Đề tài Tổng quan về mạng không dây

Mục lục Mục lục…………………………………………………………………………………………………….1 Chương 1: Tổng quan về mạng không dây Sự bùng nổ về nhu cầu truyền số liệu tốc độ cao và nhu cầu đa dạng hoá các loại hình dịch vụ cung cấp như: truy nhập Internet, thư điện tử, thương mại điện tử, truyền file,... là sự thúc đẩy cho sự xuất hiện của hàng loạt các chuẩn không dây. Hiện nay, căn cứ vào phạm vi sử dụng, tốc độ kết nối, chúng ta có những chuẩn không dây tương ứng với các mô hình mạng truyền thống. Hình1.1: Tổng quan về các chuẩn không dây Mạng PAN - Personal Area Network: Chuẩn WPAN được ứng dụng trong phạm vi gia đình, hoặc trong không gian xung quanh của 1 cá nhân, tốc độ truyền dẫn trong nhà có thể đạt 480 MB/giây trong phạm vi 10m. Trong mô hình mạng WPAN, có sự xuất hiện của các công nghệ Bluetooth dựa trên chuẩn IEEE 802.15(Institute for Electrical and Electronics Engineers). Hiện nay 802.15 này đang được phát triển thành 802.15.3 được biết đến với tên công nghệ Ultrawideband - siêu băng thông. Mạng LAN (Local Area Network): mạng WirelessLAN sử dụng chuẩn IEEE 802.11 bao gồm các chuẩn 802.11a, 802.11b, 802.11g, 802.11n… WLAN là một phần của giải pháp văn phòng di động, cho phép người sử dụng kết nối mạng LAN từ các khu vực công cộng như văn phòng, khách sạn hay các sân bay. Tại Việt Nam WLAN đã được triển khai ứng dụng ở nhiều nơi. Công nghệ này cho phép người sử dụng có thể sử dụng, truy xuất thông tin, truy cập Internet với tốc độ lớn hơn rất nhiều so với phương thức truy nhập gián tiếp truyền thống. Mạng MAN: Mạng WMAN sử dụng chuẩn IEEE 802.16, được hoàn thành vào tháng 10/2001 và được công bố vào ngày 8/2002, định nghĩa đặc tả kỹ thuật giao diện không gian WirelessMAN cho các mạng vùng đô thị. Việc đưa ra chuẩn này mở ra một công nghệ mới truy nhập không dây băng rộng WiMAX cho phép mạng không dây mở rộng phạm vi hoạt động tới gần 50 km và có thể truyền dữ liệu, giọng nói và hình ảnh video với tốc độ nhanh hơn so với đường truyền cáp hoặc ADSL. Đây sẽ là công cụ hoàn hảo cho các ISP muốn mở rộng hoạt động vào những vùng dân cư rải rác, nơi mà chi phí triển khai ADSL và đường cáp quá cao hoặc gặp khó khăn trong quá trình thi công. Mạng WAN: Trong tương lai, các kết nối Wireless WAN sẽ sử dụng chuẩn 802.20 để thực hiện các kết nối diện rộng. Do bản chất của mạng không dây là sử dụng sóng vô tuyến. Và như vậy, người ta có thể truy cập Internet hoặc điều khiển thiết bị mà chẳng cần đường điện thoại hay dây dẫn. Do đó về lý thuyết, với máy tính xách tay dùng công nghệ không dây, chúng ta có thể truy cập Internet từ trong rừng hay ngoài biển (miễn nằm trong vùng phủ sóng trạm thu phát). 1.1. Kiến trúc chung của các chuẩn IEEE 802.11 và 802.16: Chuẩn IEEE 802.11 và 16 đặc tả lớp vật lý - PHY (Physical) và lớp điều khiển truy nhập môi trường - MAC (Medium Access Control) cho truy nhập băng rộng không dây cố định - FBWA (Fixed Broadband Wireless Access) cho phạm vi mạng khu vực đô thị - MAN (Metropolitan Area Network). Chuẩn IEEE 802.11 và IEEE 802.16 bù đắp sự thiếu hụt giữa chuẩn IEEE 802.2 về lớp liên kết vật lý và giao diện không gian. Cùng với khả năng làm cầu nối (Bridging) được mô tả trong chuẩn IEEE 802.1, những chuẩn này và những cơ chế truy nhập ở những lớp cao hơn có thể sử dụng để tạo ra khả năng định tuyến đầy đủ cho mạng. Hình 2 minh hoạ vị trí của các chuẩn IEEE 802.11 và 16 trong hệ thống các chuẩn IEEE 802. Hình1.2: 802.11 và 802.16 trong hệ thống các chuẩn của IEEE 802. 1.2.Công nghệ WiFi Trong bối cảnh toàn cầu hoá, sự bùng nổ nhu cầu truyền số liệu tốc độ cao và nhu cầu đa dạng hoá các loại hình dịch vụ cung cấp như truy nhập Internet, thư điện tử, thương mại điện tử, truyền file,... đã thúc đẩy sự phát triển của các giải pháp mạng cục bộ vô tuyến (WLAN). Mục đích của WLAN nhằm cung cấp thêm một phương án lựa chọn cho khách hàng bên cạnh các giải pháp như xDSL, Ethernet, GPRS, 3G... WLAN là một phần của giải pháp văn phòng di động, cho phép người sử dụng kết nối mạng LAN từ các khu vực công cộng như khách sạn, sân bay và thậm chí có thể ngay cả trên các phương tiện vận tải. Các thành phố lớn trên thế giới đang tự hào với hàng trăm điểm truy cập không dây WLAN ở những nơi công cộng hay tại các văn phòng. Tại Việt Nam WLAN đã được triển khai ứng dụng ở nhiều nơi. Công nghệ này cho phép người sử dụng có thể sử dụng, truy xuất thông tin, truy cấp Internet với tốc độ lớn hơn rất nhiều so với phương thức truy nhập gián tiếp truyền thống. Ban đầu, WLAN được phát triển cho những ứng dụng LAN từ có dây sang không dây vì vậy WLAN có phạm vi phục vụ là trong nhà (Indoor). Tuy nhiên, công nghệ WLAN đáp ứng đầy đủ đòi hỏi của các đối tượng mức doanh nghiệp về khả năng vận hành, tính ổn định, tốc độ cao, an ninh đảm bảo vv…Ngày nay, WLAN được phát triển từ Indoor sang Outdoor là khả năng cung cấp truy nhập băng rộng ở những điểm công cộng như nhà ga, sân bay, café internet hoặc bất cứ địa điểm nào tập trung dân cư đông đúc có nhu cầu sử dụng Internet. Do đáp ứng đầy đủ các đòi hỏi của các khách hàng mức doanh nghiệp cũng như các khách hàng cá nhân, vừa có ứng dụng Indoor và Outdoor nên WLAN trở thành một chuẩn được thừa nhận và hỗ trợ rộng rãi của các nhà sản xuất lớn trên thế giới. Tương lai của mạng không dây phụ thuộc vào khả năng kết nối liên tục và an toàn của nhiều loại thiết bị dân dụng như máy tính cá nhân, thiết bị trợ giúp cá nhân, điện thoại, máy in…, sự chuyển đổi qua lại không gián đoạn giữa WLAN và LAN. Sự phát triển nhanh chóng của các ứng dụng không dây di động cũng đang thúc đẩy quá trình này. Các mạng Wi-Fi tạo ra một vùng không gian rộng 100m cho phép các thiết bị đầu cuối có thể kết nối không dây để truy cập Web hoặc vào các mạng máy tính dùng chung. Wi-Fi cho phép trao đổi dữ liệu qua làn sóng radio với một tốc độ rất nhanh. Mạng Wi-Fi có thể sử dụng để kết nối với nhau, với Internet, và với mạng cáp. Là một công nghệ không dây giống như điện thoại di động Wi-Fi cho phép các máy tính gửi và nhận dữ liệu trong nhà cũng như ngoài trời, ở bất cứ điểm nào trong vùng phủ sóng của trạm gốc. Nó cũng có tốc độ hoạt động thực tương đương mạng cáp Ethernet 10BaseT hiện có trong rất nhiều văn phòng. Và điều hay hơn cả là nó rất nhanh, nhanh hơn nhiều lần các kết nối modem cáp nhanh nhất WLAN là một hệ thống truyền thông dữ liệu mở để truy nhập vô tuyến đến mạng Internet và các mạng Intetranet. Nó cũng cho phép kết nối LAN tới LAN trong một toà nhà hoặc một khu tập thể, hoặc một khu trường đại học... Một hệ thống WLAN có thể được tích hợp với mạng vô tuyến diện rộng. Tốc độ đạt được trong WLAN cần phải được hỗ trợ truyền dẫn thích hợp từ mạng đường trục. Cho tới nay IEEE đã phát triển ba chỉ tiêu kỹ thuật cho mạng LAN không dây: 802.11a, 802.11b và 802.11g. Cả ba chỉ tiêu kỹ thuật này sử dụng công nghệ Đa truy nhập Nhạy cảm sóng mang có phát hiện va chạm (Carrier Sense Multiple Access - Collision Detection CSMA/CD) như một giao thức chia sẻ đường dẫn. CSMA/CD là một phương pháp truyền dữ liệu được ưa thích vì độ tin cậy của nó thông qua khả năng chống mất dữ liệu. Một trạm không dây muốn truyền khung, đầu tiên nó sẽ nghe trên môi trường không dây để xác định liệu hiện có trạm nào đang truyền không (đây là phần nhạy cảm sóng mang của CSMA/CA). Nếu môi trường này hiện đang bị chiếm, trạm không dây tính toán một khoảng trễ lặp lại ngẫu nhiên. Ngay sau khi thời gian trễ đó trôi qua, trạm không dây lại nghe xem liệu có trạm nào đang truyền không. Bằng cách tạo ra một thời gian trễ ngẫu nhiên, nhiều trạm đang muốn truyền tin sẽ không cố gắng truyền lại tại cùng một thời điểm (đây là phần tránh xung đột của CSMA/CD). Những va chạm có thể xảy ra và không giống như Ethernet, chúng không thể bị phát hiện bởi các node truyền dẫn. Do đó, 802.11b dùng giao thức Request to send (RTS)/ Clear to send (CTS) với tín hiệu ACK (Acknowlegment) để bảo đảm rằng một khung nào đó đã được gửi và nhận thành công. Các ứng dụng mạng LAN, các hệ điều hành hoặc giao thức mạng, bao gồm cả giao thức Internet TCP/IP sẽ chạy trên các mạng WLAN tương thích chuẩn 802.11 dễ dàng như chạy trên Ethernet nhưng không cần phải chạy cáp qua tường hay trần nhà. Về mặt vật lý, WLAN có hai thành phần cơ bản là: Trạm gốc không dây (WBS – Wireless Base Station) hay còn gọi là AP (Access Point) Khối giao tiếp người sử dụng đầu cuối hay còn gọi là CPE (Customer Premise Equipment). AP là thiết bị đặt ở phía nhà cung cấp dịch vụ, nó phải được đấu nối với mạng của nhà cung cấp đó để truy cập vào mạng Internet. Thông thường AP được đấu với Router, Hub hoặc Switch để được cấp một địa chỉ IP riêng. Sau đó kết nối tới mạng của nhà cung cấp dịch vụ thông qua các hệ thống truyền dẫn thông dụng như cáp quang, cáp đồng hoặc viba. AP có khả năng chuyển đổi tín hiệu số đến từ mạng của nhà cung cấp dịch vụ thành dạng tín hiệu số tương thích với các chuẩn truyền dẫn vô tuyến. AP bao gồm một bộ thu phát (Transceiver) và một bộ điều khiển (Controller) thực hiện các chức năng chủ yếu như: Cung cấp giao diện cho kết nối với mạng của nhà khai thác, giao diện vô tuyến hướng phía khách hàng. Đảm bảo chức năng an toàn thông tin trên giao tiếp vô tuyến, chứng thực giao diện kết nối với khách hàng. Quản trị tài nguyên vô tuyến. Đăng ký khối giao diện người sử dụng. Định tuyến, tính cước. Duy trì và chuyển đổi giao thức, mã hoá và giải mã, nén và giải nén. CPE là thiết bị đặt ở phía khách hàng, nó có một địa chỉ ngoài như là một node trên mạng và nhiều địa chỉ trong để cung cấp cho mạng LAN của khách hàng. CPE tiếp nhận luồng tín hiệu số từ các AP và chuyển đổi chúng thành dạng tín hiệu tương thích với các thiết bị đầu cuối của khách hàng (tương tự hoặc số). CPE cũng bao gồm một bộ thu phát và các thiết bị phụ trợ thực hiện một số chức năng như: Cung cấp giao diện vô tuyến hướng tới trạm gốc của nhà cung cấp dịch vụ. Cung cấp giao diện cho các thiết bị đầu cuối của khách hàng. Chuyển đổi giao thức, chuyển đổi mã, cấp nguồn Hình1. 3: Cấu hình một mạng WLAN điển hình Các chuẩn IEEE 802.11 tiêu biểu: * Chuẩn IEEE 802.11b Tháng 9 năm 1999, Viện công nghệ điện và điện tử (IEEE) đã thông qua các chỉ tiêu của chuẩn IEEE 802.11b hay còn được biết đến với tên gọi Wi-Fi. IEEE 802.11b định nghĩa lớp vật lý và lớp con MAC cho việc truyền tin qua mạng LAN không dây dùng chung. Tại lớp vật lý, IEEE 802.11b hoạt động tại tần số vô tuyến 2,45GHz với tốc độ bit tối đa là 11 Mbps. Nó sử dụng công nghệ truyền dẫn trải trải phổ dãy trực tiếp (DSSS). * Chuẩn IEEE 802.11g Do IEEE phát triển, những mạng dùng chuẩn 802.11b cho phép dữ liệu được truyền với dung lượng tối đa 10 megabit/giây (trung bình là 4 Mbps). Chuẩn mới hơn là IEEE 802.11g cho phép truyền dữ liệu với dung lượng cao nhất - 54 Mbps (trung bình 22 Mbps). Cả hai chuẩn này đều dùng băng tần 2,4 GHz và hoạt động tương tác. * Chuẩn IEEE 802.11a Chuẩn IEEE 802.11a hoạt động trong dải tần 5 GHz, tạo cho các kết nối sử dụng chuẩn 802.11a ít bị ảnh hưởng hơn đối với sự giao thoa sóng điện từ mà các kết nối sử dụng chuẩn 802.11b, 802.11g hoạt động ở tần số 2,4 GHz có thể gây ra. Bởi dải tần 2,4 GHz thường được dùng trong công nghiệp, y tế, và sử dụng trong các thiết bị gia đình. Bảng 1.1 - So sánh các chuẩn IEEE 802.11 Chuẩn Tần số Tốc độ Ghép kênh Ghi chú IEEE 802.11 900 MHz 2 Mbps FHSS DSSS IEEE 802.11b 2,4 GHz 900 MHz 11 Mbps FHSS DSSS Được sử dụng phổ biến nhất IEEE 802.11a 5 GHz 54 Mbps OFDM Mới hơn, nhanh hơn, dùng tần số cao hơn IEEE 802.11e 5 GHz UNII 54 Mbps OFDM IEEE 802.11g 2,4 GHz ISM 54 Mbps DSSS FHSS Nhanh hơn và tương thích với 802.11b 1.2.1. Đánh giá ưu, nhược điểm của WIFI 1.2.1.1. Một số ưu điểm của mạng không dây WIFI Không phải khoan tường, bấm và đi dây. Không phải ngồi tại những vị trí cố định. Trong nhiều trường hợp là giải pháp rẻ hơn cho mạng LAN Có thể kết nối ở khoảng cách xa hơn so với các thiết bị bluetooth Có tính linh động cao, có thể đáp ứng được yêu cầu về địa hình ….. 