiMAX trong tương lai . ● Băng tần 2,5-2,69GHz (2,5GHz Band): được đề xuất sử dụng cho WiMAX di động trong giai đoạn đầu . ● Băng tần 3,3-3,4GHz (3,3GHz Band): được đề xuất sử dụng cho WiMAX cố định. ● Băng tần 3,4-3,6GHz (3,5GHz Band): được đề xuất sử dụng cho WiMAX cố định trong giai đoạn đầu : FWA (Fixed Wireless Access)/WBA (WideBand Access). ● Băng tần 3,6-3,8GHz: được đề xuất sử dụng cho WiMAX cố định (WBA) và cấp cho Châu Âu. Tuy nhiên, băng 3,7-3,8 GHz đã được dùng cho vệ tinh viễn thông Châu Á, nên băng tần này không được sử dụng cho Wimax Châu Á. ● Băng tần 5,725-5,850GHz: được đề xuất sử dụng cho WiMAX cố định trong giai đoạn đầu. ● Ngoài ra, một số băng tần khác phân bổ cho BWA cũng được một số nước xem xét cho BWA/WiMax là: băng tần 700-800MHz (< 1GHz), băng 4,9-5,1GHz. 1.3.4. Các băng tần ở Việt Nam có khả năng dành cho WiMAX. ● Băng tần 2,3-2,4GHz : Có thể dành đoạn băng tần này cho WiMAX. Băng tần 2,3 - 2,4GHz thích hợp cho cả WiMAX cố định và di động. ● Băng tần 2,5 - 2,69GHz : Băng tần này hiện nay đang được sử dụng nhiều cho vi ba và MMDS (tập trung chủ yếu ở Hà nội và thành phố Hồ Chí Minh). Ngoài ra, băng tần này là một trong các băng tần được đề xuất sử dụng cho 3G. Băng tần này lại là băng tần được đánh giá là thích hợp nhất cho WiMAX di động và đã được Diễn đàn WiMAX xác nhận chính thức là băng tần WiMAX. Một số nước cũng đã dành băng tần này cho WiMAX như Mỹ, Mêhicô, Brazil, Canada, Singapo. Vì vậy, đề nghị dành băng tần 2,5 - 2,69GHz cho WiMAX. ● Băng tần 3,3 - 3,4GHz: Theo Qui hoạch phổ tần số VTĐ quốc gia, băng tần này được phân bổ cho các nghiệp vụ Vô tuyến định vị, cố định và lưu động. Hiện nay, về phía dân sự và quân sự vẫn chưa có hệ thống nào được triển khai trong băng tần này. Do đó, có thể cho phép sử dụng WiMAX trong băng tần 3,3 - 3,4GHz. ● Băng tần 3,4-3,6GHz, 3,6-3,8GHz: Đối với Việt nam, hệ thống vệ tinh VINASAT sử dụng một số đoạn băng tần trong băng C và Ku, trong đó cả băng tần 3,4-3,7 GHz. Ngoài ra, đoạn băng tần 3,7-3,8 GHz mặc dù chưa sử dụng cho VINASAT nhưng có thể được sử dụng cho các trạm mặt đất liên lạc với các hệ thống vệ tinh khác. Vì vậy không nên triển khai WiMAX trong băng tần 3,4 - 3,8 GHz. ● Băng tần 5,725 - 5,850GHz: Hiện nay, băng tần này đã được Bộ qui định dành cho WiFi. Nếu cho phép triển khai WiMAX trong băng tần này thì cũng sẽ hạn chế băng tần dành cho WiFi. Băng tần này có thể thích hợp cho các hệ thống WiMAX ở vùng nông thôn, vùng sâu, vùng xa, ở đó có thể cho phép hệ thống WiMAX phát với công suất cao hơn để giảm giá thành triển khai hệ thống WiMAX. Vì vậy, đề nghị cho phép triển khai WiMAX trong băng tần 5,725-5,850GHz nhưng WiMAX phải dùng chung băng tần và phải bảo vệ các hệ thống WiFi. Như vậy, với hiện trạng sử dụng băng tần tại Việt Nam như trên, các băng tần có khả năng dành cho WiMAX ở Việt Nam là: Băng tần 2,3-2,4GHz và 3,3-3,4GHz cho các hệ thống truy cập không dây băng rộng, kể cả WiMAX. Băng tần 5,725-5,850GHz cho các hệ thống truy cập không dây băng rộng, kể cả WiMAX nhưng các hệ thống này phải dùng chung băng tần với các hệ thống WiFi với điều kiện bảo vệ các hệ thống WiFi hoạt động trong băng tần này. Băng tần 2,5-2,690GHz cho các hệ thống truy cập không dây băng rộng, kể cả IMT-2000 và WiMAX. Hiện tại, chính phủ đã cấp phép thử nghiệm dịch vụ WiMAX di động tại băng tần 2,3-2,4 GHz; và băng tần 2,5-2,69 GHz. ( Theo công văn số 5535/VPCP-CN của Văn phòng Chính phủ ). 1.4. Truyền sóng. Trong khi nhiều công nghệ hiện đang tồn tại cho không dây băng rộng chỉ có thể cung cấp phủ sóng LOS, công nghệ WiMAX được tối ưu để cung cấp phủ sóng NLOS. Công nghệ tiên tiến của WiMAX cung cấp tốt nhất cho cả hai. Cả LOS và NLOS bị ảnh hưởng bởi các đặc tính đường truyền môi trường của chúng, tổn thất đường dẫn, và ngân quỹ kết nối vô tuyến. Trong liên lạc LOS, một tín hiệu đi qua một đường trực tiếp và không bị tắc nghẽn từ máy phát đến máy thu. Một liên lạc LOS yêu cầu phẩn lớn miền Fresnel thứ nhất thì không bị ngăn cản của bất kì vật cản nào, nếu tiêu chuẩn này không thỏa mãn thì có sự thu nhỏ đáng kể cường độ tín hiệu quan sát. Độ hở Fresnel được yêu cầu phụ thuộc vào tần số hoạt động và khoảng cách giữa vị trí máy phát và máy thu. Trong liên lạc NLOS, tín hiệu đến máy thu qua phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ. Các tín hiệu đến máy thu bao gồm các thành phần từ đường trực tiếp, các đường được phản xạ nhiều lần, năng lượng bị tán xạ và các đường truyền bị nhiễu xạ. Các tín hiệu này có khoảng trễ khác nhau, suy hao, phân cực và độ ổn định quan hệ với đường truyền trực tiếp là nguyên nhân gây ra nhiễu ISI và méo tín hiệu. Điều đó không phải là vấn đề đối với LOS, nhưng với NLOS thì lại là vấn đề chính. Có nhiều ưu điểm mà những triển khai NLOS tạo ra đáng khao khát. Ví dụ, các yêu cầu lập kế hoạch chặt chẽ và giới hạn chiều cao anten mà thường không cho phép anten được bố trí cho LOS. Với những triển khai tế bào kề nhau phạm vi rộng, nơi tần số được sử dụng lại là tới hạn, hạ thấp anten là thuận lợi để giảm nhiễu kênh chung giữa các vị trí cell liền kề. Điều này thường có tác dụng thúc đẩy các trạm gốc hoạt động trong các điều kiện NLOS. Các hệ thống LOS không thể giảm chiều cao anten bởi vì làm như vậy sẽ có tác động đến đường quan sát trực tiếp được yêu cầu từ CPE đến trạm gốc. Hình 1.3. Minh họa họat động WiMAX. Công nghệ NLOS cũng giảm phí tổn cài đặt bằng cách đặt dưới các mái che thiết bị CPE đúng như nguyên bản và giảm bớt khó khăn định vị trí các địa điểm đặt CPE thích hợp. Công nghệ cũng giảm bớt nhu cầu quan sát vị trí thiết bị phía trước và cải thiện độ chính xác của các công cụ lập kế hoạch NLOS. Xem minh họa trên hình 1.3. Công nghệ NLOS và những tính năng được nâng cao trong WiMAX tạo khả năng sử dụng thiết bị phía đầu khách hàng (CPE) trong nhà. Công nghệ WiMAX, giải quyết và giảm nhẹ các vấn đề do bởi các điều kiện NLOS bằng cách sử dụng: công nghệ OFDM, OFDMA, điều chế thích nghi, các công nghệ sửa lỗi, các công nghệ anten, điều khiển công suất, kênh con. Dưới đây trình bày khái quát về những giải pháp nêu trên. 1.4.1. Công nghệ OFDM. Công nghệ OFDM (ghép kênh phân chia tần số trực giao), dựa vào FDM là công nghệ mà sử dụng nhiều tần số để truyền đồng thời nhiều tín hiệu song song, tăng tốc độ truyền dẫn. Mỗi tín hiệu có dải tần số riêng (sóng mang con) mà sau đó được điều chế theo dữ liệu. Mỗi sóng mang con được tách biệt bởi một dải bảo vệ để đảm bảo rằng chúng không chồng lên nhau. Những sóng mang này sau đó được giải điều chế ở máy thu sử dụng các bộ lọc để tách riêng các dải. OFDM tương tự với FDM nhưng hiệu quả phổ lớn hơn bởi khoảng cách các kênh con khép gần hơn (cho đến khi chúng thực sự chồng nhau). Điều này được thực hiện bởi tìm các tần số mà chúng trực giao, có nghĩa là chúng vuông góc theo cảm nhận toán học, cho phép phổ của mỗi dải thông con được giảm đáng kể bằng cách di chuyển các dải bảo vệ và cho phép các tín hiệu chồng nhau. Để giải điều chế tín hiệu, cần một bộ biến đổi Fourier rời rạc (DFT). So sánh FDM và OFDM được minh họa trên hình 1.4. Hình 1.4. So sánh FDM và OFDM. Trong OFDM chúng ta có 256 sóng mang với 192 sóng mang con dữ liệu, 8 sóng mang con pilot. Hình 1.5. OFDM với 256 sóng mang. Các sóng mang con pilot cung cấp một tham chiếu để tối thiểu những dịch chuyển tần số và pha trong thời gian truyền trong khi các sóng mang null cho phép các khoảng bảo vệ và sóng mang DC (tần số trung tâm). Tất cả các sóng mang con được gửi ở cùng thời gian. OFDM nén nhiều sóng mang được điều chế chặt chẽ cùng nhau, giảm dải thông yêu cầu nhưng giữ các tín hiệu được điều chế trực giao để chúng không gây ra nhiễu lẫn nhau. Nó cung cấp các hoạt động với một phương thức hiệu quả khắc phục các trở ngại của truyền sóng NLOS. Dạng sóng OFDM WiMAX cung cấp thuận lợi là có thể hoạt động với khoảng trễ lớn hơn ở môi trường NLOS. Khả năng khắc phục khoảng trễ, đa đường, và ISI theo cách hiệu quả cho phép thông lượng tốc độ dữ liệu cao. 1.4.2. Công nghệ OFDMA. Công nghệ OFDMA cho phép một vài sóng mang con được gán tới những người dùng khác nhau. Ví dụ các sóng mang con 1, 3 và 7 có thể được gán cho người dùng 1, và các sóng mang con 2, 5 và 9 cho người dùng 2. Những nhóm sóng mang con này được xem như các kênh con. OFDMA mở rộng được cho phép các kích thước FFT nhỏ hơn để cải thiện chất lượng đối với các kênh dải thông thấp hơn. Hình 1..6. Các kênh con trong OFDMA. Để giảm bớt fading lựa chọn tần số, các sóng mang của một trong các kênh con được trải rộng theo phổ kênh. Hình 1.6 miêu tả nguyên lý của sự phân chia thành các kênh con. Khoảng sóng mang có thể dùng được được phân thành một số nhóm liên tiếp. Mỗi nhóm chứa một số các sóng mang liên tiếp NE, sau đó loại trừ các kênh con pilot được gán ban đầu. Một kênh con có một thành phần từ mỗi nhóm được định vị qua một quá trình giả ngẫu nhiên dựa vào sự hoán vị, vì vậy NG là số thành phần kênh con. Với N = 2048, đường xuống NG = 48 và NE =32, đường lên NG = 53 và NE =32. 