1.2.1.2.Nhược điểm của mạng không dây WIFI Phức tạp hơn trong việc thiết lập, quản lý và vận hành mạng. Thông tin được truyền trên không trung trên tần số dùng chung dẫn đến các vấn đề an ninh và nhiễu. Tần số càng cao thì tốc độ càng cao, nhưng đồng thời độ suy giảm cũng càng cao...  1.3.Công nghệ WiMAX Wi-Fi hiện đang là công nghệ kết nối không dây "nóng" xét từ nhiều góc độ. Tuy nhiên theo nhìn nhận của nhiều chuyên gia, Wi-Fi chẳng qua cũng chỉ là "công nghệ mở đường" cho hàng loạt chuẩn kết nối không dây mới ưu việt hơn như WiMAX, 802.16e, 802.11n và Ultrawideband. Tổ chức phi lợi nhuận WiMAX bao gồm các công ty sản xuất thiết bị và linh kiện truyền thông hàng đầu thế giới đang nỗ lực thúc đẩy và xác nhận tính tương thích và khả năng hoạt động tương tác của thiết bị truy cập không dây băng thông rộng tuân theo chuẩn kỹ thuật IEEE 802.16 và tăng tốc độ triển khai truy cập không dây băng thông rộng trên toàn cầu. Do đó các chuẩn 802.16 thường được biết đến với cái tên WiMAX. Chuẩn IEEE 802.16 đầu tiên được hoàn thành năm 2001 và công bố vào năm 2002 thực sự đã đem đến một cuộc cách mạng mới cho mạng truy cập không dây. Nếu như Wireless LAN đuợc phát triển để cung cấp dịch vụ truy nhập Internet cho mạng LAN không dây, nâng cao tính linh hoạt của truy nhập Internet cho những vùng tập trung đông dân cư trong những phạm vi hẹp thì với WiMAX ngoài khả năng cung cấp dịch vụ ở vùng đô thị nó còn giải quyết được những vấn đề khó khăn trong việc cung cấp dịch vụ Internet cho những vùng thưa dân, ở những khoảng cách xa mà công nghệ xDSL sử dụng dây đồng không thể đạt tới. áp dụng WiMAX về cơ bản sẽ mang lại khả năng kết nối không dây cho toàn bộ một thị trấn. Giải pháp này giúp thu ngắn khoảng cách giữa những vùng quê xa xôi hẻo lánh với những vùng thành thị hiện đại. WiMAX cũng là một sự phát triển kế tiếp từ dịch vụ cung cấp băng thông giữa LAN nâng cấp lên mạng WAN. WiMAX sử dụng chuẩn kết nối 802.16 có nhiều đặc điểm nổi trội hơn về tốc độ, phạm vi phủ sóng so với chuẩn kết nối không dây hiện nay là 802.11. Không giống như chuẩn 802.11 chỉ có thể phủ sóng trong một khu vực nhỏ, WiMAX có thể phủ sóng một vùng rộng tới 50 km với tốc độ lên đến 70Mbps. WiMAX cung cấp truy nhập băng rộng không dây cố định theo hai phương pháp điểm - điểm (Point to Point ) hoặc điểm - đa điểm (Point to multipoint). Chuẩn IEEE 802.16, một mạng vùng đô thị không dây cung cấp sự truy nhập mạng cho các tòa nhà thông qua anten ngoài trời có thể truyền thông với các trạm phát sóng cơ sở (BS). Do hệ thống không dây có khả năng hướng vào những vùng địa lý rộng, hoang vắng mà không cần phát triển cơ sở hạ tầng tốn kém như trong việc triển khai các kết nối cáp nên công nghệ tỏ ra ít tốn kém hơn trong việc triển khai và như vậy dẫn đến sự truy cập băng rộng tăng lên ở khắp mọi nơi. Một ăng ten WiMAX có hiệu quả đầu tư cao hơn khi cung cấp băng thông rộng tới các hộ gia đình trong bán kính lên tới 50 km, loại bỏ hoàn toàn các chi phí liên quan tới việc triển khai các hệ thống dây kết nối. Với công nghệ được mở rộng, nó là chuẩn được phát triển để hỗ trợ những người dùng luôn cần sự di chuyển. Chuẩn IEEE 802.16 đã được thiết kế để mở ra một tập các giao diện không gian (air interfaces) dựa trên một giao thức MAC thông thường nhưng với các đặc tả lớp vật lý phụ thuộc vào việc sử dụng và những điều chỉnh phổ có liên quan. Chuẩn này được mở rộng hỗ trợ giao diện không gian cho những tần số trong băng tần 10 – 66 GHz. Với phương pháp điều chế đơn sóng mang 802.16 hỗ trợ cả hai phương pháp song công phân chia theo thời gian TDD (Time Division Duplexing) hay phân chia theo tần số FDD (Frequency Division Duplexing). Hình1. 4: Mô hình mạng WiMAX 1.3.1.Các chuẩn IEEE 802.16 tiêu biểu: Ban đầu chuẩn IEEE 16 chỉ có một sự đặc tả lớp MAC. Sau một loạt những nghiên cứu đã đưa thêm vào nhiều sự khác biệt về những đặc tả lớp vật lý (PHY) như những sự chỉ định trải phổ mới, cả cấp phép và không cấp phép, đã trở nên có giá trị. Dưới đây trình bày bản tóm tắt ngắn gọn về những sự mở rộng khác nhau và các dải tần của họ chuẩn IEEE 802.16. 1.3.1.1. IEEE 802.16 - 2001 Những đặc tả ban đầu của chuẩn IEEE 802.16 đã định nghĩa lớp MAC và PHY có khả năng cung cấp truy nhập băng rộng không dây cố định (Fixed Fixed Wireless Access) theo mô hình điểm - điểm và điểm - đa điểm. Chuẩn IEEE 802.16 đã được thiết kế để mở ra một tập các giao diện không gian (air interfaces) dựa trên một giao thức MAC thông thường nhưng với các đặc tả lớp vật lý phụ thuộc vào việc sử dụng và những điều chỉnh phổ có liên quan. Chuẩn này được mở rộng hỗ trợ giao diện không gian cho những tần số trong băng tần 10 - 66 GHz. Với phương pháp điều chế đơn sóng mang 802.16 hỗ trợ cả hai phương pháp song công phân chia theo thời gian TDD (Time Division Duplexing) hay phân chia theo tần số FDD (Frequency Division Duplexing). Trong khi chuẩn IEEE 802.11 dùng phương pháp truy nhập nhạy cảm sóng mang có cơ chế tránh xung đột (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance - CSMA/CA) để cho phép khi nào một node trên mạng được phép truyền dữ liệu, thì lớp MAC của IEEE 802.16-2001 sử dụng một mô hình hoàn toàn khác để điều khiển sự truyền dẫn trên mạng. Trong thời gian truyền dẫn, phương pháp điều chế được ấn định bởi BS và chia sẻ với tất cả các node trong mạng trong thông tin broadcast cho cả đường lên và đường xuống. Bằng việc lập lịch cho việc truyền dẫn, vấn đề các node ảo đã được loại trừ. Thuê bao chỉ cần nghe tín hiệu từ BS và sau đó là từ các node trong phạm vi phủ sóng của BS đó. Ngoài ra, thuật toán lập lịch có thể thay đổi khi xảy ra quá tải hoặc khi số thuê bao tăng lên quá nhiều. Trạm thuê bao (Subscriber Stations - SS) có thể thương lượng về độ rộng dải tần được cấp phát trong một burstto - burst cơ bản, cung cấp một lịch truy nhập mềm dẻo. Các phương pháp điều chế được định nghĩa bao gồm: PSK, 16-QAM và 64-QAM. Chúng có thể thay đổi từ khung (frame) này tới khung khác, hay từ SS này tới SS khác tuỳ thuộc vào tình trạng của kết nối. Khả năng thay đổi phương pháp điều chế và phương pháp sửa lỗi không lần ngược FEC (forward error correction) theo các điều kiện truyền dẫn hiện thời cho phép mạng thích ứng nhanh chóng với điều kiện thời tiết, như fading do mưa. Các tham số truyền dẫn ban đầu được thoả thuận thông qua một quá trình tương tác gọi là Initial Ranging. Trong quá trình này thì năng lượng, phương pháp điều chế và timing feedback được cung cấp bởi BS được kiểm soát và quản lý theo điều kiện hiện thời của kết nối. Phương pháp song công của kênh đường lên và đường xuống được sử dụng hoàn toàn theo một trong hai phương pháp TDD (time division duplexing) hoặc FDD (frequency division duplexing). Quan trọng hơn nữa, chuẩn IEEE 802.16-2001 kết hợp chặt chẽ các đặc tính có khả năng cung cấp chất lượng dịch vụ khác nhau xuống lớp vật lý. Khả năng hỗ trợ chất lượng dịch vụ được xây dựng dựa theo khái niệm về lưu lượng dịch vụ (service flows), nó được xác định một cách vừa đủ bởi một ID lưu lượng dịch vụ. Những lưu lượng dịch vụ này được mô tả bởi các tham số QoS của chúng như thời gian trễ tối đa và lượng jitter cho phép. Lưu lượng dịch vụ là đơn hướng và nó có thể được tạo ra bởi BS hoặc SS. Đóng vai trò cốt lõi trong việc bảo mật của chuẩn IEEE 802.16 là lớp con riêng biệt (privacy sublayer). Mục đích chính của lớp con riêng biệt là cung cấp sự bảo mật trên các kết nối không dây của mạng. Nó được thực hiện thông qua việc mật mã hoá dữ liệu gửi giữa BS và SS. Để ngăn cản việc trộm dịch vụ, SS có thể được nhận thực qua chứng chỉ số X.509. Chứng chỉ này bao gồm khoá công khai của SS và địa chỉ MAC. 1.3.1.2. IEEE 802.16a-2003 Năm 2003, IEEE đưa ra chuẩn không dây 802.16a để cung cấp khả năng truy cập băng rộng không dây ở đầu cuối và điểm kết nối bằng băng tần 2-11 GHz với khoảng cách kết nối tối đa có thể đạt tới 50 km trong trường hợp kết nối điểm điểm và 7-10 km trong trường hợp kết nối từ điểm đa điểm. Tốc độ truy nhập có thể đạt tới 70 Mbps. Trong khi, với dải tần 10-66Ghz chuẩn 802.16 phải yêu cầu tầm nhìn thẳng thì với dải tần 2-11Ghz chuẩn 802.16a cho phép kết nối mà không cần thoả mãn điều kiện tầm nhìn thẳng, tránh được tác động của các vật cản trên đường truyền như cây cối, nhà cửa. Chuẩn này sẽ giúp ngành viễn thông có các giải pháp như cung cấp băng thông theo yêu cầu, với thời gian thi công ngắn hay băng thông rộng cho hộ gia đình mà công nghệ thuê bao số hay mạng cáp không tiếp cận được. IEEE 802.16a bao gồm cả đặc tả lớp PHY và cải tiến lớp MAC cho khả năng truyền dẫn đa đường và giảm tối đa nhiễu. Các đặc tính được thêm vào cho phép sử dụng kỹ thuật quản lý năng lượng cao cấp hơn, và dãy anten thích ứng. Phương pháp dồn kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDM) cung cấp thêm một sự lựa chọn cho phương pháp điều chế đơn sóng mang. Để cung cấp một kỹ thuật giảm thiểu can nhiễu trong các mạng không dây hiện nay, IEEE 802.16a cũng định nghĩa thêm phương pháp điều chế đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (Orthogonal Frequency Division Multiple Access – OFDMA- Modulation) trong phạm vi dải tần 2 - 11 GHz . Vấn đề bảo mạt cũng được cải tiến, với rất nhiều đặc trưng lớp con riêng biệt được đưa thêm vào. Các đặc tính riêng biệt được sử dụng để nhận thực tác nhân gửi (sender) của một thông điệp MAC nào đó. IEEE 802.16a cũng đưa thêm các tuỳ chọn hỗ trợ cho mạng Mesh, ở những nơi mà lưu lượng có thể được định tuyến từ SS tới SS. Đây là sự thay đổi từ chế độ PMP, khi mà lưu lượng chỉ được phép truyền giữa BS và SS. Sự bổ sung những đặc tả lớp MAC thích hợp cho phép việc lập lịch truyền dẫn giữa các SS của mạng Mesh mà không cần phải có sự kiểm soát của BS. 1.3.1.3.IEEE 802.16c-2002 Chuẩn IEEE 802.16c được đưa ra vào tháng 9/2002. Bản cập nhật đã sửa một số lỗi và sự mâu thuẫn trong bản tiêu chuẩn ban đầu và thêm vào một số profiles hệ thống chi tiết cho dẩi tần 10 - 66 GHz. 1.3.1.4. IEEE 802.16-2004 Chuẩn IEEE 802.16-2004 được chính thức phê chuẩn ngày 24/07/2004 và được công bố rộng rãi vào tháng 9/2004. IEEE 802.16 - 2004 thường được gọi với tên 802.16-REVd. Chuẩn này được hình thành dựa trên sự tích hợp các chuẩn 802.16-2001, 802.16a, 802.16c. Chuẩn mới này đã được phát triển thành một tập các đặc tả hệ thống có tên là IEEE 802.16-REVd, nhưng đủ toàn diện để phân loại như là một sự kế thừa hoàn chỉnh chuẩn IEEE 802.16 ban đầu. Đây là phiên bản của chuẩn sẽ được áp dụng cho giấy chứng nhận chuẩn WiMAX (WiMAX certification). 1.3.1.5.IEEE 802.16e Chuẩn mở rộng IEEE 802.16e có thể hỗ trợ cho các trạm thuê bao tính năng di động. Hiện nay chuẩn IEEE 802.16e đã có một số phiên bản thử nghiệm ở một số quốc gia ở Châu Âu. Bảng 2- So sánh các chuẩn IEEE 802.16 Chuẩn 802.16 802.16a/REVd 802.16e Dải tần số 10-66GHz <11GHz <6GHz Môi trường truyền Line of Sight Non Light of Sight Non Light of Sight Tốc độ 32-144Mbps Up to 75 Mbps Up to 15 Mbps Điều chế QPSK OFDM 256 sub-carrier, QPSK,16QAM,64QAM Tương tự 802.16a Mức di động Cố định Cố định Có thể cho tốc độ di chuyển thấp Băng thông kênh 20,25,28MHz Dải kênh 1.25-20 MHz Tương tự 802.16a Bán kính cell 1.7-5km 5 tới 10km; tối đa 50 km tùy thuộc vào điều kiện truyền 1.7-5km Phiên bản đầu tiên 802.16a có triển vọng được sử dụng trong các kết nối không dây cố định thì các phiên bản kế tiếp 802.16 e,f,g..... cung cấp kết nối cho các thiết bị di động - máy tính xách tay và điện thoại di động. Người ta cho rằng công nghệ này sẽ cạnh tranh với xDSL, cáp và UMTS (Universal Mobile Telecommunications Systems) hoặc các chuẩn điện thoại di động thế hệ thứ ba. 1.3.2.Lợi ích của WIMAX Độ rủi ro của giá và vốn đầu tư nhỏ . Một điểm quyết định đó là chuẩn cơ sở dưa trên sự cải tiến OpEx, bởi sự phát sinh đổi mới ở tất cả các lớp, vấn đề quản lý mạng, antenna và một số thứ khác nữa. Thông lượng cao ở vùng phú sóng xa hơn(> 50 Km). Số bit/s/Hz lớn hơn ở vùng phủ sóng xa hơn . Công suất của hệ thống có thể tăng cao. Đơn giản khi tăng thêm một sector mới, cùng với sự mềm dẻo của các kênh làm cho khả năng chứa đựng của một cell có thể tăng lên là lớn nhất, vì vậy nó cho phép mạng hoạt động tốt hơn hay cũng giống như đồng thời làm tăng lượng khách hàng. Sự mềm dẻo về băng thông của các kênh tạo cho sự trải phổ được phân chia cho tất cả các dải phổ được phép và không được phép . Chất lượng của sự phục vụ. Giao thức MAC đã tạo ra hiệu quả từ một tới hàng trăm thuê bao. Mật độ bao phủ . Kỹ thuật tiên tiến ( mesh, beam-forming, MIMO ) đã cải tiến công suất của đường truyền không cần ở trong tầm nhìn thẳng. Sự phát triển các hệ thống mạnh hơn cho phép có thể vượt qua chướng ngại vật tốt hơn ở khoảng cách xa hơn . Chức năng TDMA (Grant/Request) MAC đã giảm được vấn đề hỏng hóc của thiết bị cung cấp giống như thoại và video. Cho phép sự khác nhau về mức phục vụ cùng với băng thông yêu cầu được chỉ định : ví dụ như T1/E1 cho các nhà kinh doanh , hiệu ứng tốt hơn ở những nơi cư trú . Giúp đỡ sự cho phép những dặm cuối cùng của dải băng tần rộng triển khai công nghệ không dây trong khi vẫn giữ sự bổ sung của công nghệ WiFi. Các nhà cung cấp đã sử dụng các thiết bị của chuẩn 802.16 để đảm bảo tốc độ của luồng T1/E1 hoặc mạng tốc độ cao kết nối tới các điểm truy cập WiFi của họ . Ngoài ra các nhà cung cấp đã sẵn sàng thực hiện những yêu cầu về tốc độ, độ rộng băng thông cao cho những khả năng có thể xảy ra đối với những nhà thương nghiệp hoặc những nhà kinh doanh luôn di chuyển, cũng như xây dựng những điểm mà sự kết nối chỉ là thỉnh thoảng. 1.4. So sánh công nghệ WiFi – WiMAX * Về tính mở rộng: 802.11 802.16a - Kênh trong giải tần số 20 MHz - Thiết kế cho 10s MAC - Kênh có thể chọn từ 1.5-20MHz - Thiết kế cho 1000s MAC * So sánh về khả năng hoạt động: 802.11 802.16a - Kênh tần số 20 MHz - Tốc độ dữ liệu tối đa 54 Mbps - Kênh tần số đa dạng từ 1.5-20MHz - Tốc độ dữ liệu tối đa 63 Mbps * Tầm bao phủ: 802.11 802.16a - Tối ưu cho NLOS trong nhà - Chưa hỗ trợ MESH - Tối ưu cho NLOS ngoài trời - Hỗ trợ MESH và kỹ thuật Anten tiên tiến * So sánh về chất lượng dịch vụ: 802.11 802.16a Địa chỉ MAC phân quyền Địa chỉ MAC cấp phát Không hỗ trợ độ trễ cho hình ảnh, âm thanh Hỗ trợ tiềm năng cho hình ảnh, âm thanh Không phân chia nhiều mức dịch vụ khác nhau cho người sử dụng Phân chia nhiều mức dịch vụ khác nhau cho người sử dụng Kỹ thuật điều chế TDD không đối xứng Kỹ thuật điều chế TDD, FDD, HFDD đối xứng và không đối xứng Chất lượng dịch vụ theo mức ưu tiên Chất lượng dịch vụ theo mức tập trung * Bảo mật 802.11 802.16a Sử dụng chuẩn WEP Sử dụng Tripple DES (128bits) và RSA (1024 bits) * Tầm hoạt động: 802.11 802.16a - Hoạt động trong vòng 100m - Không có hỗ trợ cho khoảng cách xa, gần - Thiết kế cho môi trường multipath trong nhà - Lớp vật lý và lớp MAC thiết kế cho khoảng cách gần - Hoạt động trong vòng 40 km - Thiết kế cho người sử dụng ở khoảng cách xa - Thiết kế cho môi trường multipath ngoài trời - Lớp vật lý và lớp MAC thiết kế cho khoảng cách gần (Còn 802.16 thì được thiết kế cho khoảng cách xa) Chương 2: Lớp PHY và MAC của chuẩn IEEE 802.16 a Chuẩn IEEE 802.16a được xây dựng dưới dạng thức ngăn xếp với nhiều giao diện được định nghĩa. Lớp MAC bao gồm ba lớp con: Lớp con hội tụ chuyên biệt dịch vụ (Service Specific Convergence Sublayer), lớp con MAC phần chung (MAC Common Part Sublayer) và lớp con bảo mật (Privacy Sublayer). Giữa PHY và MAC là một lớp con hội tụ truyền TC (Transmission Convergence Sublayer). Vị trí tương đối của các lớp con MAC và lớp PHY được trình bày trong hình 2.1. Lớp cao hơn Lớp con hội tụ chuyên biệt dịch vụ (Service Specific Convergence Sublayer) MAC Lớp con MAC phần chung (MAC Common Part Sublayer) Lớp con bảo mật (Privacy Sublayer) Lớp con hội tụ truyền TC (Transmission Convergence Sublayer) PHY QPSK 16-QAM 64-QAM OFDM Hình 2.1: Vị trí tương đối của các lớp MAC và PHY 2.1. Lớp vật lý PHY Trong những công bố đầu tiên của chuẩn IEEE 802.16 chỉ ra rằng nó hoạt động trong tầm nhìn thẳng LOS ở băng tần cao trong dải tần số từ 10GHz đến 66GHz. Nhưng đã được sửa đổi và chỉ ra ở trong chuẩn IEEE 802.16a, thiết kế cho các hệ thống hoạt động ở dải tần từ 2GHz đến 11GHz. ý nghĩa quan trọng của sự khác nhau giữa hai băng tần trên đó là khả năng hỗ trợ trong tầm nhìn không thẳng NLOS và ở tần số thấp khi mà các thiết bị không thể thực hiện được ở tần số cao. Do đó chuẩn IEEE 802.16a đã sửa đổi và là một chuẩn mở tạo cơ hội cho sự thay đổi lớn ở lớp vật lý. Nó được chỉ rõ qua sự khuyến cáo hai phương pháp điều chế ở lớp vật lý đó là: 256 point FFT OFDM 2048 point FFT OFDMA Sau một số lần kiểm tra, cuối cùng tổ chức WiMAX đã chấp nhận sự hỗ trợ của phương pháp điều chế 256 point FFT OFDM, cùng với sự phát triển của các công nghệ khác dựa vào sự quyết định của thị trường. Thay vì lựa chọn CDMA tổ chức IEEE đã lưa chọn dạng tín hiệu OFDM vì nó có khả năng hỗ trợ sự thực thi trong tầm nhìn không thẳng, trong khi vẫn duy trì được mức hiệu suất cao nhất của quang phổ khi sử dụng dải phổ có sẵn. Trong công nghệ CDMA (thường được áp dụng trong điện thoại di động thế hệ 2G - 3G) băng thông RF cần phải lớn hơn nhiều so với lưu lượng dữ liệu, để có thể đáp ứng được cho bộ xử lý chống lại nhiễu. Tuy nhiên thực tế thì băng thông không dây không thể đạt tới 11GHz và cũng từ thực nghiệm cho thấy tốc độ dữ liệu có thể đạt tới 70Mbps khi mà băng thông RF khoảng chừng 200MHz được cung cấp cho bộ xử lý và được thực hiện không cần trong tầm nhìn thẳng. IEEE 802.16a có kiến trúc điểm - đa điểm, nên về cơ bản BS truyền một tín hiệu TDM với những trạm thuê bao riêng lẻ được định vị những khe thời gian theo chu kỳ. Sự truy nhập theo hướng đường lên cho bởi TDMA. Và với thiết kế burst được chọn cho phép cả TDD (Time Division Duplexing- tại đó đường lên và đường xuống dùng chung một kênh nhưng không truyền cùng một lúc) và FDD (Frequency Division Duplexing - tại đó đường lên và đường xuống dùng trong những kênh riêng biệt) được xử lý một cách tương tự. Việc lựa chọn TDD hay FDD hỗ trợ những burst thích hợp trong đó việc điều chế và mã hóa có thể được gán động trên từng burst một với mỗi trạm thuê bao CPE (Customer Premise Equipment). FEC (forward error correction) có khả năng thay đổi kích thước block và khả năng sửa lỗi. FEC này được liên kết với một mã nhân chập khối bên trong để truyền dữ liệu tới hạn một cách thông suốt, như các truy nhập điều khiển khung và truy nhập khởi đầu. Hệ thống sử sụng một khung 0.5, 1 hoặc 2 ms. Khung này được chia ra thành những khe vật lý cho mục đích cấp phát và nhận biết dải thông thuộc các chuyển tiếp PHY. Một khe vật lý được định nghĩa cho 4 ký hiệu QAM (quadrature amplitude modulation). . Trong phương án TDD của PHY, khung con của đường lên kế tiếp theo khung con của đường xuống trong cùng một tần số sóng mang. Trong phương án FDD, các khung con của đường lên và đường xuống cuối cùng cũng trùng khớp nhưng chúng được mang trên những tần số riêng biệt. Xét khung con của đường xuống: Nó bắt đầu với một đoạn điều khiển khung có chứa DL - MAP cho khung đường xuống hiện hành cũng như UL - MAP cho thời gian định rõ trong tương lai. Nó có chứa một “TDM- portion” ngay tiếp theo đoạn điều khiển khung. Dữ liệu đường xuống được truyền tới mỗi CPE khi sử dụng một burst-profile thỏa thuận. Sau đoạn TDM là đoạn TDMA có chứa một đoạn mở đầu (preamble) phụ tại điểm xuất phát của mỗi burst-profile mới. Như vậy nó cho phép sự hỗ trợ tốt hơn với các CPE bán song công do các CPE này có thể mất sự đồng bộ hóa với đường xuống và TDMA - preamble cho phép chúng lấy lại sự đồng bộ hóa đó Hình 2.2: Khung con đường xuống Xét khung con đường lên: Trong đó UL - MAP cấp dải thông cho các CPE cụ thể. Các CPE truyền trong vùng cấp phát được ấn định có sử dụng burst- profile chỉ rõ bởi UIUC (Uplink Interval Usage Code) trong mục vào UL - MAP cấp dải thông cho chúng. Nó có thể cũng chứa những định vị trên cơ sở cạnh tranh cho truy nhập hệ thống lúc ban đầu và quảng bá hay truyền đa hướng các yêu cầu dải thông. Nó có cấu trúc khung như hình vẽ Hình 2.3: Khung con đường lên Một số nét đặc trưng khác của lớp vật lý ở chuẩn IEEE 802.16a mà do phương pháp điều chế đó mang lại đó là công suất phát lớn trong một vùng rộng, độ rộng các kênh có tính mềm dẻo, một mặt thích ứng về tốc độ, tự hiệu chỉnh lỗi, phụ thuộc vào các hệ thống anten cao cấp để cải thiện vùng phủ sóng và dung lượng hệ thống, phương pháp lựa chọn tần số DFS sẽ làm cho nhiễu giảm tới mức nhỏ nhất có thể, phương pháp mã hóa theo các khoảng thời gian tăng cường sự thực hiện trong môi trường pha đinh và vượt qua được tính đa dạng về không gian. Nói tóm lại với các nét đặc trưng của lớp vật lý nó sẽ có một số lợi ích như sau : Với phương pháp điều chế 256 point FFT OFDM, nó sẽ tạo ra những sự hỗ trợ cho việc xây dựng các địa chỉ mạng đa đường trong môi trường LOS ở vùng Outdoor và NLOS. Với khả năng thích ứng điều chế và phương pháp mã hóa có khả năng tự hiệu chỉnh lỗi trong một cụm RF, đã đảm bảo độ mạnh cho các kênh RF trong khi vẫn đảm bảo số bít / giây cho mỗi một khối các thuê bao là lớn nhất. Với việc hỗ trợ truy nhập TDD và FDD, thì víệc thay đổi địa chỉ trên toàn diện rộng được quy định ở một nơi nào đó hoặc tất cả những nơi cho phép. Với độ mềm dẻo về kích thước của kênh, nó cung cấp tính mềm dẻo cần thiết cho sự hoạt động ở một số băng tần khác nhau với sự thay đổi kênh theo nhu cầu trên toàn thế giới. Với sự hỗ trợ của hệ thống anten smart, sẽ làm tăng khả năng triệt nhiễu như vậy hệ thống sẽ lớn lên và giá thành sẽ giảm xuống. Trong các hệ thống, sau đoạn TDM là một đoạn TDMA có chứa một đoạn mở dầu (preamble) phụ tại điểm xuất phát của mỗi burst-profile mới. Đặc tính này cho phép hỗ trợ tốt hơn các CPE bán song công. Trong một hệ thống FDD được hoạch định hiệu quả với nhiều CPE bán song công, một số có thể truyền sớm hơn trong khung hơn là chúng nhận. Vì bản chất bán song công, các CPE này mất sự đồng bộ hóa với đường xuống. TDMA-preamble cho phép chúng lấy lại sự đồng bộ hóa đó. Một khung con đường lên điển hình cho PHY 2-11 GHz được mô tả không giống như đường xuống, UL-MAP cấp giải thông cho các CPE cụ thể. Các CPE truyền trong vùng cấp phát được ấn định có sử dụng burst-profile chỉ rõ bởi UIUC (Uplink Interval Usage Code) trong mục vào (entry) UL-MAP cấp dải thông cho chúng. Khung con đường lên có thể cũng chứa những định vị trên cơ sở cạnh tranh cho truy nhập hệ thống lúc ban đầu và "broadcast" hay "multicast" các yêu cầu dải thông. Những cơ hội truy cập cho truy nhập hệ thống lúc ban đầu được xác định độ lớn để cho phép thêm thời gian bảo vệ các CPE mà chúng đã không được giải quyết thời gian truyền cần thiết để bù lại độ trễ toàn phần (round - trip delay) cho BS. 2.2. Lớp MAC trong chuẩn IEEE 802.16a Giao thức MAC IEEE 802.16a được thiết kế cho những ứng dụng truy nhập không dây băng rộng “điểm - đa điểm”. Nó hướng vào nhu cầu những tốc độ truyền theo bit rất cao, cả đường lên (tới BS) và đường xuống (từ BS). Những giải thuật truy cập và định vị dải thông phải thích ứng hàng trăm thiết bị đầu cuối cho mỗi kênh, với những thiết bị đầu cuối dùng chung cho nhiều người dùng cuối. Những dịch vụ được yêu cầu bởi những người dùng cuối này vẫn thay đổi như vốn có và bao gồm tiếng và dữ liệu TDM (time-division multiplex) kế thừa, kết nối IP (Internet Protocol) và VoIP (voice over IP) gói hóa. Để hỗ trợ sự đa dạng các dịch vụ, MAC 802.16a phải điều tiết cả hai lưu lượng liên tục (continuous) và không liên tục (bursty). Đồng thời, những dịch vụ này đang chờ để được gán chất lượng dịch vụ (QoS) thích hợp với những kiểu lưu lượng như vậy. MAC 802.16a cung cấp một phạm vi rộng các kiểu dịch vụ tương tự như những dịch vụ ATM truyền thống cũng như những dịch vụ mới hơn như GFR (guaranteed frame rate). Giao thức MAC 802.16a cũng phải hỗ trợ một sự đa dạng các nhu cầu gửi trả về, bao gồm giao thức ATM và giao thức dựa theo gói (packet-based). Thông qua những đặc tính như chặn đầu mục tải tối đa (payload header), đóng gói và phân mảnh, những lớp con quy tụ và MAC làm việc cùng nhau để mang lại một lưu lượng nhiều hiệu quả hơn cơ chế vận chuyển vốn có. Cơ chế "request-grant" (cấp phát theo yêu cầu) được thiết kế để có thể biến đổi, có hiệu suất cao và tự sửa chữa lỗi. Cùng với những nhiệm vụ cơ bản như cấp phát dải thông và vận chuyển dữ liệu, MAC bao gồm một lớp con bảo mật cung cấp sự chứng thực truy cập mạng và thiết lập kết nối để ngăn ngừa hành vi "trộm" dịch vụ và cung cấp sự trao đổi và mã hóa khóa cho dữ liệu riêng biệt. MAC bao gồm những lớp con quy tụ chuyên biệt về dịch vụ giao diện với những lớp cao hơn, phía trên lớp con phần chung (common part) MAC nòng cốt thực hiện những chức năng MAC chủ yếu. Bên dưới lớp con phần chung là lớp con bảo mật (privacy sublayer). 