1.4.3. Điều chế thích nghi. Điều chế thích nghi cho phép hệ thống WiMAX điều chỉnh sơ đồ điều chế tín hiệu phụ thuộc vào điều kiện SNR của liên kết vô tuyến. Khi liên kết vô tuyến chất lượng cao, sơ đồ điều chế cao nhất được sử dụng, đưa ra hệ thống dung lượng lớn hơn. Hình 1.7. Bán kính cell quan hệ với điều chế thích nghi. Trong quá trình suy giảm tín hiệu, hệ thống WiMAX có thể dịch đến một sơ đồ điều chế thấp hơn để duy trì chất lượng kết nối và ổn định liên kết. Đặc điểm này cho phép hệ thống khắc phục fading lựa chọn thời gian. 1.4.4. Công nghệ sửa lỗi. Các công nghệ sửa lỗi đã được hợp nhất trong WiMAX để giảm các yêu cầu tỉ số tín hiệu trên tạp âm hệ thống. Các thuật toán FEC, mã hóa xoắn và chèn được dùng để phát hiện và sửa các lỗi cải thiện thông lượng. Các công nghệ sửa lỗi mạnh giúp khôi phục các khung bị lỗi mà có thể bị mất do fading lựa chọn tần số và các lỗi cụm. Tự động yêu cầu lặp lại (ARQ) được dùng để sửa lỗi mà không thể được sửa bởi FEC, gửi lại thông tin bị lỗi. Điều này có ý nghĩa cải thiện chất lượng tốc độ lỗi bit (BER) đối với một mức ngưỡng như nhau. 1.4.5. Điều khiển công suất. Các thuật toán điều khiển công suất được dùng để cải thiện chất lượng toàn bộ hệ thống, nó được thực hiện bởi trạm gốc gửi thông tin điều khiển công suất đến mỗi CPE để điều chỉnh mức công suất truyền sao cho mức đã nhận ở trạm gốc thì ở một mức đã xác định trước. Trong môi trường fading thay đổi động, mức chỉ tiêu đã định trước này có nghĩa là CPE chỉ truyền đủ công suất thỏa mãn yêu cầu này. Điều khiển công suất giảm sự tiêu thụ công suất tổng thể của CPE và nhiễu với những trạm gốc cùng vị trí. Với LOS, công suất truyền của CPE gần tương ứng với khoảng cách của nó đến trạm gốc, với NLOS, tùy thuộc nhiều vào độ hở và vật cản. 1.4.6. Các công nghệ vô tuyến tiên tiến. 1.4.6.1. Phân tập thu và phát. Các lược đồ phân tập được sử dụng để lợi dụng các tín hiệu đa đường và phản xạ xảy ra trong các môi trường NLOS. Bằng cách sử dụng nhiều ăng ten (truyền và/hoặc nhận), fading, nhiễu và tổn hao đường truyền có thể được làm giảm. Phân tập truyền sử dụng mã thời gian không gian STC. Đối với phân tập nhận, các công nghệ như kết hợp tỷ lệ tối đa (MRC) mang lại ưu điểm của hai đường thu riêng biệt. Về MISO (một đầu ra nhiều đầu vào) xem hình 1.8 . Hình 1.8. MISO. Mở rộng tới MIMO (xem hình 1.9), sử dụng MIMO cũng sẽ nâng cao thông lượng và tăng các đường tín hiệu. MIMO sử dụng nhiều ăng ten thu và/hoặc phát cho ghép kênh theo không gian. Mỗi ăng ten có thể truyền dữ liệu khác nhau mà sau đó có thể được giải mã ở máy thu. Đối với OFDMA, bởi vì mỗi sóng mang con là các kênh băng hẹp tương tự, fading lựa chọn tần số xuất hiện như là fading phẳng tới mối sóng mang. Hiệu ứng này có thể sau đó được mô hình hóa như là một sự khuếch đại không đổi phức hợp và có thể đơn giản hóa sự thực hiện của một máy thu MIMO cho OFDMA. Hình 1.9 MIMO. 1.4.6.2. Các hệ thống ăng ten thích nghi. AAS là một phần tùy chọn. Các trạm gốc có trang bị AAS có thể tạo ra các chùm mà có thể được lái, tập trung năng lượng truyền để đạt được phạm vi lớn hơn. Khi nhận, chúng có thể tập trung ở hướng cụ thể của máy thu. Điều này giúp cho loại bỏ nhiễu không mong muốn từ các vị trí khác. 1.5. So sánh WiMAX với WiFi và 3G Hiện nay ở Việt Nam chúng ta, WiFi và 3G đang là hai công nghệ kết nối không dây phát triển nhất nên ta có thể so sánh chúng với WiMAX. 1.5.1. WiFi WiFi – Wireless Fidelity là tên gọi mà các nhà sản xuất đặt cho một chuẩn kết nối không dây(IEEE 802.11), công nghệ sử dụng sóng radio để thiết lập hệ thống kết nối mạng không dây. Đây là công nghệ mạng được thương mại hóa tiên tiến nhất hiện nay. WiFi và WiMAX có cùng một nguyên lý hoạt động là truy cập mạng qua tín hiệu vô tuyến. Kết nối WiFi nhanh nhất có thể truyền được tới 54 Mbps trong các điều kiện tối ưu. WiMAX có thể truyền lên tới 70 Mbps, thậm chí khi bị chia tách giữa vài chục công ty và hàng trăm hộ gia đình người dung thì ít nhất nó sẽ cung cấp tốc độ tương đương với tốc độ truyền của modem cáp cho mỗi người dùng. Nhưng sự khác nhau lớn nhất giữa WiMAX và WiFi không phải là tốc độ truyền mà là bán kính phủ sóng. WiFi có bán kính phủ sóng khoảng 30m còn với WiMAX thì rộng hơn nhiều khoảng 50Km. Cự ly tăng là do tầng số được sử dụng và công suất của máy phát. Tuy vậy, WiMAX được thiết kế không phải để mâu thuẫn với WiFi mà để cùng tồn tại với WiFi. Vùng phủ sóng của WiMAX được đo theo Km2, trong khi vùng phủ sóng của WiFi được đo theo m2. Chuẩn WIMAX gốc (IEEE 802.16) đề xuất việc sử dụng phổ tần 10-66 GHz cho truyền dẫn WIMAX, mà cao hơn nhiều cự ly WiFi (lên tới tối đa 5GHz). Nhưng 802.16a đã hỗ trợ thêm cho tần số 2-11 GHz. Một trạm gốc WIMAX có thể được truy cập bởi hơn 60 người sử dụng. WIMAX cũng có thể cung cấp các dịch vụ quảng bá. Các đặc điểm kĩ thuật WIMAX cũng cung cấp các điều kiện thuận lợi tốt hơn nhiều so với WiFi, cung cấp độ rộng băng tần cao hơn và an ninh dữ liệu cao bằng cách sử dụng các kế hoạch mã hóa tăng cường. WIMAX cũng có thể cung cấp dịch vụ theo cả hai địa điểm LOS và NLOS, nhưng cự ly sẽ thay đổi cho phù hợp. WIMAX cho phép thâm nhập vào dịch vụ băng rộng VoIP, video, và truy cập internet đồng thời. Các anten WIMAX có thể “chia sẻ” một tháp cell mà không cần dàn xếp chức năng của các mạng tổ ong đã thích hợp. 1.5.2. 3G 1.5.2.1 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. 1.5.2.2 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 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. 1.5.2.3. So sánh WiMAX di động với 3G. WCDMA được phát triển để tăng khả năng đường suống với phiên bản truy nhập gói đường xuống tốc độ cao (HSDPA) và truy nhập gói đường lên tốc độ cao HSUPA. Nhóm phát triển 3G cũng cân nhắc phát triển khả năng truyền xa hơn cho WCDMA như là cung cấp MIMO với HSPA. Tương tự như vậy, CDMA 2000 được phát triển để tăng khả năng truyền dẫn số liệu tại phiên bản 1x EVDO-Rev 0 và 1x EVDO-Rev A. Một nâng cao nữa là phiên bản EVDO Rev B đưa vào khả năng đa sóng mang. Do 1xEVDO và HSDPA/HSPA được phát triển từ tiêu chuẩn CDMA 3G để cung cấp dịch vụ số liệu thông qua mạng ban đầu được thiết kế cho dịch vụ thoại di động do đó nó thừa hưởng cả những ưu điểm và cả những hạn chế của hệ thống 3G. WiMAX ban đầu được phát triển cho truy nhập vô tuyến băng rộng cố định và nó được tối ưu cho truyền số liệu. WiMAX di động được phát triển trên cơ sở của WiMAX cố định và được điều chỉnh để phù hợp cho yêu cầu di động. Việc so sánh giữa các thuộc tính của WiMAX di động với 3G trên cơ sở hệ thống 1x EVDO và HSDPA/HDPA sẽ cho ta thấy rõ công nghệ nào sẽ đáp ứng được các đòi hỏi của mạng địch vụ số liệu băng rộng di động. Các thuộc tính cụ thể được đưa ra trong bảng 1.2. Bảng 1.2 So sánh WiMAX di động và 3G. Thuộc tính 1x EVDO Rev A HSDPA/HSUPA(HSPA) WiMAX di động Tiêu chuẩn cơ sở CDMA2000/IS-95 WCDMA IEEE802.16e P.P song công FDD FDD TDD Hướng xuống (DL) TDM CDM-TDM OFDMA Đa truy nhập h.lên (UL) CDMA CDMA Độ rộng băng 1,25 MHz 5,0 MHz 5; 7; 8,75; 10 MHz Kích cỡ khung DL 1,67 ms 2 ms 5 ms TDD UL 6,67 ms 2/ 10 ms Điều chế DL QPSK/ 8PSK/ 16QAM QPSK/ 16QAM QPSK/ 16QAM/ 64 QAM Điều chế UL BPSK, QPSK/ 8PSK BPSK/ QPSK/ 16 QAM Mã hóa Turbo CC, Turbo CC, Turbo Tốc độ đỉnh DL 3,1 Mbps 14 Mbps 46 Mbps, DL/UL=3 32 Mbps, DL/UL=1 Tốc độ đỉnh UL 1,8 Mbps 5,8 Mbps 7 Mbps, DL/UL=1 4 Mbps, DL/UL=3 H-ARQ Đồng bộ 4 kênh nhanh IR Đồng bộ 6 kênh nhanh CC Đồng bộ đa kênh CC Lập lịch Lập lịch nhanh DL Lập lịch nhanh UL Lập lịch nhanh DL và UL Chuyển vùng (Handoff) Chuyển vùng mềm ảo Ch. vùng cứng khởi đầu từ mạng Ch. vùng cứng khởi đầu từ mạng 1.6. Kết luận chương. Qua tìm hiểu những phần trình bày ở trên giúp ta có một cái nhìn tổng quan về công nghệ Wimax, khả năng ứng dụng và tình hình triển khai của nó trong thực tế. Từ đó để bắt đầu đi sâu hơn, tìm hiểu về kiến trúc mạng truy cập WiMAX sẽ được trình bày ở chương tiếp theo CHƯƠNG II CÁC KĨ THUẬT SỬ DỤNG TRONG WiMAX 2.1. Kỹ thuật OFDM 2.1.1. Sự ảnh hưởng của môi trường đến việc truyền dẫn Thứ nhất ta phải khẳng định rằng môi trường truyền thông vô tuyến là một môi trường khắc nghiệt nhất trong truyền dẫn thông tin. Nó gây suy hao tín hiệu về biên độ cũng như suy hao lựa chọn tần số kèm theo các hiệu ứng fading đa đường. Sự suy