2.2.1. Những lớp con quy tụ chuyên biệt về dịch vụ Chuẩn IEEE 802.16a định nghĩa hai lớp con quy tụ chuyên biệt về dịch vụ tổng thể để ánh xạ các dịch vụ đến và từ những kết nối MAC 802.16a. Lớp con quy tụ ATM được định nghĩa cho những dịch vụ ATM và lớp con quy tụ gói được định nghĩa để ánh xạ các dịch vụ gói như IPv4, IPv6, Ethernet và VLAN (virtual local area network). Nhiệm vụ chủ yếu của lớp con là phân loại các SDU (service data unit) theo kết nối MAC thích hợp, bảo toàn hay cho phép QoS và cho phép định vị dải thông. Ngoài những chức năng cơ bản này, các lớp con quy tụ có thể cũng thực hiện nhiều chức năng phức tạp hơn như chặn và xây dựng lại đầu mục tải tối đa (payload header) để nâng cao hiệu suất kết nối không gian (airlink). 2.2.2. Lớp con phần chung (common part sublayer) Nhìn chung về kiến trúc tổng thể MAC 802.16a được thiết kế để hỗ trợ kiến trúc “điểm - đa điểm” với một BS trung tâm điều khiển nhiều khu vực độc lập đồng thời. Trên đường xuống, dữ liệu đến các CPE được dồn kênh theo kiểu TDM. Đường lên được dùng chung giữa các CPE theo kiểu 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. Mỗi CPE có một địa chỉ MAC 48-bit chuẩn, nhưng những phục vụ này chủ yếu như một bộ nhận diện thiết bị, từ khi những địa chỉ gốc được sử dụng trong thời gian hoạt động là các CID. Lúc vào mạng, CPE được gán ba kết nối quản lý (management connection) cho mỗi hướng. Ba kết nối này phản ánh ba yêu cầu QoS khác nhau được sử dụng bởi ba mức quản lý khác nhau. 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 CPE 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 cũng như cho báo hiệu kiểm tra tuần tự (polling). 2.2.2.1 Việc truyền các MAC-PDU Lớp MAC của IEEE 802.16 MAC hỗ trợ các giao thức lớp cao hơn khác nhau như ATM hay IP. Những MAC-SDU mới đến từ các lớp con quy tụ tương ứng được định dạng theo khuôn dạng của MAC-PDU, có thể với sự phân mảnh và/hoặc đóng gói, trước khi được chuyên trở qua một hay nhiều kết nối với sự đồng ý của giao thức MAC. Sau khi vượt qua kết nối không gian (airlink), các MAC-PDU được cấu trúc trở về các MAC-SDU gốc, như vậy những sửa đổi khuôn dạng được thực hiện bởi giao thức lớp MAC thể hiện tính “trong suốt” đối với thực thể nhận. IEEE 802.16 tận dụng lợi thế của sự hợp nhất các quá trình đóng gói và phân mảnh với quá trình định vị dải thông để tối ưu hóa tính linh hoạt và hiệu suất cho cả hai. Phân mảnh (fragmentation) là một quá trình trong đó một MAC-SDU được chia cắt ra làm một hay nhiều đoạn MAC-SDU. Đóng gói (packing) là một quá trình trong đó nhiều MAC-SDU được hợp nhất lại vào một "payload" MAC-PDU. Cả hai quá trình có thể được bắt đầu bởi một BS cho một kết nối đường xuống hoặc một CPE cho một kết nối đường lên. IEEE 802.16 cho phép phân mảnh và đóng gói đồng thời để có thể sử dụng dải thông một cách hiệu quả. 2.2.2.2 Hỗ trợ PHY và cấu trúc khung MAC IEEE 802.16 hỗ trợ cả TDD lẫn FDD. Trong FDD, các đường xuống "continuous" (liên tục) và "burst" (không liên tục) đều được hỗ trợ. Các đường xuống “continuous” có tính đến các kỹ thuật nâng cao hiệu suất như “interleaving” (chèn). Các đường xuống “burst” (hoặc 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. 2.2.2.3 Radio Link Control (Điều khiển Kết nối Radio, RLC) Công nghệ được cải tiến của PHY 802.16 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 CPE 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 CPE báo cáo rằng hàng đợi truyền bị ùn do các yếu tố như mất sự cấp phát hay lệch giờ giữa hệ thống IEEE 802.16 và mạng bên ngoài. Nhờ vào sự phát hiện slip indicator flag BS có thể cấp phát dung lượng bổ sung nào đó cho CPE, 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. 2.2.2.4 Những yêu cầu dải thông và cấp phát MAC IEEE 802.16 điều tiết hai lớp của CPE, được phân biệt thông qua khả năng chấp nhận cấp phát dải thông của chúng cho một kết nối hoặc cho CPE toàn vẹn. Cả hai lớp dải thông CPE yêu cầu dải thông cho mỗi kết nối để cho phép giải thuật “BS uplink scheduling” (lập lịch đường lên BS) để cân nhắc một cách đúng đắn QoS khi định vị dải thông. Với sự cấp phát cho mỗi lớp kết nối (grant per connection, GPC) của CPE, dải thông được cấp phát cho một kết nối và CPE chỉ sử dụng cấp phát này cho kết nối đó. RLC và các giao thức quản lý khác sử dụng dải thông được cấp phát cho những kết nối quản lý này. Với lớp cấp phát cho mỗi CPE (grant per CPE, GPCPE), các CPE được cấp các dải thông được tập hợp lại vào trong một cấp phát đơn cho bản thân CPE đó. GPCPE-CPE cần thông minh hơn trong việc xử lý chất lượng dịch vụ của nó. Nó sẽ sử dụng đặc trưng dải thông cho kết nối đã yêu cầu nó, nhưng không cần thiết. Ví dụ, nếu tình hình QoS tại CPE đã thay đổi từ yêu cầu cuối cùng, CPE có tuỳ chọn để gửi dữ liệu QoS cao hơn cùng với một yêu cầu thay thế dải thông này bị "trộm" từ một kết nối QoS thấp hơn. CPE cũng có thể sử dụng một vài dải thông để đáp ứng nhanh chóng sao cho có thể thay đổi những điều kiện môi trường do việc gửi, ví dụ một thông điệp DBPC-REQ chẳng hạn. Để bỏ qua chu trình kiểm tra tuần tự thông thường, bất kỳ CPE nào với một kết nối có chạy UGS có thể sử dụng poll-me bit trong đầu mục con quản lý cấp phát để cho BS biết nó cần được kiểm tra tuần tự những nhu cầu dải thông trên một kết nối khác. BS chỉ có thể chọn để cất giữ dải thông qua việc kiểm tra tuần tự các CPE đã tự nguyện cấp phát các dịch vụ chỉ khi chúng đã đặt poll-me bit. 2.2.2.5 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 CPE 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). Đặc tính này giúp ích cho việc triển khai nơi mà CPE có thể "nghe" (nhận biết) một BS thứ cấp do sự giảm âm có chọn lọc hoặc khi CPE bắt được một “sidelobe” của một ăngten BS gần ngay cạnh. Sau khi quyết định trên kênh nào, CPE 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, CPE sẽ tìm kiếm những thông báo UDC và DCD quảng bá định kỳ cho phép CPE nhận biết sự điều chế và các kế hoạch FEC sử dụng trên sóng mang. 2.2.2.6.Chứng thực và đăng ký CPE Mỗi CPE 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 CPE và khoá RSA dùng chung, được gửi cho BS từ CPE trong những thông báo yêu cầu cấp phép và thông tin chứng thực. Mạng có khả năng xác minh khả năng giống nhau của CPE bởi việc kiểm tra các giấy chứng nhận và sau đó kiểm tra mức cho phép của CPE. Nếu CPE 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 CPE và được dùng để bảo vệ những giao dịch sau này. Trong lúc cấp phép thành công, CPE sẽ đăng ký với mạng. Điều đó sẽ thiết lập kết nối quản lý thứ cấp của CPE và xác định những khả năng có liên quan đến cài đặt kết nối và quá trinh 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. 2.2.2.7. Kết nối IP Sau khi đăng ký, CPE 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 CPE 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. 2.2.2.8. Cài đặt kết nối Nhìn tổng thể, việc cài đặt các luồng dịch vụ trong IEEE 802.16 được khởi tạo bởi BS trong thời gian khởi tạo CPE. Tuy vậy, các luồng dịch vụ có thể cũng được thiết lập động bởi BS hoặc CPE. Điển hình CPE 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 ứng và sự đáp lại đó được xác nhận. 2.2.2.9. Security Associations (những liên kết bảo mật) Giao thức bảo mật của IEEE 802.16 dựa trên cơ sở giao thức PKM (Privacy Key Management), PKM được xây dựng xung quanh khái niệm các SA (security aCPEociations). SA là một tập các phương pháp mật mã và các nguyên liệu mã khoá kết hợp. Điều đó có nghĩa là nó có chứa thông tin về những thuật toán nào được áp dụng, khoá nào được dùng. Mỗi CPE thiết lập tối thiểu một SA trong thời gian khởi tạo. Mỗi kết nối, với ngoại lệ các kết nối quản lý cơ sở và sơ cấp, được ánh xạ tới một SA hoặc tại thời gian cài đặt kết nối hoặc trong quá trình hoạt động. Giao diện không gian WiMax đưa ra trong chuẩn IEEE 802.16 cung cấp nền tảng cho việc phát triển và triển khai các mạng vùng đô thị dựa trên các chuẩn cung cấp truy nhập không dây băng thông rộng trong nhiều môi trường điều tiết. Chuẩn này nhằm mục đích tính đến nhiều nhà cung cấp sản xuất ra các thiết bị có thể hoạt động cùng nhau. Tuy vậy, nó cũng chú tâm đến sự khác nhau các nhà cung cấp. Chẳng hạn chuẩn này cung cấp trạm cơ sở với một tập các công cụ để thực hiện công việc lập kế hoạch hiệu quả. Tuy nhiên, các thuật toán lập lịch xác định hiệu suất toàn bộ sẽ khác nhau đối với những nhà cung cấp khác nhau và có thể tối ưu hoá những mô hình lưu lượng cụ thể. Theo cách đó, đặc tính burst-profile thích ứng cho phép điều khiển để tối ưu hoá hiệu suất của vận chuyển PHY. Những nhà cung cấp có tính đổi mới sẽ giới thiệu những kế hoạch thực hiện thông minh để tăng khả năng cơ hội này trong khi bảo lưu tính hoạt động cùng nhau với các trạm thuê bao tương hợp. Việc công bố chuẩn IEEE 802.16 có một tầm quan trọng trong đó truy cập không dây băng rộng chuyển sang thế hệ thứ hai và bắt đầu sự thiết lập như một xu hướng lựa chọn cho truy cập băng rộng. 2.2.3. Lớp con bảo mật Mục đích chính của lớp con bảo mật là ngăn chặn sự nghe lén dữ liệu của người dùng khi truyền trên kênh dần không dây. Tất cả lưu lượng dữ liệu giữa BS và SS được mã hoá, chỉ trừ thông tin quản lý MAC. Tuy nhiên, trọng tâm của lớp con riêng biệt là bảo vệ các nhà cung cấp dịch vụ chống lại hành vi trộm dịch vụ, và tất nhiên là bảo vệ cả người dùng dich vụ. Mã hoá dữ liệu người dùng là phương pháp hiệu quả để chống lại hành vi trộm dịch vụ. Một điều rất quan trọng là lớp con bảo mật chỉ bảo vệ dữ liệu ở lớp 2 của mô hình OSI (Open System Interconnection). Nó không cung cấp sự mã hoá dữ liệu người dùng từ đầu cuối đến đầu cuối như mạng riêng ảo (Virtual Private Networks) và giải pháp ở mức 7 như S/MIME hay SSH. Và nó cũng không cung cấp sự bảo vệ tín hiệu vật lý. Kỹ thuật bảo mật lớp vật lý cũng như những lớp cao hơn đều cần được tích hợp sử dụng đồng thời để tăng chất lượng bảo mật. Để quản lý sự trao đổi và đồng bộ hoá khoá bảo mật, lớp con bảo mật của IEEE 802.16a sử dụng giao thức quản lý khoá bảo mật PKM (Privacy Key Management). Giao thức sử dụng nhiều khoá khác nhau khi thiết lập một sự mã hoá bảo mật. Chúng được tổng hợp lại trong bảng 2.1. Trong quá trình thiết lập thủ tục xếp hàng (ranging procedure), SS xuất trình chứng nhận số X.509 cho BS. BS xác minh sự nhận thực của chứng nhận số đó. Nếu SS được cấp quyền truy nhập vào mạng, BS sử dụng khoá công khai của SS để mã hoá một khoá cấp phép AK (Authentication Key). AK được sử dụng theo một số cách khác nhau. Chẳng hạn như để tạo ra khoá mã hoá khoá KEK (Key Encryption Key) hay khoá mã chứng thực thông tin “băm” HMAC (Hashed Message Authentication Code). Khoá HMAC được sử dụng để sinh ra và xác nhận các thông điệp quản lý MAC. Cuối cùng, KEK được sử dụng để bảo vệ khoá mã hoá lưu lượng TEK (Traffic Encryption Key) - được tạo ra bởi BS - và gửi tới SS. TEK là khoá được sử dụng trên thực tế để mã hoá lưu lượng dữ liệu giữa BS và SS. Chuẩn này bảo đảm rằng một SS luôn luôn sở hữu một khoá mã hoá hợp lệ. Cho cả hai mục đích nhận thực và khoá mã hoá lưu lượng dữ liệu, SS tạo ra hai khoá với thời gian tồn tại so le nhau. Phương pháp trao chuyên khoá (key changeover schemes) được sử dụng trong các AK và TEK là giống nhau và đảm bảo một thứ tự luân phiên giữa các lần sinh khoá. Bảng 2.1: Các loại khoá bảo mật sử dụng trong IEEE 802.16a Khoá Được tạo ra 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 2.3. Lớp con hội tụ truyền Giữa PHY và MAC là một lớp con hội tụ truyền TC (transmission convergence). Lớp này thực hiện sự biến đổi các PDU (protocol data units) MAC độ dài có thể thay đổi vào trong các block FEC độ dài cố định (cộng thêm có thể là một block được rút ngắn vào đoạn cuối) của mỗi “burst”. Lớp TC có một PDU có kích thước khớp với block FEC hiện thời bị đầy. Nó bắt đầu với một con trỏ chỉ ra vị trí đầu mục PDU MAC tiếp theo bắt đầu bên trong block FEC. Khuôn dạng PDU TC cho phép đồng bộ hóa lại PDU MAC tiếp sau trong trường hợp block FEC trước đó có những lỗi không thể phục hồi được. Không có lớp TC, một CPE hay BS nhận sẽ mất toàn bộ phần còn lại của một "burst" khi một lỗi không thể sửa chữa xuất hiện. Chương 3:Công nghệ truy nhập băng rộng cố định 3.1. Các dải tần số trong truy nhập băng rộng không dây cố định (FBWA - Fixed Broadband Wireless Access) Bảng 3.1 trình bày các dải tần số có thể sử dụng trong các ứng dụng truy nhập không dây cố định (FBWA) ở Châu Âu. Trong đó có các dải tần cần phải được cấp phép và các dải tần không cần cấp phép. Bảng 3.1. Các dải tần có thể sử dụng cho hệ thống FBWA ở Châu Âu Tên dải tần Dải tần số Độ rộng dải tần Loại 2,4 GHz ISM 2,400 - 2,4835 GHz 83,5 MHz Không cấp phép 3,5 GHz FBWA 3,410 - 3,600 GHz 190 MHz Cấp phép 5 GHz RLAN 5,470 - 5,725 GHz 255 MHz Không cấp phép 10,5 GHz FBWA 10,150 - 10,300 GHz 10,500 - 10.650 GHz 2x150 MHz Cấp phép 26 GHz FBWA 24,577 - 25,417 GHz 25,585 - 26,425 GHz 2x280 MHz Cấp phép Dải tần số 2,4 GHz ISM là dải tần dùng cho công nghiệp, khoa học và y tế (ISM Industrial, Scientific and Medical), dải tần này không cần cấp phép trên toàn thế giới. Dải tần này hiện dang được sử dụng rất nhiều trong các hệ thống WLAN và Bluetooth, điện thoại không dây, lò vi sóng và nhiều thiết bị khác nữa. Bất kỳ thiết bị radio nào cũng có thể sử dụng dải tần này với điều kiện là năng lượng phát xạ nhỏ hơn một giới hạn cho phép nào đó. Hệ thống mạng truy nhập không dây cố định sử dụng dải tần 2,4 thường dựa trên các chuẩn WLAN. Dải tần 5 GHz radio LAN (RLAN) trên thực tế có hai băng tần số: 5,150 - 5,350 GHz và 5,470 - 5,725 GHz. Các dải tần này được chỉ định dùng cho RLAN, nó được tổ chức viễn thông thế giới ITU (International Telecommunication Union) giới hạn sử dụng cho các mạng WLAN. Dải tần này không cần cấp phép nhưng lại chỉ có thể sử dụng cho các thiết bị RLAN. Thực tế chỉ có băng tần 5,470 - 5,725 được dự định sử dụng cho các ứng dụng ngoài trời thông thường, độ rộng dải tần tối đa có thể sử dụng là 255 MHz, chúng được sử dụng nhiều hơn dải tần 2,4 GHz ISM (có độ rộng dải tần 83,5 MHz). Độ rộng dải tần lớn cho phép chúng ta sử dụng nhiều kênh hoạt động trong cùng một khu vực địa lý, làm gia tăng dung lượng tiềm năng của mạng, giảm can nhiễu, và làm cho việc thiết kế mạng dễ dang hơn nhiều. Tất nhiên tần số cao thì làm cho độ dài truyền dẫn giảm, tức là bán kính phủ sóng nhỏ đi. Các dải tần 3,5GHz, 10,5Ghz, 26Ghz được khuyến cáo dùng cho mạng FBWA ở Châu Âu. Dải tần 3,5Ghz và 10,5Ghz được dự định (intended) chỉ sử dụng cho các ứng dụng điểm - đa điểm (point-to-multipoint), trong khi đó dải tần 26Ghz được triển khai rất tốt cho các liên kết radio cố định điểm - điểm truyền thống. Tất cả các băng tần này đều phải được cấp phép, và hằng năm đều phải trả tiền cho dải tần mà mình sử dụng, số tiền đó phụ thuộc vào độ rộng dải tần mình thuê, tần số thuê, khu vực địa lý phủ sóng. 3.2. Topo mạng FBWA Mạng FBWA có thể chia làm 3 loại chính: Điểm - điểm (point-to-point PTP), điểm - đa điểm (point-to-multipoint PMP) và mạng lưới (mesh). Mạng điểm-điểm (PTP) chứa một hoặc nhiều liên kết điểm-điểm sử dụng anten có hướng tính cao tại cả hai đầu cuối của mỗi liến kết. Mạng PMP chứa một số các trạm phát sóng gốc BTS, trong đó mỗi trạm kết nối tới nhiều thiết bị đầu cuối phía người dùng. Khi cần lắp đặt một hệ thống có thể phục vụ cho một số đông người dùng trong một khu vực địa lý, ta có một sự so sánh giữa việc lắp dặt một hệ thống PMP hay nhiều PTP. Sự lựa chọn sẽ dựa trên các tiêu chí như: giá thành, mật độ thuê bao, khả năng phát triển trong tương lai hay số lượng khách hàng tiềm năng ... Trong mạng lưới (Mesh), mỗi thiết bị đầu cuối hoạt động như các bộ định tuyến (router) cho các lưu lượng khác khác nhau. Trạm phát sóng gốc BTS cũng cần được cung cấp kết nối tới mạng lõi. Mạng Mesh cung cấp một cách để mở rộng vùng phục vụ của một mạng truy nhập không dây, khi mỗi thuê bao lại có thể coi như một trạm phát gốc phục vụ cho các thuê bao ở gần nó. Tuy nhiên, tại cùng một thời điểm dung lượng của một số liên kết có thể bị méo (strained). Thiết bị đầu cuối phía người dùng cũng phức tạp hơn, bởi vì nó cần phải có chức năng định tuyến. Hiện nay trên thị trường có rất ít thiết bị mạng Mesh-FBWA. Trên thực tế mạng FBWA thường sử dụng phối hợp nhiều loại topo mạng khác nhau. Ví dụ như, thường sử dụng liên kết PTP như là một đường trục cho nhiều trạm gốc PMP. Có thể kết hợp nhiều công nghệ vô tuyến khác nhau trong một mạng. Ví dụ, ví dụ như để kết nối tới mạng truy nhập LAN 2,4 GHz ta có thể dùng sóng ở dải tần 3,5 GHz như là kết nối đường trục (backhaul) Trong chuẩn IEEE 802.16, đặc tả cả hai loại topo mạng Mesh và PMP. Trên thực tế, hầu hết các hệ thống trên thị trường là hệ thống PMP. Một số hệ thống dựa trên topo dạng Mesh cũng được giới thiệu, tuy nhiên hệ thống PMP sẽ chiếm ưu thế vượt trội trong tương lai gần. Do đó, kể từ đây chúng ta sẽ chỉ nghiên cứu hệ thống PMP. Hình 3.1 mô tả mô hình có thể triển khai của một mạng PMP. Hình 3.1: Ví dụ về một mạng PMP có thể triển khai trong thực tế 3.3. Cấu trúc mạng Điểm - Đa điểm (PMP) Cấu trúc điển hình của một mạng PMP FBWA được trình bày ở hình 3.2. Hình 3.2: Ví dụ về kiến trúc của một mạng FBWA Như đã trình bày trong hình vẽ trên, một mạng Điểm - Đa điểm FBWA về cơ bản là một mạng được khu vực hoá bao gồm hai thành phần chính: Một trạm gốc (Base Station - BS) và thiết bị giao tiếp đầu cuối khách hàng (Customer Premises Equipment - CPE). Trạm gốc BS bao gồm một hoặc nhiều thiết bị thu phát vô tuyến, mỗi thiết bị chịu trách nhiệm kết nối với nhiều CPE trong khu vực phủ sóng. Các modem không dây (Radio modems) kết nối tới một bộ đa công (Multiplexer), tương tự như một khoá chuyển đổi, nó tập hợp lưu lượng từ các sector khác nhau và gửi chuyển (forward) chúng tới một bộ định tuyến (Router) cung cấp kết nối tới giao thức (IP) của nhà cung cấp dịch vụ mạng. Thiết bị giao tiếp đầu cuối khách hàng CPE bao gồm 3 thành phần chính: một modem, một radio, và một anten. Modem cung cấp một giao diện giữa mạng của khách hàng với mạng FBWA của nhà cung cấp dich vụ. Radio cung cấp một giao diện giữa modem với anten. Ba thành phần có thể là riêng biệt , hoặc tích hợp một phần hay hoàn toàn lên một hay hai phần nhỏ của thiết bị. 3.4. Tầm nhìn thẳng trong mạng điểm - đa điểm (PMP) Chất lượng phục vụ của mạng FBWA phụ thuộc nhiều vào vị trí của CPE đến BS của hệ thống. Nếu từ CPE đến BS có vật cản thì hiệu quả truyền sóng sẽ kém đi rất nhiều. Vì vậy cho nên mạng FBWA điểm – đa điểm thường được chia thành hai loại: Hệ thống nằm trong tầm nhìn thẳng (Line-of-sight LOS), và hệ thống không nằm trong tầm nhìn thẳng (non-line-of-sight NLOS). Trong công nghiệp đôi khi người ta cường điệu hoá khả năng truyền không cần tầm nhìn thẳng (NLOS) của hệ thống, và hầu hết mọi hệ thống của các nhà sản xuất bán trên thị trường đều khẳng định sản phẩm của họ có khả năng NLOS. Trong công nghiệp giới hạn của việc truyền NLOS cũng khác nhau. Sự khác nhau đó được thể hiện chi tiết trong bảng 3.2. Bảng3.2: Sự khác nhau của các loại hệ thống LOS và NLOS Loại hệ thống Hệ thống LOS Hệ thống NLOS LOS Gần LOS NLOS ngoài trời NLOS trong nhà Đường đi của sóng radio Thẳng, không có vật cản trở Thẳng, có vật cản trở, ví dụ như cây cối... Phản xạ, không có thành phần nhìn thẳng Phản xạ, không có thành phần nhìn thẳng Anten CPE Có hướng tính cao, được đặt bên ngoài các toà nhà Có hướng tính cao, được đặt bên ngoài các toà nhà Có tính định hướng, được đặt bên ngoài các toà nhà Thu được tất cả các hướng, tích hợp với CPE, có thể đặt trong nhà. Các mạng có khả năng NLOS thường vượt trội hơn so với các mạng LOS ở một số điểm. Thứ nhất, vì vùng phủ sóng của các trạm gốc FBWA là tốt hơn nên có thể có nhiều thuê bao gốc hơn. Việc cung cấp dịch vụ cho các thuê bao FBWA cũng dễ dàng hơn vì mạng có khả năng phủ hết tất cả các điểm trong một vùng nhất định. Trong trường hợp của mạng NLOS trong nhà, một ưu điểm chủ yếu khác là các CPE rất dễ cài đặt và thực tế là nó có thể được cài đặt bởi người dùng. Đứng từ góc độ của người vận hành, việc sử dụng các CPE có thể cài đặt bởi người dùng cho phép không cần đến các kỹ thuật viên để cài đặt thiết bị, do đó có thể làm giảm chi phí dịch vụ. Ngoài ra vì các CPE được cài đặt trong nhà nên chúng không cần phải được thiết kế để chịu được các cơn mưa lớn hay nhiệt độ cao. Bản chất vô hướng của anten CPE còn có một lợi ích khác là chúng có thể di động được. Vì anten CPE không cần phải cố định hay được định hướng nên nó cho phép khách hàng có thể dùng kết nối băng thông rộng ở bất cứ đâu trong phạm vi của mạng. Tuy nhiên bán kính phủ sóng của mạng NLOS với các CPE được cài đặt trong nhà nhỏ hơn rất nhiều so với các hệ thống sử dụng các anten định hướng được cài đặt ngoài trời. Chính vì vậy cần phải có nhiều trạm gốc BS hơn. Trong đồ án này, tôi chỉ tập trung vào nghiên cứu các hệ thống có khả năng vận hành không nằm trong tầm nhìn thẳng. 3.5. Điều chế và mã hoá. Các tiến bộ trong công nghệ truyền thông trong những năm gần đây cho phép mã hoá, điều chế, giải điều chế, giải mã các tín hiệu truyền dẫn nhằm cung cấp các giao tiếp tin cậy và cực đại hiệu quả sử dụng của dải phổ. Các phương pháp điều chế và mã hoá trong chương này được xem là quan trọng nhất đối với các mạng FBWA số. Một tín hiệu truyền dẫn có 3 đặc tính cơ bản là tần số, biên độ và pha. Chúng có thể thay đổi riêng rẽ hoặc kết hợp để phù hợp với thông tin cần truyền. Vì vậy các loại điều chế cơ bản có thể được chia thành Amplitude Shift Keying (ASK), Frequency Shift Keying (FSK), and Phase Shift Keying (PSK). Ta có thể thu được nhiều phương pháp điều chế bằng cách kết hợp các phương pháp điều chế này. Khi số mức biên độ, tần số, hay trạng thái pha tăng lên, nhiều bit thông tin có thể được truyền trong một symbol. Tuy nhiên nhiễu và sự suy hao trên kênh truyền (channel impairment) làm cho việc phát hiện symbol nào được truyền trở nên khó khăn hơn. Vấn đề mang tính chất thoả hiệp này thường được giải quyết tự động bởi hệ thống, nếu nó áp dụng phương pháp điều chế thích nghi hay cơ chế thích nghi liên kết Các hệ FBWA sử dụng điều chế đơn sóng mang và điều chế đa sóng mang. Trong điều chế đơn sóng mang, dữ liệu truyền sử dụng một sóng mang đơn được điều chế dựa vào luồng dữ liệu. Trong điều chế sử dụng đa sóng mang, luồng dữ liệu được chia thành nhiều luồng dữ liệu song song ở phía truyền, mỗi luồng dữ liệu điều chế sóng mang con của nó. ở phía nhận, các sóng mang con được giải điều chế và các luồng dữ liệu được kết hợp lại. 3.5.1 Các phương pháp điều chế đơn sóng mang 3.5.1.1. Kỹ thuật điều chế pha. Điều chế pha là một phương thức điều chế đảm bảo mức lỗi thấp nhất với một mức thu đã định.Trong công nghệ của chuẩn này thì phương thức điều chế pha được sử dụng là phương thức điều chế pha nhiều trạng thái QPSK. Để thực hiện điều chế pha QPSK (4 PSK) người ta chia luồng số ở đầu vào thành 2 luồng số, bằng cách đưa qua bộ biến đổi nối tiếp – song song Bộ biến đổi nối tiếp - song song A 0 0 1 1 S(t) 00001111 B 0 1 1 1 Và mỗi tổ hợp bit gồm 2 bit được gán với một trạng thái pha của sóng mang như , , , . Ta có biểu thức của đều chế QPSK như sau: U00 (t) = A cos(+ + ) U01 (t) = A cos(+ + ) U11 (t) = A cos(+ + ) U10 (t) = A cos(+ + ) Như vậy độ dịch pha giữa hai trạng thái