hao tín hiệu tăng nhanh theo khoảng cách và ở tần số cao, ngoài ra sự suy hao cũng phụ thuộc vào địa hình (khu vực nông thôn, thành thị, đồng bằng hay miền núi). Hình vẽ dưới đây minh hoạ sự suy giảm tín hiệu theo khoảng cách và trên các loại địa hình với các điều kiện truyền dẫn khác nhau của hai hệ thống ISM tần số 2,4 GHz và UNII tần số 5,4 GHz. Hình 2.1: Suy giảm tín hiệu theo khoảng cách. Ngoài ra trong môi trường truyền dẫn đa đường, nhiễu xuyên ký tự (ISI) gây bởi tín hiệu phản xạ có thời gian trễ khác nhau từ các hướng khác nhau từ nơi phát tới nơi thu là điều không thể tránh khỏi. Ảnh hưởng này có thể làm biến dạng tín hiệu khiến bên thu không thể khôi phục được tín hiệu. 2.1.2. Đa sóng mang (Multicarrier) Nếu truyền tín hiệu không phải bằng một sóng mang mà bằng nhiều sóng mang, mỗi sóng mang tải một phần dữ liệu có ích và được trải đều trên cả băng thông thì khi chịu ảnh hưởng xấu sẽ chỉ có một phần dữ liệu có ích bị mất, dựa trên cơ sở dữ liệu của các sóng mang khác có thể khôi phục lại dữ liệu có ích. bi S(t) cos(2Π f1t) S/S/S/PPP ∑ cos(2Π f2t) cos(2Π fNt) S / P Hình 2.2. Sự tạo ra tín hiệu OFDM H Hình 2.3. FDM thông thường và OFDM Do vậy, khi dùng nhiều sóng mang có tốc độ bit thấp, nhiều dữ liệu gốc sẽ được thu chính xác. Để hồi phục dữ liệu đã mất, người ta dùng phương pháp sửa lỗi FEC-Forward Error Correction. Ở máy thu mỗi sóng mang được tách ra khi dùng các bộ lọc thông thường và giải điều chế. Tuy nhiên để không có can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) cần phải có khoảng bảo vệ khi hiệu quả phổ kém. Giải pháp khắc phục việc hiệu quả phổ kém khi có khoảng bảo vệ (GUARD PERIOD) là giảm khoảng cách các sóng mang và cho phép phổ của các sóng mang cạnh nhau trùng lắp nhau. Sự trùng lắp này là được phép nếu khoảng cách giữa các sóng mang được chọn chính xác. Khoảng cách này được chọn ứng với trường hợp các sóng mang trực giao với nhau. Đó là phương pháp ghép kênh theo tần số trực giao (OFDM). Cho tới nay dựa trên những thành tựu của công nghệ mạch tích hợp phương pháp này đã được thực hiện một cách dễ dàng. 2.1.3. Công nghệ OFDM với khả năng hạn chế nhiễu WIMAX sử dụng công nghệ OFDM để truyền dữ liệu ở giao diện vô tuyến và cho phép các thuê bao truy nhập kênh. Cũng có nhiều công nghệ khác ở giao diện này như FDM, CDMA. Tuy nhiên OFDM đã chứng tỏ nó có những ưu điểm hơn rất nhiều về tốc độ truyền, tỷ lệ lỗi bit, cũng như hiệu quả sử dụng phổ tần nên đã được IEEE chọn làm công nghệ truyền dẫn cho truyền dẫn vô tuyến băng rộng trong chuẩn IEEE.802.16. Các kĩ thuật sử dụng trải phổ trực tiếp DS-CDMA như trong chuẩn 802.11b rất dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu đa đường vì thời gian trễ có thể vượt qua khoảng thời gian của một kí tự. OFDM sử dụng kĩ thuật truyền song song nhiều băng tần con nên kéo dài thời gian truyền kí tự lên nhiều lần. Ngoài ra OFDM còn chèn thêm một khoảng bảo vệ GI (Gaurd Interval) thường lớn hơn thời gian trễ tối đa của kênh truyền giữa 2 kí tự nên nhiễu ISI có thể được loại bỏ hoàn toàn. Trên kênh truyền dẫn thì nhiễu lựa chọn tần số cũng là một vấn đề ảnh hưởng lớn đến chất lượng truyền thông tín hiệu. Tuy vậy OFDM cũng rất mềm dẻo và linh hoạt khi giải quyết vấn đề này. OFDM có thể khôi phục lại kênh truyền thông qua tín hiệu dẫn đường (Pilot) được truyền đi cùng với dòng tín hiệu thông tin. Ngoài ra với các kênh con suy giảm nghiêm trọng về tần số thì OFDM còn có một lựa chọn nữa để giảm tỷ lệ lỗi bit là giảm bớt số bit mã hóa cho một tín hiệu điều chế tại kênh tần số đó. Hình 2.4: So sánh sóng mang của OFDM với các hình thức truyền thống Hình trên so sánh giữa hai hình thức điều chế. Đối với các hình thức truyền thống, một sóng mang đơn với băng thông rộng sẽ được truyền đi, trong khi với OFDM băng thông rộng này được chia thành các băng con, mỗi băng con sẽ ứng với một sóng mang con, các sóng mang con trực giao nhau. Việc chia băng con này sẽ làm tốc độ trên mỗi băng con này giảm đi N lần, tuy nhiên, chu kì của một sóng mang cũng sẽ dài hơn N lần. Điều này giúp cho việc đồng bộ dễ dàng hơn, tránh nhiễu đa đường cũng tốt hơn. Việc chia thông tin cũng giúp cho việc chống nhiễu tốt hơn, vì nếu bị nhiễu, cũng chỉ bị nhiễu trên các cụm đơn lẻ, nên có thể khắc phục dễ dàng hơn. Mỗi sóng mang được gán luồng dữ liệu để truyền đi. Biên độ và pha của sóng mang được tính toán dựa trên phương thức điều chế (thường là QPSK, BPSK, QAM). Sau đó dùng biến đổi IFFT (Inverse Fast Fourier Tranform) để biến từ miền tần số về miền thời gian. IFFT là một phương pháp biến đổi hiệu quả và đảm bảo cho các sóng mang con trực giao. Tại bộ nhận, người ta dùng biến đổi FFT(Fast Fourier Tranform) để biến đổi ngược lại từ miền thời gian sang miền tần số. Một vấn đề quan trọng trong truyền dẫn là sự đòi hỏi khắt khe về sự đồng bộ vì sự sai lệch về tần số, ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler khi di chuyển và lệch pha sẽ gây ra nhiễu giao thoa tần số ICI (Intercarrier Interfrence) mà hậu quả là phá bỏ sự trực giao giữa các tần số sóng mang và làm tăng ảnh hưởng tới hệ thống cũng như BER. Tuy nhiên OFDM cũng có thể giảm bớt sự phức tạp của vấn đề đồng bộ thông qua khoảng bảo vệ GI. Việc sử dụng chuỗi GI cho phép OFDM có thể điều chỉnh tần số thích hợp mặc dù việc thêm GI cũng đồng nghĩa với việc giảm hiệu quả sử dụng băng tần. Hình 2.5: OFDM phát và thu Bộ Serial to Para định dạng luồng dữ liệu, nhóm các bit lại để gán cho các sóng mang (Ví dụ sẽ nhóm 6 bit một nhóm nếu là QAM64). Bộ Carrier Modulation mã hoá vi sai dữ liệu trong mỗi sóng mang, sau đó ánh xạ theo dạng khoá dịch pha PSK. Mã hoá vi sai đòi hỏi phải có dữ liệu ban đầu, do đó một symbol sẽ được thêm vào ban đầu. Sau đó dữ liệu sẽ được ánh xạ theo pha tuỳ theo cách điều chế. Ví dụ với QPSK các góc sẽ là 0, 90, 180, 270 độ. Điều này có nghĩa là biên độ sẽ là hằng số, nên sẽ ít nhạy cảm với méo phi tuyến. Bộ IFFT biến đổi từ miền tần số sang miền thời gian. Bộ Guard Period Insertion thêm khoảng bảo vệ vào sau mỗi sóng mang. Tại bộ nhận, trình tự làm theo chiều ngược lại. Khoảng bảo vệ sẽ được loại bỏ, sau đó dùng biến đổi FFT biến từ miền thời gian sang miền tần số. Sau đó dùng bộ giải điều chế để ánh xạ các sóng mang thành luồng dữ liệu tương ứng. OFDM là một công nghệ chia nhỏ băng tần thành các băng nhỏ hơn.Trong WIMAX theo chuẩn 802.16d, đã áp dụng công nghệ này. Vì vậy WIMAX fixed có thể hoạt động được trong môi trường NLOS(Non Light of Sight). Trong WIMAX fixed được chia thành 256 sóng mang con, 198 là dành cho dữ liệu, còn lại dành cho khoảng bảo vệ. 2.1.4. Sự trực giao (Orthogonal) ORTHOGONAL chỉ ra rằng có một mối quan hệ toán học chính xác giữa các tần số của các sóng mang trong hệ thống OFDM. Về mặt toán học, trực giao có nghĩa là các sóng mang được lấy ra từ nhóm trực chuẩn (Orthonomal basis) {Фi(t)/i= 0,1…} có tính chất sau: (2.1) Trong toán học, số hạng trực giao có được từ việc nghiên cứu các vectơ. Theo định nghĩa, hai vectơ được gọi là trực giao với nhau khi chúng vuông góc với nhau (tạo nhau một góc vuông) và tích của 2 vectơ là bằng 0. Điểm chính ở đây là ý tưởng nhân hai hàm số với nhau, tổng hợp các tích và nhận được kết quả là 0. Điều này gọi là tính trực giao của dạng sóng sin. Nó cho thấy rằng miễn là hai dạng sóng sin không có cùng tần số, thì tích phân của chúng sẽ bằng không. Thông tin này là điểm mấu chốt để hiểu quá trình điều chế OFDM. Hình 2.6. Tích của hai vectơ trực giao bằng 0 Nếu chúng ta nhân và cộng (tích phân) hai dạng sóng sin có tần số khác nhau. Ta nhận thấy quá trình này cũng bằng 0. Vậy hai sóng sin khác tần số thì tích phân của chúng sẽ bằng không và ngược lại. Điều này gọi là tính trực giao của dạng sóng sin. Hình 2.7 và 2.8 . Hình 2.7.Tích phân của hai sóng sin khác tần số Hình 2.8. Tích phân của hai sóng sin cùng tần số Việc giải điều chế chặt chẽ được thực hiện kế tiếp trong miền tần số (digital domain) bằng cách nhân một sóng mang được tạo ra trong máy thu đơn với một sóng mang nhận được trong máy thu có cùng chính xác tần số và pha. Sau đó phép tích phân được thực hiện, tất cả các sóng mang sẽ về không ngoại trừ sóng mang được nhân, nó được dịch lên trục x, được tách ra, hiệu quả và giá trị symbol của nó khi đó đã được xác định. Toàn bộ quá trình này được lặp lại khá nhanh chóng cho mỗi sóng mang, đến khi tất cả các sóng mang đã được giải điều chế. 2.1.5. Trực giao miền tần số Để xem xét tính trực giao của những tín hiệu OFDM là xem phổ của nó. Trong miền tần số mỗi sóng mang thứ cấp OFDM có đáp tuyến tần số sinc(sin(x)/x). Kết quả của thời gian symbol tương ứng với nghịch đảo của khoảng cách sóng mang. Dạng sinc có 1 búp chính hẹp, với nhiều búp biên có cường độ giảm dần theo tần số khi đi ra khỏi tần số trung tâm. Mỗi tải phụ có một đỉnh tại tần số trung tâm và một số giá trị null được đặt theo các lỗ trống tần số bằng khoảng cách sóng mang. Bản chất trực giao của việc truyền là kết quả của đỉnh của mỗi tải phụ tương ứng với Nulls của các tải phụ khác. Khi tín hiệu này được phát hiện nhờ sử dụng biến đổi Fourier rời rạc (DFT). 