pha là 90 vì vậy nó còn được gọi là điều chế pha vuông góc QPSK. dQ(t) ST(t) Tớn hiệu QPSK S Cosw0t d(t) dI(t) Bộ chuyển đổi nối tiếp song song 900 Sơ đồ khối bộ điều chế QPSK như hình vẽ : Hình 3.3: Sơ đồ khối bộ điều chế QPSK Luồng số ở đầu vào qua bộ biến đổi nối tiếp / song song thành hai luồng số dI(t) và dQ(t). Hai luồng số đó được đưa vào bộ biến đổi NRZ đơn cực thành NRZ lưỡng cực sau đó được đưa vào bộ trộn M1 và M2 để trộn cùng với dao động sóng mang. Hai sóng mang đưa tới bộ trộn đã được làm lệch pha 900, tín hiệu ra của hai bộ trộn sẽ được đưa vào bộ tổng để tạo ra tín hiệu QPSK. 3.5.1.2. Kỹ thuật điều chế biên độ cầu phương QAM Kỹ thuật điều chế này là phương thức điều chế khóa dịch biên độ và khóa dịch pha. Thực hiện điều chế biên độ nhiều mức hai sóng mang mà hai sóng mang này được làm dịch pha đi một góc 900, như vậy một sóng sẽ là sin . Số trạng thái trong phương pháp điều chế này là M = L2 (với L là số mức biên độ của mỗi sóng mang vuông góc). Tín hiệu tổng của hai sóng mang này vừa có dạng điều biên vừa có dạng điều pha. Nếu hai sóng mang đó có dạng : S1(t) = A1(t) sin S2(t) = A2(t) sin Thì tín hiệu tổng S(t) có dạng : S(t) = A1(t) sin + A2(t) sin S(t) = A(t) sin Với A(t) = A12(t) + A22(t) arctg S1(t) / S2(t) Như vậy tín hiệu tổng S(t) vừa có biên độ vừa có góc pha biến đổi theo thời gian nên chính là sóng vừa điều biên vừa điều pha. Trong phương pháp điều chế này khi thực hiện biến đổi 2 mức thành 4 mức ta có phương thức điều chế 16 QAM; khi biến đổi 2 mức thành 6 mức ta có phương thức điều chế 64 QAM. Và các tổ hợp bit tương ứng với các trạng thái pha có biên độ sóng mang khác nhau, sóng mang có 16 trạng thái pha với phương thức điều chế 16 QAM và sóng mang có 64 trạng thái pha với phương thức điều chế 64 QAM. Mỗi trạng thái pha tương ứng với một biên độ của sóng mang khác nhau, vì vậy khoảng cách giữa các tổ hợp bit xa nhau hơn, khả năng mắc lỗi sẽ giảm. Như vậy với phương thức điều chế này độ rộng băng tần yêu cầu thấp nên sử dụng hiệu quả đường truyền dẫn. Tuy nhiên trong phương pháp này méo phi tuyến và méo xuyên kênh tăng, tỷ lệ lỗi bit BER tăng nếu tỉ số tín hiệu trên tạp âm không đổi.Và bộ điều chế cũng sẽ phức tạp hơn so với phương thức điều chế riêng rẽ. Nhiều hệ thống FBWA sử dụng điều chế thích nghi tức là hệ thống có thể tự động chọn phương pháp điều chế và mã hoá tuỳ theo điều kiện kênh truyền. Chẳng hạn, một hệ thống bình thường sử dụng 16-QAM có thể chuyển sang điều chế QPSK trong điều kiện mưa lớn để duy trì đường truyền. Các cơ chế điều chế thích nghi cũng có thể được sử dụng để nâng cao hiệu suất của hệ FBWA bằng cách cho phép sử dụng các cách điều chế khác nhau đối với các thuê bao khác nhau. Chẳng hạn, các CPE ở gần trạm gốc có thể sử dung 64-QAM trong khi các CPE khác ở xa hơn sử dụng 16-QAM hoặc QPSK. 3.5.2 Điều chế đa sóng mang sử dụng OFDM OFDM (Dồn kênh phân chia theo tần số trực giao) là một phương pháp điều chế đa sóng mang điển hình. Kỹ thuật này được thực hiện bằng cách chia dòng số liệu truyền đi thành N các dòng số liệu song song với tốc độ dữ liệu giảm và truyền chúng trên các sóng mang riêng biệt. Các sóng mang này được điều chế trực giao bằng cách chọn tần số cách quãng thích hợp giữa chúng..Do vậy được phép chồng phổ giữa các sóng mang vì tính trực giao đảm bảo thiết bị nhận có thể phân biệt các sóng mang con OFDM và còn cho phép đạt hiệu quả sử dụng phổ tốt bằng cách sử dụng phương pháp ghép kênh theo tần số đơn giản . Trong phương pháp này dạng tín hiệu thông thấp OFDM chung nhất có thể được biểu diễn như sau : s(t) = Với : k = 0-(N-1) Trong đó : Cn,k là ký tự truyền dẫn trên sóng mang con thứ k trong khoảng báo hiệu thứ n, xác định trong chu kỳ Ts N là số sóng mang con OFDM fk là tần số sóng mang con thứ k, và f0 là tấn số thấp nhất được sử dụng Trong kỹ thuật này khung OFDM thứ N là tín hiệu được truyền cho khoảng báo hiệu thứ n của chu kỳ bằng một chu kỳ ký tự Ts và được mô tả bởi hàm Fn(t). Với hàm s(t) được biểu diễn như sau : s(t) = Với: Fn(t) tương ứng với bộ các ký tự Cn,k , k = 0…(N-1) Mỗi ký tự được truyền trên các sóng mang con tương ứng fk Sơ đồ khối của bộ điều chế OFDM được mô tả như hình vẽ : Hình 3.4: Sơ đồ khối bộ điều chế OFDM Như vậy để có một hệ thống OFDM thực tế phải cần một số lượng rất lớn các khối điều chế giống hệt nhau. Để khắc phục nhược điểm này ta có thể thực hiện qua việc xử lý các tín hiệu rời rạc IFFT và sử dung các thuộc tính của biến đổi rời rạc Fourier. Với việc lấy mẫu tín hiệu tương đương thông thấp của tín hiệu OFDM với tốc độ nhanh hơn N lần so với tốc độ sóng mang ký tự 1/Ts Như vậy với phương pháp điều chế OFDM ta sẽ thu được một số điểm thuận lợi như sau: Hiệu quả sử dụng phổ cao có sự cho phép chồng phổ. Phương pháp này có khả năng chịu đựng tốt hơn đối với tần số pha đinh lựa chọn so với hệ thống sử dụng sóng mang đơn. Loại bỏ được ký tự nhiếu trung gian ISI và khung nhiễu trung gian IFI qua việc sử dụng phần mào đầu tuần hoàn. Có thể khôi phục ký tự bị mất do lựa chọn tần số của kênh thông qua việc sử dụng mã hóa kênh thích hợp với một khoảng xen kẽ. Phương pháp này được tính toán hiệu quả sử dụng kỹ thuật FFT để thực hiện việc điều chế và giải điều chế. Hệ thống OFDM ít nhạy cảm với phần bù thời gian mẫu hơn các hệ thống sóng mang đơn. Có khả năng chống nhiễu tốt đối với nhiễu xuyên kênh và xung nhiễu ký sinh Tuy nhiên : Tín hiệu OFDM có nhiễu với biên độ có dải rộng rất lớn, vì vậy yêu cầu các bộ khuyếch đại công suất RF với tỷ số giữa công suất đỉnh và công suất trung bình lớn. Tín hiệu này cũng nhạy cảm hơn với phần bù tần số và trôi tần số sóng mang so với các hệ thống sóng mang đơn vì đây chính là nhược điểm của của kỹ thuật FFT. Trong OFDM, một số sóng mang con có dải thông tương đối thấp được điều chế. Tốc độ truyền dữ liệu tổng hợp của các sóng mang con có thể so sánh được với tốc độ truyền dữ liệu của hệ đơn sóng mang sử dụng cùng kiểu điều chế ở tần số cao hơn trong cùng dải thông của kênh truyền. Vì khoảng thời gian tồn tại của symbol dài hơn, việc nhầm lẫn giữa các ký hiệu do phân tán theo thời gian là thấp hơn. Đồng thời, fading lựa chọn tần số ảnh hưởng tới ít sóng mang con hơn và các bit lỗi có thể được sửa lại bằng cách mã hoá. Vì những lý do trên, OFDM trở nên quan trọng đối với các hệ FBWA, đặc biệt là các hệ điểm - đa điểm không nằm trong tầm nhìn thẳng. Các chuẩn LAN không dây mới đã sử dụng OFDM với 64 sóng mang con và đối với các hệ FBWA chuẩn IEEE 802.16a xác định lớp vật lý OFDM với 256 sóng mang con. Công nghệ OFDM cũng đã được đề xuất là công nghệ cho các hệ thống di động thế hệ mới. 3.5.3. Các phương pháp mã hoá Mã hoá được sử dụng để thêm các dữ liệu thừa trong tín hiệu truyền để cho phép phát hiện lỗi khi nhận dữ liệu. Phát hiện lỗi có thể được sửa ở phía thu băng cách sử dụng forward error correction (FEC), hoặc khối dữ liệu có thể được yêu cầu truyền lại bằng cách sử dụng cơ chế yêu cầu truyền lại tự động (ARQ). FEC thường hay được sử dụng hơn ARQ vì việc truyền lại sẽ làm giảm hiệu suất của hệ thống và gây ra trễ nên không thích hợp với các ứng dụng thời gian thực như đàm thoại tiếng hay hình. Các phương pháp mã hoá thường được sử dụng trong các hệ FBWA là mã khối, mã vòng, và mã space-time. Mã khối và mã vòng thêm các bit dư thừa vào sau các chuỗi bit thông tin. Trong mã khối, một khối gốm k symbol dữ liệu được mã hoá thành một khối gồm n symbol mã. Mã này thường được xem như là mã (n,k), và tần số mã được cho bởi tỷ số k/n. Mã vòng cũng có thể được mô tả tương tự. Chúng khác với mã khối ở chỗ mã đầu ra là một hàm của không chỉ khối k symbol hiện tại mà còn của các symbol trước nữa. Space-time codes (STCs) sử dụng các hồi đáp kênh không tương quan với nhau tồn tại khi sử dụng nhiều anten thu và phát. Chúng được được sử dụng cùng với các hệ anten nhiều đầu vào và nhiều đầu ra (multiple-input, multiple-output (MIMO) antenna), và sử dụng cả thời gian và không gian để gửi thông tin dư thừa tới người nhận. Trong các hệ FBWA, OFDM, các hệ anten MIMO và các STC được xem là có thể được sử dụng để cung cấp dịch vụ không nằm trong tầm nhìn thẳng. 3.6. Đa truy nhập và song công Trong các hệ thống đa truy nhập vô tuyến, tất cả các đầu cuối cùng chia sẻ phương tiện truyền dẫn. Để tránh nhiễu và truyền dẫn chồng chéo cần phải có sự điều khiển sự truy nhập vào phương tiện truyền. Các phương pháp đa truy nhập và song công được dùng để cho phép nhiều người dùng cùng chia sẻ đồng thời một số dải sóng hữu hạn . 3.6.1. Các phương pháp song công Trong các hệ thống điểm - đa điểm, hiện nay tồn tại 2 kỹ thuật song công (hoạt động theo 2 chiều: chiều xuống - downstream và chiều lên - upstream ): Chia theo tần số ( Frequency Division Duplexing FDD): Kỹ thuật này chia di tần số sử dụng ra làm 2 kênh riêng biệt, một kênh cho chiều xuống và một kênh cho chiều lên. Chia theo thời gian ( Time Division Duplexing - TDD ): Kỹ thuật này mới hơn, cho phép lưu lượng thông theo 2 chiều trong cùng một kênh, nhưng tại các khe thời gian khác nhau. Việc lựa chọn phương pháp song công thường độc lập với việc đa truy nhập và các phương pháp điều chế (modulation). Lựa chọn kỹ thuật nào, FDD hay TDD, phụ thuộc vào mục đích sử dụng chính của hệ thống: ứng dụng đối xứng (thoại - voice) hoặc không đối xứng (dữ liệu - data). Kỹ thuật FDD sử dụng băng thông không hiệu quả đối với các ứng dụng dữ liệu. Trong hệ thống sử dụng kỹ thuật FDD, băng thông cho mỗi chiều được phân chia cố định. Nếu lưu lượng chỉ lưu thông theo chiều xuống (downstream), ví dụ như xem các trang Web, thì băng thông của chiều lên (upstream) được sử dụng rất ít. Điều này không xảy ra khi hệ thống được sử dụng cho các ứng dụng thoại: hai người nói chuyện thường nói nhiều như nghe, do đó băng thông của hai chiều lên, xuống được sử dụng xấp xỉ như nhau. Đối với các ứng dụng truyền dữ liệu tốc độ cao hoặc ứng dụng hình thì chỉ có băng thông chiều xuống được sử dụng, còn chiều lên gần như không được sử dụng. Đối với kỹ thuật TDD, số lượng khe thời gian cho mỗi chiều thay đổi thường xuyên. Khi lưu lượng chiều lên nhiều, số lượng khe thời gian dành cho chiều lên sẽ được tăng lên, và ngược lại. Với sự giám sát số lượng khe thời gian cho mỗi chiều, hệ thống sử dụng kỹ thuật TDD hỗ trợ cho sự bùng nổ thông lượng truyền dẫn đối với cả 2 chiều. Nếu một trang Web lớn đang được tải xuống thì các khe thời gian của chiểu lên sẽ được cấp phát cho chiều xuống. Nhược điểm chủ yếu của kỹ thuật TDD là việc thay đổi chiều của lưu lượng tốn thời gian, việc cấp phát khe thời gian là vấn đề phức tạp cho hệ thống phần mềm. Hơn nữa, kỹ thuật TDD yêu cầu sự chính xác về thời gian. Tất cả các máy trạm trong khu vực của một hệ thống sử dụng kỹ thuật TDD cần có một điểm thời gian tham khảo để xác định chính xác các khe thời gian. Điều này giới hạn phạm vi bao phủ đối với các hệ thống điểm - đa điểm. 3.6.2 Các phương pháp đa truy nhập Các phương pháp đa truy nhập được sử dụng để tách rời người sử dụng với nhau trong một kênh truyền. Các phương pháp đa truy nhập phổ biến nhất được sử dụng trong các hệ FBWA bao gồm đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA), đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA), đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA), đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA), và đa truy nhập nhạy cảm sóng mang (CSMA). Một số phương pháp đa truy nhập và song công được chỉ ra trong các chuẩn IEEE 802.16a. Trong đồ án này, chỉ tập trung vào các hệ thống sử dụng TDD và TDMA. TDMA(Time Division Multiple Access ) đa truy nhập phân chia theo thời gian: Phổ tần số được chia thô thành các dải tần liên lạc , mỗi dải tần liên lạc này được dùng chung cho N kênh liên lạc, mỗi kênh liên lạc là một khe thời gian trong chu kỳ 1 khung sao cho không có sự chồng chéo lên nhau. Liên lạc được thực hiện song công mỗi hướng thuộc các dải tần liên lạc khác nhau, điều này làm giảm nhiễu giao thoa đáng kể. 3.7. Kỹ thuật trải phổ Khi tài nguyên vô tuyến