2.1.6. Tạo và thu OFDM Hình 2.9. Sơ đồ khối của thiết bị đầu cuối OFDM Phần máy phát biến đổi dữ liệu số cần truyền, ánh xạ vào biên độ và pha của các tải phụ. Sau đó nó biến đổi biểu diễn phổ của dữ liệu vào trong miền thời gian nhờ sử dụng biến đổi fourier rời rạc đảo (inverse Discrecte Fourier Transform). Biến đổi nhanh Fourier đảo (Inverse Fast fourier Transform) thực hiện cùng một thuật toán như IDTF, ngoại trừ rằng nó tính hiệu quả hơn nhiều và do vậy nó được sử dụng trong tất cả các hệ thống thực tế. Để truyền tín hiệu OFDM tín hiệu miền thời gian được tính toán phách lên tần số cần thiết. Máy thu thực hiện thuật toán ngược lại với máy phát. Khi dịch tín hiệu RF xuống băng cơ sở để xử lý, sau đó sử dụng biến đổi Fourier nhanh để phân tích tín hiệu trong miền tần số. Sau đó biên độ và pha của các tải phụ được chọn ra và được biến đổi ngược lại thành dữ liệu số. 2.1.7. Điều chế tải phụ Cứ mỗi lần tải phụ được phân phối bit để truyền, chúng được ánh xạ vào biên độ và pha của tải phụ nhờ dùng sơ đồ điều chế biểu diễn bởi vectơ đồng pha và vuông pha. Hình 2.10 là ví dụ của ánh xạ điều chế tải phụ. Nó chỉ ra chòm sao 16-QAM, ánh xạ 4 bit cho mỗi symbol. Mỗi kết hợp của dữ liệu tương ứng với 1 vectơ duy nhất được chỉ ra như một điểm trên hình vẽ. Một số lớn sơ đồ điều chế là có sẵn, cho phép thay đổi số bit được truyền trên một sóng mang trên mỗi symbol. Hình 2.10. Ví dụ chòm điểm (constellation) điều chế IQ,16 – QAM, với mã gray dữ liệu tới mỗi vị trí. 2.1.8. Các sơ đồ điều chế Dữ liệu số được truyền trong kết nối OFDM bằng cách dùng sơ đồ điều chế trên mỗi tải phụ. Sơ đồ điều chế là sự ánh xạ các dữ liệu vào chòm sao thực (đồng pha) và phức (vuông pha), được biết như chòm sao IQ (inphase Quadrature). Số bit có thể được truyền khi dùng một symbol tương ứng với log2(M) với M là số các điểm trong chòm sao. Mỗi từ dữ liệu được ánh xạ vào một vị trí IQ duy nhất trong chòm sao. Vectơ phức hợp thành I +јQ tương ứng với biên độ và pha argument (I+ јQ) với ј=. Việc tăng số điểm trong chòm sao không thay đổi dải thông truyền, do vậy việc dùng sơ đồ điều chế với nhiều điểm chòm sao sẽ cho phép cải thiện hiệu quả phổ (hoặc hiệu suất băng thông). Tuy nhiên, số điểm trong giản đồ chòm sao càng lớn bao nhiêu thì việc giải quyết chúng ở máy thu càng khó bấy nhiêu. Đó là vì khi đó các vị trí IQ được đặt càng gần nhau nên chỉ cần một giá trị nhỏ nhiễu là có thể gây ra lỗi truyền. * Mã GRAY Giản đồ IQ cho sơ đồ điều chế chỉ ra vectơ truyền cho tất cả các liên hợp từ dữ liệu. Mỗi liên hợp từ dữ liệu phải được phân phối một vectơ IQ duy nhất. Mã Gray là một phương pháp cho sự phân phối này, sao cho các điểm cạnh nhau trong vòm sao chỉ khác nhau một bit đơn. Mã này giúp giảm thiểu tỉ lệ lỗi bit. Mã Gray có thể được sử dụng cho tất cả các sơ đồ điều chế PSK (BPSK,QPSK,...) và QAM (16QAM, 64QAM, 256QAM...). Bảng 2.1. Mã Gray Hình 2.11. Giản đồ IQ của 16QAM khi dùng mã Gray 2.1.9. Khoảng bảo vệ (GUARD PERIOD) Ta thấy ở hình trên, phần ISI của việc truyền tín hiệu OFDM có thể bị sai do điều kiện của quá trình xử lý tín hiệu, bởi vì máy thu không nhận được thông tin của symbol được truyền tiếp theo. Điều đó có nghĩa là máy thu cần một khoảng thời gian có độ dài xác định bằng thời gian symbol có ích để có thể xác định được symbol OFDM. Khoảng thời gian này gọi là orthogonality Interval. Có thể giảm ảnh hưởng ISI tới tín hiệu OFDM bằng cách thêm vào các khoảng bảo vệ ở trước của mỗi symbol. Khoảng bảo vệ này là bản copy tuần hoàn theo chu kỳ, làm mở rộng chiều dài của dạng sóng symbol. Nó được tạo ra bằng cách lấy phần cuối của symbol OFDM để đưa vào phần đầu. Do vậy việc đưa vào các bản copy của symbol nối đuôi nhau tạo thành một tín hiệu liên tục, không có sự gián đoạn ở chỗ nối. Như vậy việc sao chép đầu cuối của symbol đã tạo ra một khoảng thời gian symbol dài hơn và giải điều chế nó mà không có lỗi. Hình 2.12.Chèn khoảng thời gian bảo vệ cho mỗi ký hiệu OFDM 2.1.10. Bảo vệ chống lại ISI Trong tín hiệu OFDM biên độ và pha của tải phụ phải được duy trì không đổi trong chu kỳ symbol để bảo đảm tính trực giao cho mỗi sóng mang. Nếu chúng bị thay đổi có nghĩa là dạng phổ của các tải phụ sẽ không có dạng sinc đúng và như vậy điểm không null sẽ không đúng, dẫn đến can nhiễu giữa các sóng mang ICI (inter-Carrier Interference). Ở biên của symbol biên độ và pha thay đổi tới giá trị mới cần thiết cho symbol dữ liệu tiếp theo. Trong môi trường multipath ISI gây ra sự trải rộng năng lượng giữa các symbol, dẫn đến sự thay đổi nhanh biên độ, pha của tải phụ ở điểm đầu symbol. Nó dẫn đến sự mở rộng độ trễ của kênh vô tuyến. Việc đưa vào các khoảng bảo vệ cho phép có thời gian để phần tín hiệu thay đổi nhanh này bị suy hao. Trở lại trạng thái ban đầu, do vậy FFT được lấy từ trạng thái đúng của symbol. Điều này loại bỏ ảnh hưởng của ISI. Để khắc phục ISI thì khoảng bảo vệ phải dài hơn sự mở rộng độ trễ của kênh vô tuyến. Hình 2.13. Chức năng của khoảng bảo vệ chống lại ISI 2.1.11. Độ dịch Doppler Do khoảng cách giữa nơi phát và thu có sự thay đổi nên tạo ra độ dịch Doppler (vì khoảng cách giữa nơi phát và thu thay đổi theo thời gian). Độ dịch Doppler gây ra sự thay đổi tần số của tín hiệu. Khi giảm khoảng cách giữa nơi phát và thu sẽ làm tăng tần số, còn khi tăng khoảng cách sẽ làm giảm tần số. Với hệ thống OFDM, độ dịch Doppler gây ra sự thay đổi vị trí sóng mang, có nghĩa là sóng mang sẽ dịch chuyển xuống tần số thấp hơn khi khoảng cách giữa nơi phát và thu tăng và ngược lại. Hình vẽ dưới đây chỉ rõ tín hiệu không có fading (1) và tín hiệu chịu ảnh hưởng của fading (2). Độ dịch tần Δf cho xe cộ di chuyển với vận tốc v và ở tần số fo được tính như sau: Δf ≈ v x fo/c Với c là vận tốc ánh sáng (3x 108 m/s) (Công thức cho rằng v<<c, là đúng cho môi trường thu - phát) Hình 2.14. Hiệu ứng của độ lệch Doppler 2.1.12. Tạo các ký hiệu OFDM Một ký hiệu OFDM băng tần gốc có thể được tạo ra trong miền số trước khi được điều chế vào các sóng mang con để truyền dẫn. Để tạo ra một OFDM băng tần gốc, một luồng dữ liệu đã được số hóa trước tiên được điều chế sử dụng các mô hình điều chế chung như PSK hoặc QAM. Sau đó, những ký hiệu dữ liệu này được chuyển đổi nối tiếp thành song song trước khi thực hiệu điều chế các sóng mang con. Các sóng mang con được lấy mẫu với tốc độ N/Ts, với N là số sóng mang con và Ts là khoảng thời gian ký hiệu OFDM, khoảng tần số giữa hai sóng mang con kế cận là 2Π/N. Cuối cùng những mẫu trên mỗi sóng mang con được tổng hợp lại thành một mẫu OFDM. Một ký hiệu OFDM được tạo ra bởi một hệ thống OFDM có N sóng mang con gồm N mẫu và mẫu thứ m của một ký hiệu OFDM là: 0£ m £N-1 (2.2) Ở đây Xn là ký hiệu dữ liệu được truyền trên sóng mang con thứ n. Phương trình 2.2 tương đương với hoạt động IDFT trên chuỗi dữ liệu. Điều này cũng có thể sử dụng IFFT với hiệu quả thực hiện tương đương như IDFT. Vì vậy, trên thực tế IFFT được thực hiện trên chuỗi dữ liệu tại một đầu phát OFDM cho điều chế băng tần gốc và FFT được thực hiệu tại đầu thu để giải điều chế băng tần gốc. Cuối cùng, một ký hiệu OFDM băng tần gốc được điều chế bởi một sóng mang trở thành tín hiệu phát và được truyền đến đầu thu. Trong miền tần số, đáp ứng này là để chuyển đồi tất cả những sóng mang từ băng tần gốc đồng thời lên tần số sóng mang. Hình 2.15 cho thấy một bộ phát OFDM gồm 4 sóng mang con và quá trình tạo ra một ký hiệu OFDM. Hình 2.15 Bộ phát OFDM 4 sóng mang 2.1.13 Mô tả ký hiệu OFDM 2.1.13.1.Miền thời gian Sóng OFDM được tạo ra nhờ biến đổi Fourier ngược, khoảng thời gian này được xem như là khoảng thời gian có ích của ký hiệu Tb. Bản sao của chu kì ký hiệu có ích cuối cùng Tg, được gọi là tiền tố tuần hoàn CP, được sử dụng để hiệu quả hơn trong tập hợp đa đường, trong khi vẫn duy trì tính trực giao của các sóng mang con. Hình 2.16 biểu diễn cấu trúc ký hiệu OFDM trong miền thời gian. Hình 2.16 Cấu trúc miền thời gian của ký hiệu OFDM 2.1.13.2.Miền tần số Hình 2.17 Mô tả tần số OFDM Lớp vật lý của WirelessMAN-OFDM là dựa vào điều chế OFDM. Dữ liệu được gửi trong khung của các ký hiệu OFDM. Một ký hiệu OFDM được tạo ra từ các sóng mang và cỡ FFT được xác định bởi số sóng mang. Có 3 loại sóng mang được sử dụng ở đây: Các sóng mang dữ liệu (DC): cho truyền dẫn dữ liệu. Các sóng mang hoa tiêu: cho các mục đích ước tính khác nhau. Các sóng mang không giá trị (Null): không truyền dẫn tất cả, được dùng cho các dải bảo vệ và các sóng mang DC. Mục đích của các dải bảo vệ là cho phép tín hiệu suy giảm và tạo dạng “tường gạch” (Brick Wall) FFT. Nó cũng góp phần xoá bỏ giao thoa giữa các kênh. Hình 2.17 biểu diễn tần số OFDM. 2.1.14. Các thông số và tín hiệu được phát của ký hiệu OFDM 2.1.14.1.Định nghĩa các thông số gốc Bốn tham số cơ bản mô tả một ký hiệu OFDM là: BW: Độ rộng băng tần kênh. Nused : Số các sóng mang con được sử dụng. n : Hệ số lấy mẫu. Tham số này cùng với BW và Nused xác định khoảng cách các sóng mang con và thời gian có ích của ký hiệu. G: Tỉ số giữa thời gian CP với thời gian có ích. 2.1.14.2.Định nghĩa các thông số chuyển giao Các thông số được định nghĩa trong tập các tham số gốc: NFFT: Số điểm của FFT/IFFT Tần số lấy mẫu: Fs = Floor(n.BW/8000)*8000 Khoảng cách sóng mang con: Δf = Fs / NFFT Thời gian ký hiệu có ích: Tb = 1/ Δf Độ dài CP: Tg = G.Tb Độ dài của ký hiệu OFDM: Ts = Tb + Tg Thời gian lấy mẫu: Tb / NFFT 2.1.14.3.Tín hiệu phát Phương trình (2.3) miêu tả điện áp tín hiệu được phát tới anten, như một hàm của thời gian trong bất kỳ ký hiệu OFDM nào. (2.3) Trong đó: t là thời gian, trôi qua từ khi bắt đầu của ký hiệu OFDM, với 0<t<Ts. Ck là một số phức; dữ liệu được phát trên trên sóng mang con có chỉ số khoảng tần số là k, trong khoảng mỗi ký hiệu OFDM. Nó miêu tả một điểm trong chòm sao QAM. Δƒ là khoảng cách các sóng mang. Δƒ =Fs/NFFT. Fs là tần số lấy mẫu, NFFT là số điểm của FFT/IFFT. 2.1.14.4.Các thông số của tín hiệu phát Các thông số của tín hiệu OFDM được phát được chỉ ra trong bảng 2.2: Bảng 2.2 Các thông số lớp PHY OFDM-256 Thông số Giá trị NFFT 256 Nused 200 N Với dải thông ở 1.75MHz n=8/7 Với dải thông ở 1.5MHz n=86/75 Với dải thông ở 1.25MHz n=144/125 Với dải thông ở 2.75MHz n=316/275 Với dải thông ở 2MHz n=57/50 Với dải thông khác n=8/7 G: Độ dài tiền tố tuần hoàn 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 Số sóng mang bảo vệ tần số thấp 28 Số sóng mang bảo vệ tần số cao 27 Khoảng tần số dành riêng cho sóng mang bảo vệ -128, -127, ……., -101 +101, +102, ….., +127 Khoảng tần số dành riêng cho cấp phát cố định cơ bản của các sóng mang bảo vệ -84, -60, -36, -12, 12, 36, 60, 84 Khoảng tần số dành riêng cho các sóng mang hoa tiêu -88, -63, -38, -13, 13, 38, 63, 88 Băng tần kênh 20 MHz 2.1.15. Cấu trúc khung. Một khung được chia thành các khung nhỏ DL và UL. Những khung nhỏ DL và UL được bắt đầu với ô preamble (cho biết giới hạn số sóng mang của symbol) để tìm lại thông tin về kênh truyền và cho phép máy thu tìm lại đáp ứng kênh. Ô FCH và DL MAP chứa thông tin về nội dung khung (vị trí và kiểu điều chế của mỗi burst) và được điều chế - BPSK. (hình 2.18) Hình 2.18. Cấu trúc khung 802.16 OFDM 2.2. Kĩ thuật OFDMA cho mạng WIMAX OFDM khai thác phân tập tần số của kênh đa đường bởi mã hoá và đan xen thông tin qua sóng mang con trước khi truyền dẫn. Điều chế OFDM có thể được thực hiện hiệu quả với biến đổi Fourrier ngược nhanh (IFFT), mà cho phép một số lượng lớn sóng mang con (lên tới 2048) với độ phức tạp thấp. Trong một hệ thống OFDM, tài nguyên khả dụng trong miền thời gian là các ký hiệu OFDM và trong miền tần số là các sóng mang con. Các tài nguyên thời gian và tần số có thể được sắp xếp thành các kênh con để cấp phát cho từng người sử dụng. Đa truy nhập ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) là một kế hoạch ghép kênh đa truy nhập để cung cấp hoạt động ghép kênh của luồng dữ liệu từ nhiều người sử dụng trên các kênh con đường xuống và đa truy nhập đường lên bởi các kênh con đường lên. Nhiều người dùng cùng chia sẻ một băng tần nền được gọi là OFDMA. Mỗi người dùng có thể dùng một số sóng mang con đã định trước hoặc thay đổi tùy theo thông tin cần truyền (sự điều khiển này phụ thuộc vào lớp MAC). Công nghệ OFDMA cho phép những sóng mang con được gán tới các người dùng khác nhau. Ví dụ các sóng mang con 1, 3 và 7 có thể được gán cho người dùng 1, và các sóng mang con 2, 5 và 9 cho người dùng 2. Những nhóm sóng mang con này có thể được xem như các kênh con. OFDMA cho phép kích thước FFT nhỏ hơn để cải thiện chất lượng đối với các kênh có giải thông thấp hơn. 2.2.1. Nguyên lý cơ bản WIMAX dùng công nghệ đa truy nhập kênh OFDM lớp MAC, với việc hỗ trợ bởi hai phương pháp truyền song công FDD và TDD. Ưu điểm của phương pháp này là cho phép linh hoạt thay đổi độ rộng băng tần lên hoặc xuống vì vậy có thể thay đổi tốc độ phát hoặc thu dữ liệu chứ không phải là cố định như trong ADSL hay trong CDMA. Trong Wi-Fi thì tất cả các trạm đều truy nhập một cách ngẫu nhiên đến điểm truy cập AP, vì vậy mà khoảng cách khác nhau từ mỗi nút đến AP sẽ làm giảm thông lượng của mạng. Nhưng ở lớp MAC của 802.16 thì quá trình truy nhập của mỗi thuê bao là được định trước vì vậy các trạm chỉ có duy nhất một lần cạnh tranh kênh truyền dẫn là thời điểm ra nhập mạng. Sau mỗi thời điểm đó thì mỗi trạm được trạm gốc gắn cho một khe thời gian, khe thời gian đó có thể mở rộng hay co hẹp lại trong quá trình truyền dẫn. Hình 2.19. Sự sắp xếp theo hai chiều trong OFDMA 2.2.2. Những đặc tính vượt trội Ưu điểm của việc đặt sẵn lịch trình này là việc truyền dẫn vẫn hoạt động một cách ổn định trong trường hợp quá tải và số lượng thuê bao đăng ký vượt quá cho phép làm tăng khả năng sử dụng băng tần. Ngoài ra, nó còn cho phép trạm gốc có thể điều khiển chất lượng dịch vụ (QoS) bằng việc cân bằng nhu cầu truyền thông giữa các thuê bao. C ác quá trình đó được thực hiện bởi việc mã hóa và điều chế thích nghi AMC (Adaptation Modulation and Coding) để tối ưu hóa băng thông tuỳ thuộc vào điều kiện của kênh truyền. Với kênh truyền tốt có thể điều chế dạng 64-QAM. Với kênh truyền chất lượng thấp hơn thì dùng điều chế QPSK. Kĩ thuật AMC là một trong những ưu điểm lớn của OFDM vì nó cho phép tối ưu hóa mức điều chế trên mỗi kênh con dựa trên chất lượng của tín hiệu (SNR) và chất lượng của kênh truyền dẫn. Với OFDMA nó cho phép việc phân chia tài nguyên cho các thuê bao thông qua việc truy nhập vào các sóng mang phụ khác nhau. Hình 2.20.Sự so sánh OFDM và OFDMA Bảng 2.3. Tham số vật lý của OFDMA 2.2.3. Các giao thức OFDMA 2.2.3.1. Phân hóa kênh con Trong wimax, các user được cấp các khối sóng mang con hơn là các sóng mang con riêng biệt để giảm sự phức tạp cho thuật toán cung cấp sóng mang con và làm đơn giản việc ánh xạ các bản tin. Giả sử rằng một user k được cấp một khối Lk các sóng mang con, các sóng mang con này có thể được phân bố trên toàn băng thông theo mô hình sắp xếp sóng mang con phân phối, hoặc cùng một dãy tần số theo mô hình sắp xếp sóng mang con kế cận. Ưu điểm của mô hình sắp xếp sóng mang con phân phối là tăng tính đa dạng và mạnh mẽ của băng thông, ưu điểm của mô hình sắp xếp sóng mang con kế tiếp là tăng tính đa dạng của nhiều user. 2.2.3.2. Sự ánh xạ các bản tin Để cho mỗi MS biết là những sóng mang con nào được dành cho nó, BS phát quảng bá thông tin này trong các bản tin DL MAP, cũng như BS cho mỗi MS biết những sóng mang con nào cho nó truyền bản tin UL MAP. Ngoài việc cấp các sóng mang con truyền thông UL và DL cho MS thì MS cũng phải hiểu các burst profile được sử dụng cho UL và DL. Burst profile dựa trên việc đo SINR và BLER cho cả hai đường và nhận dạng mức độ thích ứng của sự mã hóa và điều chế. 2.2.3.3. Sự sắp xếp Khi mỗi MS xác định khoảng cách đến BS, nó quyết định sự đồng bộ các ký hiệu và cân bằng mức công suất thu giữa các MS, quá trình này được gọi là sự sắp xếp. Khi khởi đầu, việc sắp xếp yêu cầu BS dự đoán độ mạnh của kênh và thời gian đến của MS. Sự đồng bộ đường xuống thì không cần thiết khi đường này luôn được đồng bộ trước. Nhưng trong đường lên, các user cần được đồng bộ tối thiểu trong một chu kỳ khoảng thời gian chèn. Nếu không thì nhiễu xuyên ký tự và nhiễu giữa các sóng mang sẽ xảy ra. Tương tự, thông qua điều khiển công suất đường xuống được yêu cầu để giảm sự can nhiễu qua cell khác. Điều khiển công suất đường lên để tăng thời gian sống của pin và giảm xuyên nhiễu giữa các cell. Trong wimax gồm có 4 loại thủ tục sắp xếp: khởi tạo, khoảng chu kỳ, yêu cầu băng thông và chuyển giao. Sắp xếp được thực hiện trong 2 hoặc 4 ký tự liên tục mà không có sự kết hợp pha, điều này cho phép BS biết một MS đã mất đồng bộ, mất kết nối định thời rộng hơn so với tiền tố vòng. Nếu thủ tục sắp xếp thành công BS gửi một bản tin đáp ứng sắp xếp để chỉ thị MS điều chỉnh thời gian offset thích ứng, làm đúng tần số offset và thiết lập công suất. Nếu