ngày càng trở nên cạn kiệt, người ta bắt đầu phải áp dụng kỹ thuật trải phổ nhằm nâng cao hiệu năng sử dụng tần số. Có hai kỹ thuật trải phổ thông dụng nhất hiện nay là FHSS và DSSS. 3.7.1.Trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS Các hệ thống DSSS mang lại truyền dẫn tin cậy với các tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm tương đối nhỏ. Bản chất của DSSS là thực hiện trải năng lượng tín hiệu trên một dải tần rộng. Năng lượng trên một đơn vị xung giảm xuống. Do đó nhiễu do hệ thống DSSS tạo ra nhỏ hơn rất nhiều so với các hệ thống băng hẹp. Nhờ vậy cho phép các tín hiệu DSSS phân chia cùng một băng tần. Đối với một bộ thu bất kỳ, các tín hiệu DSSS xuất hiện như là nhiễu băng rộng công suất thấp và được loại bỏ nhờ các bộ thu băng hẹp. DSSS thực hiện tổng hợp dòng số liệu với một mã số tốc độ cao hơn. Mỗi bít số liệu được chuyển đổi (ánh xạ - mapping) với một mẫu chung mà chỉ có máy phát và máy thu đã định hướng biết trước được. Mẫu bít này được gọi là mã giả tạp âm (pseudo-noise ) và mỗi bít trong mã được gọi là một bộ chip. Thứ tự của các chip trong một chu kỳ bít là ngẫu nhiên nhưng trình tự giống nhau được lặp đi lặp lại, như vậy tạo ra chuỗi giả ngẫu nhiên hoặc ngẫu nhiên từng phần. Tốc độ chip của mã giả tạp âm n bit là lớn hơn n lần tốc độ số liệu. Tốc độ cao như vậy gây ra băng thông rất rộng. Trong tiêu chuẩn IEEE 802.22 sử dụng mã 11 chíp, tốc độ chip lớn gấp 11 lần tốc độ dữ liệu. Mã giả tạp âm lớn hơn thi cần nhiều băng thông hơn vì tốc độ chíp yêu cầu cao hơn. Thông thường trải băng thông gấp 2 lần tốc độ chip. Như vậy tốc độ chip 11 Mchip/s tương đương giải băng thông 22 MHz. Tại bộ thu các chip được giải trải phổ bởi cùng một mã giả tạp âm và chuyển đổi ngược trở lại thành các bit số liệu gốc. Tuy nhiên trong quá trình truyền dẫn năng lượng của nhiễu và giao thoa có thể bị cộng thêm vào, năng lượng này bị loại bỏ bởi mã giả tạp âm. Ngoài việc biết mã giả tạp âm trong máy phát, bộ thu cũng phải đồng bộ với pha của mã cũng như của tốc độ chíp. Như vậy chức năng đặt ra cơ chế định thời trong tiêu đề của một gói DSSS để cho phép máy thu đồng bộ pha đúng của mã cũng như tốc độ của chíp. Như vậy chức năng đặt ra cơ chế định thời trong tiêu đề của một gói DSSS để cho phép máy thu đồng bộ pha đúng của mã giả nhiễu trong thời gian ngắn nhất. Vì quá trình truyền gói không đồng bộ nên mọi gói DSSS phải có một tiêu đề đồng bộ. Một tham số chính đối với các hệ thống DSSS là số lượng chip trên một bit, tham số này được gọi là độ lợi xử lý hoặc tỷ lệ trải. Xử lý độ lợi là quá trình làm giảm mật độ phổ công suất khi tín hiệu được xử lý để truyền và tăng mật độ phổ công suất khi giải trải phổ, với mục đích chính là làm tăng tỉ số S/N (Signal to Noise ratio). Độ lợi xử lý cao làm tăng cường khả năng loại bỏ nhiễu của tín hiệu. Độ lợi xử lý thấp làm tăng độ rộng băng thông khả dụng để truyền tín hiệu. Giới hạn trên của độ lợi xử lý do băng thông khả dụng quyết định. Tiêu chuẩn 802.11 sử dụng mã giả nhiễu 11 chip tức là trải số liệu ra thêm 11 lần trước khi truyền đi, đưa ra độ lợi xử lý 10,4 dB. Độ lợi này rất nhỏ so với các hệ thống tổ ong trải phổ. Do đó việc triệt nhiễu bị hạn chế nhưng nhiều băng thông khả dụng hơn cho truyền dẫn số liệu với tốc độ cao. Phương pháp DSSS dùng trong WiMAX khác với đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA). Phân chia mã liên quan tới các truyền dẫn với các mã giả tạp âm trực giao và các truyền dẫn này có thể chồng lấn lên nhau nhưng không ảnh hưởng tới nhau. Các nút khác nhau phát đi bằng mã riêng. Mỗi bộ thu phù hợp với mã của một kênh truyền, các tín hiệu khác (dùng mã khác) xuất hiện như là nhiễu nền. Trong quá trình giải trải phổ (despread) nhiễu này sẽ bị loại bỏ. Một hệ thống CDMA truy nhập ngẫu nhiên yêu cầu các máy thu phức tạp sao cho các máy thu này có thể đồng bộ và giải điều chế tất cả các mã giả ngẫu nhiên. Các WiMAX DSSS sử dụng cùng một mã giả ngẫu nhiên và do đó không có tập hợp mã khả dụng như đối với CDMA. Một mã duy nhất cho phép thông tin quảng bá dễ dàng. Ngoài ra mã có thể ngắn hơn nhờ vậy làm tăng băng thông truyền số liệu. Hình 3.5: Trải phổ chuỗi trực tiếp Trải phổ chuỗi trực tiếp cho thông lượng cao hơn và chống được can nhiễu tốt hơn so với trải phổ nhảy tần. Nhưng DSSS lại tiêu tốn nhiều năng lượng gấp hai đến ba lần nên tốn kém hơn. Các nhà sản xuất giải pháp cho mạng WiMAX tách thành hai xu hướng khác nhau là sử dụng DSSS hoặc FSSS. 3.7.2. Trải phổ nhảy tần FSSS. FHSS trải tín hiệu bằng việc phát một trùm ngắn trên một kênh tần số và sau đó thay đổi (nhảy) sang một kênh khác trong một thời gian ngắn khác theo một mẫu đã định nghĩa trước mà cả máy phát và máy thu đều biết. Không giông như DSSS trải tín hiệu trên một miền tần số, sử dụng nhiều kênh tần số đồng thời, FHSS chia tín hiệu trên một miền thời gian và sử dụng nhiều kênh tần số ngẫu nhiên. FHSS dùng một sóng mang băng hẹp thay đổi tần số theo một mẫu mà cả máy thu và mát phát đều biết. Vì các kênh tần số là băng hẹp nên chúng có tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm rất tốt và các bộ lọc băng hẹp có thể được sử dụng để loại bỏ nhiễu. Mẫu nhảy tần xác định các kênh tần số đã chọn và thứ tự các kênh được sử dụng. Đồng bộ giữa máy phát và máy thu được yêu cầu và phải duy trì sao cho chúng đang cùng nhảy tần trên cùng một kênh tần số tại cùng một thời điểm. Đối với các hệ thống FHSS độ lợi xử lý được định nghĩa như là tỷ lệ của toàn bộ băng thông bao trùm các kênh tần số trên băng thông tín hiệu. Hình 3.6: Trải phổ nhảy tần Tỷ lệ giữa tốc độ nhảy và tốc độ số liệu tạo ra 2 phương thức của FHSS. Khi tỷ lệ nhảy lớn hơn tốc độ số liệu hệ thống được xem như nhảy tần nhanh. Ngược lai khi tốc độ nhảy tần thấp hơn hệ thống thì được gọi là hệ thống nhảy tần chậm. Tốc độ nhảy tần có ảnh hưởng rất sâu tới chất lượng mạng của hệ thống FHSS. Đối với các hệ thống FHSS chậm thì có thể dễ bị mất các gói số liệu. Vì vậy nhảy tần nhanh thường thực hiện tốt hơn nhảy tần chậm ngay cả khi có cùng độ lợi xử lý. Tuy nhiên FHSS nhanh lại có chi phí thực hiện cao hơn bởi vì chúng yêu cầu nhảy tần rất nhanh. Khác với DSSS là sử dụng mã giả ngẫu nhiên, FHSS có thể sử dụng nhiều hơn một mẫu nhảy tần để tăng dung lượng mạng. ý tưởng dùng nhiều mẫu nhảy tần tương đương với sử dụng nhiều mã giả tạp âm khác nhau. 3.7.3. So sánh FHSS và DSSS FHSS không có quá trình xử lý độ lợi do tín hiệu không được trải phổ. Vì thế nó sẽ phải dùng nhiều công suất hơn để có thể truyền tín hiệu với cùng mức S/N so với tín hiệu DSSS. Tuy nhiên tại băng tần ISM theo quy định có mức giới hạn công suất phát, do đó FHSS không thể đạt được S/N giống như DSSS. Bên cạnh đó việc dùng FHSS rất khó khăn trong việc đồng bộ giữa máy phát và máy thu vì cả thời gian và tần số đều yêu cầu cần phải được đồng bộ. Trong khi DSSS chỉ cần đồng bộ về thời gian giữa các chip. Chính vì vậy FHSS sẽ mất nhiều thời gian để tìm tín hiệu hơn, làm tăng độ trễ trong việc truyền dữ liệu hơn so với DSSS. Như vậy chúng ta có thể thấy DSSS là kỹ thuật trải phổ có nhiều ưu điểm hơn. 3.8.Vấn đề bảo mật Để đảm bảo thông tin truyền trên mạng ta sử dụng các phương pháp mã hóa, ở đó dữ liệu biến đổi từ dạng nhận thức được sang dạng không nhận thức được theo một thuật toán nào đó và sẽ biến đổi ngược lại ở trạm nhận. Quá trình chuyển đổi thông tin từ dạng gốc sang dạng mật mã gọi là mã hóa. Và hiện nay thường có 4 phương pháp mã hóa chủ yếu đó là : Phương pháp đổi chỗ Phương pháp thay thế Phương pháp sử dụng chuẩn mật mã Phương pháp sử dụng khóa công khai Trong công nghệ của chuẩn IEEE 802.16a này, ta sử dụng phương pháp sử dụng chuẩn mật mã (DES - Data Encrytion Standard) Giải thuật này mã hóa các khối 64 bit của văn bản gốc thành 64 bit của văn bản mật mã dưới tác dụng của một khóa. Khóa cũng gồm 64 bit trong đó 56 bit được dùng trực tiếp bởi giải thuật mã hóa và 8 bit còn lại được dùng để kiểm soát lỗi. Và một khối dữ liệu cần mã hóa sẽ trải qua 3 quá trình xử lý : Hoán vị khởi đầu Tính toán phụ thuộc khóa, gồm 16 phép lặp của một hàm f là tổ hợp của cả kỹ thuật đổi chỗ và kỹ thuật thay thế Hoán vị đảo ngược Giải thuật này được mô tả như sau: Bước 1: Giả sử cần mã hóa một dòng dữ liệu x Biểu diễn x thành các khối 64 bít nhị phân Chọn một phép hoán vị IP (initial permulation) Xây dựng xo = IP(x) = LoRo Lo biểu diễn 32 bit đầu tiên của xo Ro biểu diễn 32 bit cuối của xo Chọn khóa K biểu diễn dưới dạng chuỗi 56 bit nhị phân Bước 2 : Với 1≤i ≤16 ta xác định các Li , Ri Li = Ri-1 Ri = Li-1 f ( Ri-1, Ki) Mỗi Ki là một hoán vị có lựa chọn các bít của K ( một chuỗi 48 bit nhị phân) Bước 3: Dùng phép thế nghịch đảo IP-1 ta được bản mã y = IP-1(R16L16) 3.9. Anten Việc lựa chọn anten ảnh hưởng lớn tới công suất và độ bao phủ của các hệ thống không dây cố định. Việc lựa chọn này được dựa trên tần số hiệu dụng (efficitent frequency), dải thông và các đặc tính định hướng của anten. 3.9.1. Các đặc tính và tham số của anten Đối với người thiết kế hệ thống, các đặc tính quan trọng nhất của anten là mô hình phát xạ (radiation pattern), đặc tính định hướng (directivity), và hệ số tăng ích (gain). Ngoài ra, dải thông (bandwidth) và độ phân cực (polarization) của anten cũng cần được xem xét khi thiết kế hệ thống. Đặc tính định hướng của anten được sử dụng để xác định khả năng tập trung năng lượng của anten vào một hướng cụ thể khi truyền và loại bỏ năng lượng không mong muốn đến từ các hướng khác khi nhận. Hệ số định hướng của anten là một hư số biểu thị mật độ công suất bức xạ của anten ở hướng và khoảng cách đã cho, lớn hơn bao nhiêu lần mật độ công suất bức xạ cũng ở khoảng cách như trên khi giả thiết anten bức xạ vô hướng, với điều kiện công suất bức xạ giống nhau trong hai trường hợp. Hệ số tăng ích là đặc tính thường được sử dụng nhất của anten. Tăng ích thu và phát của anten là khả năng đưa năng lượng cao tần (RF) theo một hướng xác định , hoặc thu năng lượng từ một hướng xác định. Tăng ích của anten là độ chênh lệch mật độ công suất ở điểm trường xa giữa anten đang xét và mật độ công suất cũng tại điểm đó nhưng đã được thay thế bằng một anten bức xạ đồng đều theo mọi hướng. Tăng ich của anten phụ thuộc chủ yếu vào tần số làm việc và bán kính của nó. Thông thường người ta chỉ đưa ra hệ số tăng ích cực đại của anten được đưa ra và được biểu diễn bằng dBi. Độ rộng chùm tia (Beamwidth) của một anten là góc mà cường độ năng lượng phát xạ giảm xuống bằng một nửa giá trị cực đại. Hướng của trường điện từ được định nghĩa là độ phân cực của sóng điện từ. Sóng điện từ có thể có phân cực thẳng (dọc hoặc ngang), phân cực tròn hoặc phân cực elip, mỗi loại phân cực có các đặc tính phản xạ khác nhau. Đối với các hệ thống truyền trong tầm nhìn thẳng, sự phân cực cho phép nhân đôi công suất của hệ thống mà không cần thêm dải thông hay điều chế năng suất cao (efficient modulation.) 3.9.2 Vùng phủ sóng của anten trạm gốc Một mạng FBWA điểm - đa điểm (PMP) bao gồm nhiều vùng phủ sóng trạm gốc, mỗi vùng kết nối tới nhiều CPE. Trong trạm gốc, mỗi anten khu vực phục vụ cho một vùng phủ sóng theo một hướng nhất định nào đó. Anten khu vực (sector antenas) là anten có tính định hướng với góc mở của anten thay đổi từ 150 đến 3600. Góc mở của anten phụ thuộc vào cả hai yếu tố: vùng dịch vụ và dung lượng yêu cầu của hệ thống. Một trạm gốc chỉ sử dụng một anten vô hướng omni (góc mở 3600) (omnidirectional anten) sẽ có dung lượng chỉ bằng 1/4 hệ thống sử dụng 4 anten khu vực, mỗi anten có góc mở 900. Loại anten được dùng trong anten khu vực phụ thuộc vào băng tần số được sử dụng. Tại dải tần nhỏ hơn 10 GHz, anten khu vực thường sử dụng thành mạng anten lưỡng cực hoặc khe, trong cả hai loại cấu hình tuyến tính hay hai chiều. 3.9.3 Anten của CPE Loại anten của CPE phụ thuộc vào khả năng truyền NLOS của hệ thống. Trong mạng FBWA truyền trong tầm nhìn thẳng LOS, anten của CPE có tính định hướng cao và được đặt ngoài trời bởi một kỹ thuật viên chuyên nghiệp (vì nó đòi hỏi công đoạn tinh chỉnh hướng tính của anten tương đối phúc tạp mà không phải kỹ thuậtviên nào cũng có thể làm được). Trong hệ thống NLOS, góc mở của các anten của CPE thường lớn, và trong trường hợp này người ta thường dùng anten Omni-directional. 