sắp xếp không thành công, MS sẽ tăng mức công suất và gửi một bản tin sắp xếp mới để tiếp tục quá trình này đến khi thành công. 2.2.4. Cấu trúc ký hiệu OFDMA và phân kênh con Cấu trúc ký hiệu OFDMA gồm có 3 loại sóng mang con như trong hình 2.21: Sóng mang con dữ liệu để truyền dẫn dữ liệu. Sóng mang con hoa tiêu cho mục đích ước tính và đồng bộ. Sóng mang con Null không dùng cho truyền dẫn, mà sử dụng cho các dải bảo vệ và các sóng mang DC. Các sóng mang con tích cực (dữ liệu và hoa tiêu) được nhóm thành các tập con gọi là các kênh con. Lớp vật lý OFDMA 802.16e hỗ trợ kênh con trong cả DL và UL. Đơn vị tài nguyên thời gian - tần số nhỏ nhất của phân kênh con là một khe bằng 48 tone dữ liệu (sóng mang con). Có hai loại hoán vị sóng mang con phân cho kênh con, phân tập và liền kề. Hoán vị phân tập đưa các sóng mang con giả ngẫu nhiên vào dạng một kênh con. Nó cung cấp phân tập tần số và trung bình hoá nhiễu giữa các tế bào. Các hoán vị phân tập bao gồm DL FUSC (sóng mang con được sử dụng hoàn toàn), DL PUSC (sóng mang con được sử dụng một phần), UL PUSC và các hoán vị không bắt buộc. Hình 2.21 Cấu trúc sóng mang con OFDMA Với DL PUSC mỗi cặp ký hiệu OFDM, các sóng mang con khả dụng hoặc thích hợp được nhóm thành các cụm bao gồm 14 sóng mang con liền kề trên một chu kì ký hiệu, có cấp phát hoa tiêu và dữ liệu ở mỗi cụm trong các ký hiệu lẻ và chẵn được biểu diễn như trong hình 2.22. Hình 2.22.Kênh con phân tập tần số DL Kế hoạch sắp xếp lại được sử dụng để nhóm các cụm sao cho mỗi nhóm được cấu thành từ các cụm được phân bố khắp không gian sóng mang con. Một kênh con trong một nhóm gồm hai cụm và được cấu thành từ 48 sóng mang con dữ liệu, 8 sóng mang con hoa tiêu. Các sóng mang con dữ liệu trong mỗi nhóm được hoán vị để tạo ra các kênh con trong nhóm. Vì vậy, chỉ các vị trí hoa tiêu trong cụm được biểu diễn trong hình 2.21. Các sóng mang con dữ liệu trong cụm được phân bố cho nhiều kênh con. Tương tự với cấu trúc cụm DL, một cấu trúc tile được định nghĩa cho UL PUSC có dạng như hình 2.23. Không gian sóng mang con khả dụng được chia thành các tile và 6 tile được chọn qua toàn bộ phổ bởi kế hoạch hoán vị/sắp xếp lại, được nhóm lại để hình thành một khe. Khe gồm có 48 sóng mang con dữ liệu và 24 sóng mang con hoa tiêu trong 3 ký hiệu OFDM. Hoán vị liền kề nhóm một khối các sóng mang con liền kề để hình thành một kênh con hoán vị liền kề bao gồm DL AMC, UL AMC và có cấu trúc tương tự. Một bin gồm 9 sóng mang con liền kề trong một ký hiệu, với 8 gán cho dữ liệu và 1 gán cho hoa tiêu. Một khe trong AMC được định nghĩa như một tập hợp các bin của kiểu (NxM=6), trong đó N là số bin liền kề và M là số ký hiệu liền kề. Vì vậy, các tổ hợp được phép là [(6 bin, 1 ký hiệu), (3 bin, 2 ký hiệu), (2 bin, 3 ký hiệu), (1 bin, 6 ký hiệu)]. Hoán vị AMC cho phép phân tập đa người sử dụng bởi lựa chọn kênh con có đáp ứng tần số tốt nhất. Hình 2.23. Cấu trúc tile cho UL PUSC Nhìn chung, phân tập hoán vị sóng mang con thực hiện tốt trong các ứng dụng di động còn hoán vị sóng mang con liền kề phù hợp trong các môi trường cố định hoặc tính di động thấp. Các sự lựa chọn này cho phép nhà thiết kế hệ thống cân bằng tính di động cho thông lượng. 2.2.5. OFDMA theo tỉ lệ (scalable) Mô hình OFDMA WirelessMAN ( IEEE 802.16e-2005 ) dựa vào khái niệm OFDMA theo tỉ lệ (S-OFDMA). S-OFDMA hỗ trợ một dải rộng băng thông với địa chỉ linh động cần cho cấp phát phổ khác nhau và các yêu cầu mô hình thông thường. Bảng 2.4 Các thông số S-OFDMA Thông số Giá trị Băng thông kênh hệ thống (MHz) 1,25 5 10 20 Tần số lấy mẫu (Fp theo MHz) 1,4 5,6 11,2 22,4 Cỡ FFT (NFFT) 128 512 1024 2048 Số kênh con 2 8 16 32 Khoảng tần số sóng mang con 10,94 KHz Thời gian ký hiệu có ích (Tb=1/f) 91,4 ms Thời gian bảo vệ (Tg=Tb/8) 11,4 ms Khoảng ký hiệu OFDMA (Ts=Tb+Tg) 102,9 ms Số ký hiệu OFDMA (khung 5ms) 48 Tính linh động được hỗ trợ bởi điều chỉnh cỡ FFT, trong khi đó không gian cố định tần số sóng mang con tại 10,94 KHz. Ở đây, khối tài nguyên băng thông sóng mang con và khoảng ký hiệu là cố định, tác động tới các lớp cao là rất nhỏ khi phân tỉ lệ băng thông. Các thông số S-OFDMA được liệt kê trong bảng 2.4. Các hệ thống băng thông thiết kế ban đầu được phát triển bởi nhóm công nghệ diễn đàn WiMAX trong Release-1 là 5 và 10 MHz. 2.2.6. Cấu trúc khung TDD PHY 802.16e hỗ trợ TDD, hoạt động FDD song công và bán song công. Tuy nhiên, phiên bản ban đầu của 802.16e chỉ bao gồm TDD. Với các phiên bản sau này, FDD được xem xét bởi diễn đàn WiMAX bàn về các cơ hội thị trường đặc biệt là các yêu cầu điều chỉnh phổ nội hạt hoặc ngăn chặn TDD hoặc phù hợp cho việc triển khai FDD. Để chống lại nhiễu, TDD yêu cầu đồng bộ toàn hệ thống. Tuy nhiên, TDD là mô hình song công thích hợp hơn vì các lí do sau đây: TDD cho phép điều chỉnh tỉ lệ đường xuống /đường lên để hỗ trợ hiệu quả lưu lượng đường xuống /đường lên không đối xứng, trong khi đó với FDD, đường lên và đường xuống luôn cố định và nhìn chung thì băng thông UL và DL bằng nhau. TDD đảm bảo đặc quyền kênh để hỗ trợ tốt hơn thích ứng liên kết, MIMO và các công nghệ anten tiên tiến vòng kín khác. Không giống với FDD yêu cầu một cặp kênh, TDD chỉ yêu cầu một kênh cho cả đường lên và đường xuống, cung cấp tính mềm dẻo tốt hơn để thích ứng cho các cấp phát phổ toàn bộ khác nhau. Thiết kế máy thu phát vô tuyến cho TDD ít phức tạp hơn và do đó rẻ hơn. Hình 2.24 minh hoạ cấu trúc khung OFDM cho sự thực hiện truyền dẫn song công phân chia theo thời gian (TDD). Mỗi khung được chia thành các khung con DL và UL được tách biệt bởi khoảng quá độ phát/thu và thu/phát (TTG và RTG) để ngăn chặn tranh chấp truyền dẫn UL và DL. Trong một khung, các thông tin điều khiển sau đây được sử dụng để đảm bảo hoạt động của hệ thống là tốt nhất: Đoạn mào đầu: đoạn mào đầu được sử dụng cho đồng bộ, là ký hiệu OFDM đầu tiên của khung. Tiêu đề điều khiển khung (FCH): FCH nằm sau đoạn mào đầu. Nó cung cấp thông tin cấu hình khung như độ dài bản tin MAP, sơ đồ mã hoá và các kênh con thích hợp. DL-MAP và UL-MAP: DL-MAP và UL-MAP cung cấp cấp phát kênh con và các thông tin điều khiển khác tương ứng cho khung con DL và UL. Sắp xếp UL: Kênh con sắp xếp UL được cấp phát cho trạm di động (MS) để thực hiện điều chỉnh thời gian, tần số và công suất vòng kín cũng như các yêu cầu băng thông. UL CQICH: Kênh UL CQICH được cấp phát cho MS để hồi tiếp thông tin trạng thái kênh. UL ACK: UL ACK được cấp phát cho MS để hồi tiếp chấp nhận DL HARQ. Hình 2.24. Cấu trúc khung 802.16e OFDMA 2.2.7. Tổng quát về khung (Frame) Hình vẽ dưới đây giới thiệu một cách khái quát về khung OFDMA. Hình 2.25. Cấu trúc khung OFDMA 2.2.8. Các phần trong khung (Frame Parts) UL và DL được tách ra bởi các khe hở: transmit transition gap (TTG) sau khung con DL và receive transition gap (RTG) sau khung con UL. Trong DL có 4 thành phần mà nó mang thông tin cho phép máy thu giải điều chế tín hiệu : preamble, FCH, DL-MAP và UL-MAP. Bốn thành phần này trong cấu trúc 802.16-2004 được sử dụng cho việc truyền thêm thông tin tín hiệu cần thiết trong tín hiệu OFDMA. 2.2.8.1. Preamble Ô preamble là ô bắt đầu của mỗi khung downlink. Nó bao gồm các sóng mang điều chế-BPSK và có độ dài 1 symbol OFDMA. Preamble được sử dụng vào hai mục đích: - Bố trí tuần tự pilot vào trong ô preamble để dễ dàng hơn cho máy thu trong việc đánh giá lỗi tần số, pha và để đồng bộ với máy phát. Chúng được sử dụng để đánh giá và cân bằng kênh. - Số sóng mang preamble sử dụng để chỉ ra 3 segment được sử dụng. Các Sóng mang 0,3,6... chỉ ra rằng segment 0 là được sử dụng; các sóng mang 1,4,7 ... chỉ ra segment 1 được dùng, và các sóng mang 2,5,8,.. chỉ ra segment 3 được dùng. 2.2.8.2. FCH Frame control header (FCH) được điều chế QPSK và có độ dài 2 symbol OFDMA. Vị trí vật lý của trường FCH là cố định, để khi trong preamble không có thông tin thì nó sẽ mô tả địa chỉ. Nội dung của FCH mô tả Subchannel sử dụng, độ dài của DL-MAP và các tham số truyền dẫn khác sẽ được cho dưới đây: 2.2.8.3. DL-MAP /UL-MAP DL-MAP (downlink map) mô tả vị trí của các burst chứa trong Downlink Zones. Nó gồm số các downlink burst, độ dài của chúng theo cả hướng thời gian (=symbol) và tần số (= subchannel). UL-MAP (uplink map) được truyền như burst đầu tiên trong đường xuống (downlink) và gồm các thông tin về vị trí của UL burst cho các người sử dụng khác nhau. 2.3. Kết luận chương. Qua chương này giúp ta hiểu sâu hơn về các kĩ thuật áp dụng trong WiMAX, từ đó ta có thể dễ dàng tìm hiểu các mô hình ứng dụng của WiMAX trong chương sau. CHƯƠNG III ĐẶC ĐIỂM CÔNG NGHỆ WiMAX 3.1 WiMAX cố định - IEEE 802.16d-2004 3.1.1 Lớp MAC 3.1.1.1 