3.9.4 Hệ thống anten nâng cao Sự thực thi và dung lượng của hệ thống truyền dần không dây bị giới hạn bởi ba nguyên nhân suy hao chính: fading, trễ truyền lan và nhiễu. Hệ thống anten nâng cao, bao gồm hệ thống anten đa dạng, hệ thống anten thích ứng, hệ thống anten MIMO, có thể được sử dụng trong mạng FBWA để làm giảm nhẹ những nguyên nhân gây suy giảm trên. Hệ thống anten đa dạng được sử dụng để làm giảm biên độ tín hiệu fading gây ra bởi sự truyền đa đường. Hệ thống sử dụng nhiều anten ở các vị trí khác nhau trong cùng một khu vực cho cùng một nhiệm vụ thu hoặc phát tín hiệu. Các anten này bố trí cách nhau một khoảng hợp lý để tín hiệu nhận được từ các anten khác nhau là độc lập với nhau. Các tín hiệu độc lập này được đưa vào một bộ cộng tín hiệu, sau một quá trình xỷ lý, sẽ quyết định lựa chọn tín hiệu nào tốt nhất để sử dụng.Kỹ thuật này còn được gọi là phân tập không gian để chống fading. Hệ thống anten thích ứng, hay còn gọi là anten thông minh, được sử dụng để đối phó với nhiẽu đồng kênh. Những hệ thống này sử dụng qua trình xử lý dãy thích ứng (adaptive array processing) để cấu hình (shape) mô hình phát xạ anten (antenna radiation pattern), làm tăng tín hiệu mong muốn nhận được đông thời vô hiệu hoá nhiễu. The processing is generally known as optimum combining, and requires a known training sequence to be transmitted along with the actual data. Trình tự truyền động nhận được sẽ được so sánh với một mẫu gốc, và dãy anten được điều chỉnh để làm giảm đến mức tối thiểu sự khác nhau giữa hai tín hiệu nhận được từ hai anten. Nó nhắm đến sự thu nhận tín hiệu tối ưu và làm giảm đến mức nhỏ nhất nhiễu đồng kênh. Hệ thống anten MINO sử dụng rất nhiều anten tại cả hai phía phát và thu tín hiệu. ý tưởng này xuất phát từ sự phản hồi kênh giữa các kênh khác nhau của các anten khác nhau đủ để không tương quan với nhau, and signal processing can be used to distinct multiple, non-interfering channels between the transmitter and the receiver. Do đó, nhiều chùm dữ liệu có thể truyền đông thời, làm gia tăng dữ liệu của hệ thống mà không cần tăng thêm băng tần. Chương 4:Thiết kế kỹ thuật mạng truy nhập băng rộng không dây cố định 4.1. Lựa chọn hệ thống và băng tần 4.1.1. Lựa chọn băng tần Khi thiết kế một mạng truy nhập vô tuyến cố định (FBWA - Fixed Broadband Wireless Access) ta phải lựa chọn băng tần hoạt động cho mạng trong số các băng tần được phép sử dụng. Các tiêu chí để lựa chọn băng tần hoạt động bao gồm: Dải tần cấp phép Dung lượng tập trung phụ thuộc vào vùng dịch vụ Mật độ thuê bao trong vùng dịch vụ Địa hình của vùng dịch vụ Mức độ nhiễu trong các băng tần không cần cấp phép Giá thành thiết bị hoạt động trong băng tần đó Lựa chọn băng tần hoạt động là việc đầu tiên và quan trọng nhất trong thiết kế mạng FBWA. Những băng tần thấp tín hiệu được truyền tốt hơn nhưng băng thông lại nhỏ hơn. Một điều rất quan trọng nữa là số lượng khách hàng truy nhập vào một trạm gốc (BS) đơn bị giới hạn bởi dung lượng và vùng phủ sóng của BS đó. ở vùng nông thôn hay khu vực dân cư thưa thớt, số lượng khách hàng có thể nối mạng (connected) thường chỉ phụ thuộc vào vùng phủ sóng của BS. Còn trong các khu vực đông dân cư thì số khách hàng trong vùng phủ sóng của một BS thường rất lớn nên chúng ta thường phải tăng dung lượng phục vụ băng cách lắp đặt các BS với mật độ lớn hơn. Lựa chọn sử dụng băng tần cấp phép hay không cấp phép đòi hỏi phải có một sự tính toán rất kỹ lưỡng. Các băng tần cấp phép tự nhiên gồm 3.5GHz, 10.5GHz, 26GHz. Trong mỗi khu vực địa lý mỗi nhà cung cấp dịch vụ được cấp phép duy nhất quyền sử dụng một số dải tần trong các băng tần này, do đó các băng tần được cấp phép có khả năng bảo vệ hệ thống FBWA khỏi sự can nhiễu các hệ thống khác. Trong các băng tần không cấp phép mức can nhiễu là không thể dự đoán cũng như kiểm soát được. Vùng phủ sóng và mức năng lượng phát xạ của mỗi BS được kiểm soát và tính toán chặt chẽ và chính xác. Chuẩn WLAN đầu tiên đưa vào sử dụng thực tế chọn băng tần không cấp phép 2.4GHz ISM, yếu tố quan trọng nhất dẫn tới quyết định này là do thiết bị làm việc trong dải tần này là rất rẻ nếu so với các dải tần cao hơn. Một yếu tố nữa cũng dẫn tới việc lựa chọn băng tần không cấp phép là do số lượng băng tần cấp phép là có giới hạn nhất định. Bảng 4.1.Các đặc điểm tiêu biểu của các hệ thống FBWA trong các băng tần khác nhau có thể sử dụng. 2.4 GHz ISM 3.5 GHz FBWA 26 GHz FBWA Dải tần phát 2.4 GHz 3.5 GHz 26 GHz Độ rộng dải tần 83.5 MHz 2x28 MHz 2x128 MHz Băng thông cho một kênh 22 MHz 7 MHz 28 MHz Số kênh có thể 4 8 8 Năng lượng truyền tối đa 20dBm(100mW) 35dBm (3.2W) 27dBm(500mW) Băng tần 3.5GHz FBWA được lựa chọn cho các sản phẩm tuân theo chuẩn IEEE 802.16a - 2003. Sự lựa chọn trên dựa theo các tiêu chí: Đây là băng tần cấp phép nên có thể kiểm soát can nhiễu Trong bảng trên ta thấy đây la băng tần cho phép năng lượng truyền lớn Những tần số thuộc băng tần này bé nên có thể thoả mãn yêu cầu NLOS Tốc độ dữ liệu cao khoảng 15Mbps cho mỗi sector. 4.1.2 Đặc điểm hệ thống Như đã nói ở trên các sản phẩm theo chuẩn IEEE 802.16a - 2003 chọn băng tần 3.5 GHz, với định nghĩa lớp vật lý OFDM theo chuẩn này. Những đặc điểm chính của hệ thống 8021.16 WirelessMANTM - OFDM được nêu trong bảng 4.2. Bảng 4.2: Đặc điểm chính của hệ thống 802.16 WirelessMANTM - OFDM Song công TDD Đa truy nhập TDM/TDMA Điều chế Thích ứng QPSK/16-QAM/ 64-QAM Băng thông mỗi kênh 7 MHz Độ rộng góc phát và hệ số tăng ích của anten BS 1200, 14dBi 600, 17 dBi Mức thu của CPE 23 dBm Độ rộng góc phát và hệ số tăng ích của anten CPE Indoor : 3600, 6 dBi Outdoor: 200, 18 dBi 4.2. Mô hình kênh của mạng FBWA Mô hình kênh (Channel Models) là một công cụ cơ bản trong thiết kế một mạng không dây.Về cơ bản, mô hình dự đoán được sự suy hao và méo dạng tín hiệu radio khi truyền từ bên phát đến bên nhận. Mô hình kênh có thể phân chia thành 3 nhóm cơ bản: Mô hình lý thuyết, mô hình vật lý (Physical), mô hình thống kê. Mô hình lý thuyết dựa trên sự giả định lý thuyết về về điều kiện, hoàn cảnh truyền sóng. Mô hình này phù hợp với việc phân tích nghiên cứu sự hoạt động của hệ thống truyền thông, nhưng không phù hợp với việc thiết kế hệ thống truyền thông để phục vụ cho một khu vực cụ thể. Do vậy mô hình lý thuyết sẽ không được xem xét tới trong đồ án này. Mô hình kênh vật lý dự báo được sự suy hao, tắt dần của tín hiệu và đáp ứng kênh dựa trên cơ chế vật lý của sự truyền sóng điện từ. Mô hình này được sử dụng rộng rãi trong thiết kế mạng FBWA thực tế. Mô hình này quan tâm đến các điều kiện truyền sóng cụ thể như: độ cao của địa hình, độ cao của các toàn nhà hay cây cối, tỷ lệ cường độ mưa....trong từng trường hợp cụ thể. Còn trong đồ án này, chỉ thiết kế mạng mạng một cách chung chung, cho những khu vực có tính chất giả thuyết, những nơi mà mô hình kênh vật lý không sử dụng được. Mô hình kênh thống kê dựa trên sự đo đạc và quan sát trong điều kiện truyền sóng thực tế. Mô hình này cung cấp một sự dự báo đơn giản cho những hoàn cảnh truyền sóng khác nhau mà không cần biết tới chi tiết điều kiện truyền sóng thực tế. Sự đơn giản của mô hình này làm nảy sinh vấn đề khó khăn để đo đạc hệ thống, và thực tế theo mô hình này thì chúng ta chỉ có thể biết được số lượng và vị trí cần đặt của các BS cho một khu vực một cách gần đúng. Mô hình thống kê là mô hình được sử dụng nhiều nhất cho mục đích của Đồ án này. 4.2.1. Mô hình suy hao đường truyền Công thức cơ bản của suy hao đường truyền trong không gian tự do: (4.1) Trong đó: λ là bước sóng, f là tần số sóng mang đơn vị MHz, d là khoảng cách đơn vị km. Tổng quát hơn, giá trị trung bình của suy hao đường truyền có thể tính theo mô hình suy hao đường truyền log-distance: (4.2) Trong đó: do là suy hao đường truyền tham chiếu, Ldo là suy hao đường truyền khi d = do, và n là số mũ suy hao đường truyền. Suy hao đường truyền tham chiếu có thể dựa trên: việc đo trường hoặc là suy hao đường truyền trong không gian tự do theo công thức 4.1. Còn số mũ suy hao đường truyền được tìm ra theo phép đo trường, thường thì giá trị của nó nằm trong khoảng từ 2 đến 5. 4.2.2. Mô hình Fading. Mô hình suy hao đường truyền được trình bày ở trên cung cấp cho chúng ta một giá trị suy hao đường truyền cho mọi kết nối có cùng khoảng cách đến trạm BS. Trong thực tế, các điều kiện bên ngoài tác động đến liên kết giữa BS và các CPE thay đổi theo thời gian, chúng thay đổi xung quanh một giá trị trung bình. Giá trị trung bình của suy hao đường truyền cũng thay đổi giữa các liên kết có cùng một giá trị khoảng cách đến BS. Khi thiết kế và quy hoạch một mạng, những mức tín hiệu không rõ ràng này được đưa vào tính toán trong mô hình Fading. Trong liên kết FBWA không cần tầm nhìn thẳng (NLOS - Non line of sight), sự thay đổi mức tín hiệu do hai nguyên nhân chính. Thứ nhất la do vị trí của các CPE khác nhau. Một số các CPE nằm khuất sau các toà nhà cao tầng hay các vùng cây cối rậm rạp, trong khi đó một số khác lại không bi che khuất gì cả. Sự thay đổi mức tín hiệu do vị trí này được mô hình hoá trong mô hình Fading che chắn. Thứ hai, hoàn cảnh tác động lên một liên kết giữa BS với một CPE cũng thay đổi theo thời gian. Có thể một người, một chiếc ôtô, một đoàn tàu di chuyển qua hay các cây cối lung lay do gió cũng đều tác động ảnh hưởng đến môi trường truyền sóng. Sự thay đổi theo thời gian này được mô hình hoá theo mô hình Fading nhiều đường. Fading che chắn mô tả sự thay đổi giá trị trung bình của sự phân bố Fading nhiều đường. Sự phân bố Fading che chắn thường được mô hình hoá theo phân bố Gaussian. Fading nhiều đường thường được mô mô hình hoá sử dụng phân bố Ricean và phân bố Rayleigh. Mô hình này cho rằng băng tần số của tín hiệu đủ hẹp để nó là fading phẳng tức là không lựa chọn tần số. 4.3. Mô hình suy hao đường truyền được sử dụng trong IEEE 802.16a Mô hình suy hao đường truyền cho chuẩn IEEE 802.16a - 2003TM được đưa ra đầu tiên bởi Erceg vào năm 1999. Mô hình này được đưa ra dựa trên các nghiên cứu thống kê của các hệ thống sử dụng sóng radio trong khu vực đô thị và ngoại ô của Mỹ. Và tất nhiên là nó cũng phù hợp để sử dụng cho cả hai khu vực nội và ngoại ô của Việt Nam. Mô hình suy hao đường truyền này thu được nhờ việc thu thập dữ liệu thí nghiệm của AT&T từ 95 cell khác nhau trên khắp nước Mỹ tại tần số 1.9 GHz. Mô hình này sử dụng cho khu vực ngoại ô, và nó phân biệt giữa ba loại địa hình khác nhau. Mô hình này dung cho các BS có độ cao từ 10 - 80m và khoảng cách từ 0,1 - 8 km. Theo mô hình này suy hao đường truyền cho một liên kết được tính theo công thức: Trong đó: Ldo là suy hao không trong gian tự do tại do do = 100 m n là số mũ suy hao đường truyền. d là khoảng cách tính bằng m Lf là giới hạn điều chỉnh tần số Lh là giới hạn điều chỉnh chiều cao anten thu s là thành phần fading che chắn Số mũ suy hao đường truyền n được tính toán dựa theo công thức: Trong đó hb là chiều cao của BS và a,b và c là hằng số đặc trưng cho một loại địa hình nào đó. Các lạo địa hình và các hằng số đặc trưng được trình bày trong bảng 4.3, cùng với những ví dụ về n được tính toán dựa theo chiều cao của anten BS bằng 30 và 50m. Bảng 4.3: Các thông số địa hình cho mô hình kênh theo chuẩn IEEE 802.16 Địa hình loại A (Cao, cây cối rậm rạp) Địa hình loại B (Trung gian) Địa hình loại C (Thấp, ít cây cối) A 4,6 4 3,6 B 0,0075 0,0065 0,005 C 12,6 17,1 20 n (h=30m) 4,795 4,735 4,117 n(h=50m) 4,477 4,017 3,750 Đường cong mẫu biểu diễn suy hao đường truyền cho các loại địa hình khác nhau được biểu diễn trên hình 4.1. Chúng được tính toán dựa theo các thông số: tần số kênh 3500 MHz, chiều cao của anten BS hb = 30m, chiều cao của anten thu Rx là 6m. Giá trị suy hao đường truyền trong không gian tự do tuân theo mô hình Friis (Công th