Lớp con hội tụ CS Khái niệm CID: Một kết nối được hiểu là một ánh xạ từ MAC-BS tới MAC-SS với mục đích vận chuyển lưu lượng của một loại dịch vụ. Mỗi kết nối được xác định bởi một CID là viết tắt của chữ Connection Identifier, có độ dài 16 bit. Lớp con hội tụ CS thi hành một số các chức năng như nhận các PDU từ lớp cao hơn, phân lớp dịch vụ các PDU đó, tùy theo các dịch vụ mà xử lí các PDU, phân phối các PDU này xuống lớp con MAC thông qua một điểm SAP thích hợp. Tuy nhiên, nhiệm vụ chính của lớp này là phân loại các đơn vị dịch vụ dữ liệu SDU, ánh xạ nó vào một kết nối MAC phù hợp, tức là vào một CID, đảm bảo cho việc xử lí QoS. Để đảm bảo thực hiện được điều này, lớp CS có thể sử dụng các thuật toán tinh vi để ánh xạ hoặc cũng có thể thêm, thay đổi tiêu đề mỗi gói tin của lớp trên để xử lí. Hiện tại chỉ có hai định nghĩa được được cung cấp trong 802.16: ATM CS và Packet CS. ATM CS được định nghĩa cho các dịch vụ ATM còn Packet CS được định nghĩa cho các dịch vụ gói như Ipv4, Ipv6, Ethernet, VLAN,… ATM CS nhận các tế bào ATM, xử lí, phân lớp dịch vụ và phân phối nó xuống lớp dưới. Packet CS phân lớp các loại MAC SDU vào kết nối thích hợp, gỡ, thêm các tiêu đề, phân phối dữ liệu đến lớp con MAC, nhận dữ liệu từ lớp con MAC rồi xử lí. Các MAC SDU sẽ được phân loại bằng cách ánh xạ nó vào một kết nối riêng, điều đó cũng có nghĩa là MAC SDU sẽ được ánh xạ vào một luồng dịch vụ riêng, có các đặc điểm QoS riêng. Hình 3.1 thể hiện quá trình phân loại MAC SDU Hình 3.1 Quá trình phân loại MAC SDU 3.1.1.2 Lớp con MAC CPS Sự trao đổi giữa các BS và SS trong một vùng thường có mấy dạng kiến trúc là P2P, PMP và Mesh. - Kiến trúc P2P xảy ra khi chỉ có một BS và một SS, các kết nối xảy ra giữa từng cặp BS, SS. - Kiến trúc PMP là sẽ có một kết nối giữa một BS với nhiều SS khác nhau. So với P2P thì PMP có khả năng phục vụ cao hơn, hiệu suất tốt nhưng phạm vi bao phủ thường hẹp hơn nhiều. Kiến trúc PMP trong triển khai thường được tổ chức thành các vùng (sector) và nó hỗ trợ tốt trong truyền thông multicast. - Kiến trúc Mesh là một kiến trúc mà bao giờ cũng có một đường kiên kết giữa hai điểm bất kì. Mặc dù 802.16- 2004 hỗ trợ cả ba kiểu kiến trúc trên nhưng PMP là kiến trúc được quan tâm nhất. Kiến trúc này có một BS làm trung tâm sẽ cung cấp kết nối cho nhiều SS. Trên đường xuống (downlink), dữ liệu đưa tới SS được hợp kênh theo kiểu TDM. Các SS chia sẻ đường lên theo dạng TDMA. MAC 802.16 theo kiểu hướng kết nối (connection-oriented). Tất cả những dịch vụ bao gồm những dịch vụ không kết nối (connectionless) cố hữu, được ánh xạ tới một kết nối. Điều đó cung cấp một cơ chế cho yêu cầu dải thông, việc kết hợp QoS và các tham số về lưu lượng, vận chuyển và định tuyến dữ liệu đến lớp con quy tụ thích hợp và tất cả các hoạt động khác có liên quan đến điều khoản hợp đồng của dịch vụ. Các kết nối được tham chiếu đến các CID 16-bit (16-bit connection identifier) và có thể yêu cầu liên tiếp dải thông được cấp phát hay dải thông theo yêu cầu. Đánh địa chỉ và kết nối Mỗi SS sẽ có một địa chỉ cứng gọi là địa chỉ MAC 48bit, giống như được định nghĩa trong 802 nói chung. Địa chỉ này là duy nhất cho thiết bị trên toàn thế giới. Nó được sử dụng trong quá trình khởi tạo kết nối. Nó cũng có thể được dùng để chứng thực giữa BS và SS với nhau. Lúc vào mạng, SS được gán ba kết nối quản lý (management connection) cho mỗi hướng (Uplink hoặc Down link). Ba kết nối này phản ánh ba yêu cầu QoS khác nhau được sử dụng cho ba mức quản lý khác nhau giữa BS và SS. Kết nối đầu tiên là kết nối cơ sở (basic connection) được dùng để truyền các thông điệp ngắn, “time - critical MAC” và RLC (radio link control). Kết nối quản lý sơ cấp (primary management connection) được sử dụng để truyền các thông điệp dài hơn, chịu trễ nhiều hơn như những gì được sử dụng để chứng thực và cài đặt kết nối. Kết nối quản lý thứ cấp được sử dụng để truyền các thông điệp quản lý dựa trên cơ sở các chuẩn như DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol), TFTP (Trivial File Transfer Protocol) và SNMP (Simple Network Management Protocol). Ngoài những kết nối quản lý này, các SS được cấp phát các kết nối vận chuyển (transport connection) cho các dịch vụ đã ký hợp đồng. Những kết nối vận chuyển theo một hướng duy nhất đơn giản hoá các tham số QoS đường lên và đường xuống khác nhau và các tham số lưu lượng. Ngoài ra MAC còn dự trữ các kết nối bổ sung cho những mục đích khác như sự truy nhập lúc khởi đầu trên cơ sở cạnh tranh, sự truyền quảng bá (broadcast) cho đường xuống hoặc sự kiểm tra tuần tự (polling). Định dạng MAC PDU MAC PDU là đơn vị dữ liệu được dùng để trao đổi thông tin giữa các lớp MAC của BS và SS. MAC PDU có hai dạng, dạng thông thường và dạng yêu cầu băng thông. MAC PDU thông thường bắt đầu bởi một tiêu đề có chiều dài cố định. Tiếp theo là tải (payload), tải có độ dài thay đổi, chính vì vậy mà MAC PDU cũng có chiều dài thay đổi. Và cuối cùng là mã CRC. MAC PDU yêu cầu băng thông thì chỉ có phần tiêu đề mà thôi. Hình 3.2 dưới đây mô tả dạng của MAC PDU Hình 3.2 Cấu trúc của MAC PDU Mỗi MAC PDU bao gồm phần tiêu đề có chiều dài cố định. Tiếp theo là tải, tải thông thường bao gồm các tiêu đề con (subheader) và MAC SDU. Tải cũng có thể có độ dài bằng 0 trong trường hợp đó là MAC PDU dùng để yêu cầu băng thông. CRC (Cyclical Redundancy Checking) là mã vòng kiểm soát lỗi cho cả phần header và payload trong MAC PDU tương ứng với nó. CRC chỉ được gắn vào MAC PDU khi đó là MAC PDU thông thường (chứa thông tin quản lý hoặc dữ liệu). Như vậy, MAC PDU yêu cầu băng thông không được bảo vệ bằng CRC. Quá trình xây dựng MAC PDU Trước khi được truyền đi, lớp MAC sẽ phải xây dựng MAC PDU một cách hợp lí và hiệu quả nhất. Quá trình này bao gồm các bước sau: - Quá trình móc nối: Nhiều MAC PDU có thể được kết hợp với nhau vào một phiên truyền ( PDU dữ liệu, PDU yêu cầu băng thông,…). Quá trình này có thể thực hiện ở cả đường lên và đường xuống. - Quá trình phân mảnh: Quá trình này chia một MAC SDU có kích thước lớn thành nhiều MAC PDU có kích thước hợp lí hơn. Quá trình này được sử dụng đối với các dịch vụ mà gói tin có kích thước lớn như voice, video,.. được dùng để khai thác một cách hiệu quả băng thông liên quan đến chất lượng dịch vụ. Nó có thể được thực hiện ở cả đường lên và đường xuống. - Quá trình đóng gói (packing): Quá trình kết hợp nhiều MAC SDU thành một MAC PDU. Các kết nối phải cho phép mang các gói tin có kích thước thay đổi để khai thác được hiệu quả tính năng này. Cả hai quá trình phân mảnh và đóng gói có thể được bắt đầu bởi một BS cho một kết nối đường xuống hoặc một SS cho một kết nối đường lên. Hai quá trình này được cho phép đồng thời để có thể sử dụng dải thông một cách hiệu quả. Yêu cầu dải thông và cấp phát Khi vào mạng, mỗi SS được gán đến 3 CIDs cho các mục đích gửi và nhận những thông điệp điều khiển, 3 cặp kết nối CID này được sử dụng để phân biệt các mức QoS của các kết nối khác nhau. Yêu cầu tăng hoặc giảm băng thông rất cần thiết cho tất cả các dịch vụ ngoại trừ kết nối UGS (dịch vụ cấp phát tự nguyện) có tốc độ bit không đổi. Ngoài ra các kết nối khác có nhu cầu tăng hoặc giảm băng thông phụ thuộc vào lưu lượng truyền. Khi một SS cần yêu cầu băng thông trên một kết nối với dịch vụ lập lịch BE (Best Effort), nó gửi một thông điệp đến BS bao gồm nhu cầu tức thì về kết nối DAMA (DAMA là một dịch vụ cung cấp tài nguyên khi SS phát sinh nhu cầu). QoS cho kết nối đã được tạo lập tại lúc thiết lập kết nối và được tìm kiếm bởi BS. Hỗ trợ PHY và cấu trúc khung MAC IEEE 802.16-2004 hỗ trợ cả TDD lẫn FDD. Sự lựa chọn giữa hai công nghệ song công này có những ảnh hưởng nhất định đến thông số lớp PHY cũng như tác động đến các đặc tả hỗ trợ của MAC. Ở hệ thống FDD, đường lên và đường xuống được đặt ở những tần số riêng biệt, dữ liệu đường xuống có thể được phát "continuous" (liên tục) hoặc theo từng "burst" (không liên tục). Các đường xuống “continuous” có tính đến các kỹ thuật nâng cao hiệu suất như “interleaving” (chèn). Các đường xuống “burst” (FDD hoặc TDD) cho phép sử dụng nhiều kỹ thuật nâng cao khả năng và dung lượng hơn như “burst-profiling” thích ứng mức thuê bao và các hệ thống ăngten cải tiến. MAC xây dựng khung con (subframe) của đường xuống bắt đầu với một đoạn điều khiển khung có chứa các thông điệp DL-MAP và UL-MAP. Chúng chỉ ra những chuyển tiếp PHY trên đường xuống cũng như những định vị dải thông và các “burst-profile” ở đường lên. DL-MAP luôn có thể ứng dụng cho khung hiện thời và luôn có độ dài tối thiểu là hai block FEC. Sự chuyển tiếp PHY đầu tiên được biểu thị trong block FEC đầu tiên cho phép thời gian xử lý thích ứng. Trong cả hai hệ thống TDD và FDD, UL-MAP cung cấp các định vị bắt đầu không muộn hơn khung đường xuống tiếp theo. Tuy vậy, UL-MAP có thể định vị sự khởi đầu khung hiện thời miễn là những thời gian xử lý và những độ trễ toàn phần (round-trip delay) phải được giám sát. Điều khiển kết nối Radio (RLC- Radio Link Control) Công nghệ được cải tiến của PHY 802.16-2004 đòi hỏi RLC nâng cao, đặc biệt khả năng PHY để chuyển tiếp từ một burst-profile tới một burst-profile khác. RLC phải điều khiển khả năng này cũng như các chức năng RLC truyền thống. Uplink Scheduling Services (các dịch vụ lập lịch đường lên) - Mỗi kết nối theo hướng đường lên được ánh xạ đến một scheduling-service. Mỗi scheduling-service liên quan đến một tập các quy tắc dựa trên trình lập lịch BS (BS-scheduler) chịu trách nhiệm cấp phát dung lượng cho đường lên và giao thức cấp phát theo yêu cầu giữa SS và BS. Đặc tả chi tiết các quy tắc và scheduling-service được dùng cho một kết nối đường lên đặc thù được thỏa thuận tại thời gian cài đặt kết nối. Dịch vụ cấp phát tự nguyện UGS (unsolicited grant service) được biến đổi để mang lại các dịch vụ tạo ra những đơn vị cố định dữ liệu theo chu kỳ. Khi được sử dụng với UGS, đầu mục con quản lý cấp phát gồm poll-me bit cũng như slip indicator flag (cờ báo lỗi) cho phép SS báo cáo rằng hàng đợi truyền bị ùn do các yếu tố như mất sự cấp phát hay lệch giờ giữa hệ thống và mạng bên ngoài. Nhờ vào sự phát hiện slip- indicator flag, BS có thể cấp phát dung lượng bổ sung nào đó cho SS, cho phép nó hồi phục trạng thái hàng đợi trung bình. Những kết nối được cấu hình với UGS thì không được phép sử dụng những cơ hội truy nhập ngẫu nhiên cho các yêu cầu. Quá trình khởi tạo và đi vào mạng Hệ thống hỗ trợ những thủ tục cho quá trình đăng kí vào mạng của một SS mới. Thủ tục này bao gồm những pha nhỏ sau: - Sự thu nhận kênh (Channel Acquisition): Giao thức MAC bao gồm một thủ tục khởi tạo được thiết kế để loại trừ nhu cầu cấu hình thủ công. Vào lúc cài đặt, một SS bắt đầu quét danh sách tần số của nó để tìm ra một kênh hoạt động. Nó có thể được chương trình hoá để đăng ký với một BS xác định, tham chiếu đến một broadcast ID BS (có khả năng chương trình hoá). Sau khi quyết định trên kênh nào, SS cố gắng thử đồng bộ hoá sự truyền đường xuống do phát hiện ra các đoạn đầu khung theo chu kỳ (periodic frame preambles). Một khi lớp vật lý được đồng bộ hoá, SS sẽ tìm kiếm những thông báo UCD và DCD quảng bá định kỳ cho phép SS nhận biết sự điều chế và các kế hoạch FEC sử dụng trên sóng mang. - Chứng thực và đăng ký SS: Mỗi SS có chứa một giấy chứng nhận số X.509 được cài đặt từ nhà máy và giấy chứng nhận của nhà sản xuất. Các giấy chứng nhận này thiết lập một liên kết giữa địa chỉ MAC 48-bit của SS và khoá RSA dùng chung, được gửi cho BS từ SS trong những thông báo yêu cầu cấp phép và thông tin chứng thực. Mạng có khả năng xác minh sự giống nhau của SS bởi việc kiểm tra các giấy chứng nhận và sau đó kiểm tra mức cho phép của SS. Nếu SS được cấp phép để tham gia mạng, BS sẽ đáp lại yêu cầu của nó với một Authorization Reply (trả lời cấp phép) có chứa một khoá AK (Authorization Key) được mã hoá với khóa dùng chung của SS và được dùng để bảo vệ những giao dịch sau này. Trong lúc cấp phép thành công, SS sẽ đăng ký với mạng. Điều đó sẽ thiết lập kết nối quản lý thứ cấp của SS và xác định những khả năng có liên quan đến cài đặt kết nối và quá trình hoạt động MAC. Phiên bản IP được sử dụng với kết nối quản lý thứ cấp cũng được xác định trong thời gian đăng ký. - Tạo kết nối IP (tùy chọn): Sau khi đăng ký, SS giành được một địa chỉ IP qua DHCP và thiết lập thời gian trong ngày qua đường ITP (Internet Time Protocol). Server DHCP cũng cung cấp địa chỉ của server TFTP (Trivial File Transfer Protocol), từ đó SS có thể yêu cầu một file cấu hình. File này cung cấp một giao diện chuẩn đưa ra thông tin cấu hình đặc trưng của nhà cung cấp. - Cài đặt kết nối: Nhìn tổng thể, việc cài đặt các luồng dịch vụ trong IEEE 802.16-2004 được khởi tạo bởi BS trong thời gian khởi tạo SS. Tuy vậy, các luồng dịch vụ có thể cũng được thiết lập động bởi BS hoặc SS. Điển hình SS chỉ khởi tạo các luồng dịch vụ nếu có một kết nối được báo hiệu động như một SVC (switched virtual connection) từ một mạng ATM. Sự thiết lập các luồng dịch vụ được thực hiện thông qua một giao thức “three-way handshaking" (bắt tay ba bước) mà tại đó yêu cầu thiết lập luồng dịch vụ được đáp lại và sự đáp lại đó được xác nhận. Chất lượng dịch vụ trong 802.16-2004 Mạng băng rộng là nơi cung cấp rất nhiều loại dịch vụ với các yêu cầu khác nhau. Vì thế mà QoS chính là một vấn đề cơ bản đối với các mạng băng rộng. So với các mạng băng rộng không dây khác, ưu điểm lớn của 802.16 là nó hỗ trợ rất tốt vấn đề QoS. Một loạt các tính năng đảm bảo cơ chế QoS cho các loại dịch vụ khác nhau gồm cả âm thanh, hình ảnh. 802.16 cho phép các nhà cung cấp dịch vụ quản lí được lưu lượng đối với từng thuê bao, dựa vào các thỏa thuận đã cam kết. Chất lượng dịch vụ trong 802.16 phụ thuộc vào ba yếu tố sau: - Giao thức MAC trong 802.16 hoạt động hướng kết nối (connection- oriented). Mỗi một gói tin trong 802.16 đều được đưa vào một kết nối cụ thể, kết nối này là kết nối ảo, được xác định bởi tham số CID. Việc tạo nên các kết nối ảo này khiến các gói tin được gửi đi một cách hiệu quả và nhanh chóng. Nó giống như các mạch ảo trong ATM. - Cơ chế cấp phát băng thông Request/Grant: Cơ chế cấp phát băng thông Request/Grant làm tăng hiệu quả sử dụng băng thông của hệ thống, đặc biệt là các hệ thông mà có nhiều thuê bao. Trong cơ chế này, SS yêu cầu lượng băng thông cấp phát từ BS thông qua một số các phương thức khác nhau. BS sẽ cấp phát băng thông bằng cách cấp phát các timeslot tới các SS có yêu cầu. - Phân loại dịch vụ : Giống như mọi hệ thống hỗ trợ tốt QoS khác, việc phân loại dịch vụ cũng là điểm cốt lõi trong việc đảm bảo QoS của hệ thống 802.16. Cơ chế hoạt động chủ yếu là để cung cấp QoS trong 802.16 là đưa các gói tin khác nhau vào các dịch vụ khác nhau, các dịch vụ này được xác định bởi chỉ định bowirCID.802.16 phân loại các luồng dữ liệu với yêu cầu QoS khác nhau vào các kết nối khác nhau. Mỗi kết nối sẽ thuộc một loại dịch vụ, mỗi dịch vụ có các tham số QoS khác nhau. 3.1.1.3 Lớp con bảo mật Khác với các chuẩn không dây băng rộng khác, 802.16- 2004 thiết kế hẳn một lớp con bảo mật, lớp này làm cung cấp các cơ chế điều khiển truy nhập tin cậy, đảm bảo an toàn cho dữ liệu trên đường truyền. 802.16 chống lại việc truy cập trái phép các dịch vụ bằng việc mã hóa các luồng dịch vụ. Nó có các giao thức quản lí khóa tại BS để thực hiện chứng thực và cấp phát các khóa tới SS cần thiết. Trong quá trình thương lượng về bảo mật giữa SS và BS, nếu một SS không cung cấp các cơ chế bảo mật của 802.16-2004 thì các bước chứng thực và cấp phát khóa sẽ được bỏ qua. BS nếu chấp nhận điều đó thì sẽ vẫn cho phép SS được truyền dữ liệu, ngược lại BS sẽ không cho phép. Chỉ có hai loại kết nối được bảo vệ trong 802.16-2004 là các kết nối vận chuyển và kết nối thứ cấp. Các kết nối quản lí, điều khiển khác không cần phải bảo vệ. Trong bảo mật 802.16-2004 có hai loại giao thức chính. - Giao thức làm nhiệm vụ xử lí đóng gói, mã hóa: Giao thức này làm các nhiệm vụ như định nghĩa hệ thống mã hóa, kết hợp giữa mã hóa dữ liệu và chứng thực, xử lí các MAC PDU. - Giao thức quản lí khóa bảo mật PKM (Pryvacy Key Management): cung cấp cơ chế phân phối khóa từ BS đến SS. Thông qua giao thức này, BS và SS có thể đồng bộ khóa với nhau. BS sử dụng giao thức này để thi hành các điều kiện truy cập vào mạng. Giao thức sử dụng nhiều khóa khác nhau khi thiết lập một sự mã hóa bảo mật. Chúng tổng hợp lại trong bảng 3.1 : Khoá Được tạo bởi Được sử dụng cho Thời gian tồn tại Thuật toán Cặp khoá công khai / bảo mật Nhà sản xuất - nhận thực SS - trao chuyển AK lâu dài RSA AK BS - tạo ra các KEK - tính toán các HMAC digest - kiểm tra các HMAC digest nhận được 1 đến 70 ngày 3 – DES, SHA – 1 KEK BS, SS - mã hoá TEK cho việc truyền dẫn (BS) - giải mã TEK để sử dụng (SS) giống AK 3 – DES TEK BS mã hoá lưu lượng số lượng 30 phút tới 7ngày DES Bảng 3.1: Các loại khoá bảo mật sử dụng trong IEEE 802.16-2004 3.1.2 Lớp PHY Lớp vật lý trong chuẩn 802.16-2004 có bốn đặc tả: - Đặc tả SC (Single Carrier): Sử dụng một sóng mang duy nhất để mang thông tin. Đặc tả này được chuẩn hóa từ 802.16 ban đầu. - Đặc tả SCa: Đặc tả này cũng sử dụng một sóng mang duy nhất để mang thông tin nhưng nó có thêm một số cải tiến. Đặc tả này được chuẩn hóa từ 802.16a. - Đặc tả OFDM: Đặc tả OFDM dựa trên nền công nghệ OFDM cho phép truyền thôn