Luận văn Công nghệ wimax nghiên cứu và xây dựng mô hình mẫu triển khai cho vùng địa hình đặc thù tại Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ WiMAX NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH MẪU TRIỂN KHAI CHO VÙNG ĐỊA HÌNH ĐẶC THÙ TẠI VIỆT NAM NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG MÃ SỐ:23.04.3898 LÊ QUANG ĐẠO Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN XUÂN DŨNG Hà Nội – 2007 LỜI CẢM ƠN Để thực hiện tốt luận văn tốt nghiệp này tôi xin gửi lời cảm ơn tới thầy giáo TS. Nguyễn Xuân Dũng đã tận tình hướng dẫn tận tôi trong suốt thời gian làm luận văn vừa qua. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới tập thể cũng như lãnh đạo phòng Tích hợp và phát triển hệ thống, lãnh đạo công ty Điện toán và truyền số liệu (VDC) đã tạo điều kiện về mặt công tác giao cho tôi nhiệm vụ trưởng nhóm kỹ thuật thử nghiệm Công nghệ WiMAX tại Lào Cai của công ty mà nhờ đó tôi có thể tiếp cận, nghiên cứu, thiết kế, triển khai hệ thống WiMAX cũng như quá trình nghiên cứu, đánh giá các yếu tố kỹ thuật công nghệ, kinh tế, xã hội và giáo dục từ những dự án thử nghiệm để khái quát hóa thành nghiên cứu điển hình ứng dụng WiMAX trong việc mang Internet tốc độ cao và thoại VoIP tới các khu vực có địa hình đặc thù của Việt Nam. Bên cạnh đó, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới những người bạn của tôi từ Tập đoàn Intel, đặc biệt là TS. Bernd Nordhausen, chuyên gia cao cấp về WiMAX của tập đoàn Intel đã cùng phối hợp tốt và giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện những nghiên cứu thông qua việc triển khai dự án thử nghiệm WiMAX tại Lào Cai. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo của Khoa Điện tử viễn thông, những người thân trong gia đình và bạn bè - những người đã hướng dẫn, giúp đỡ tôi suốt thời gian học tập tại trường cũng như trong việc hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Luận văn thạc sĩ khoa học i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là Luận văn nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ Luận văn nào khác. Các số liệu mô phỏng được chú thích, trích dẫn tham khảo từ bài báo, tài liệu gốc cụ thể. Hà nội, tháng 10 năm 2007 Học viên thực hiện Lê Quang Đạo Lê Quang Đạo, KTĐTVT 2005-2007, Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i MỤC LỤC.................................................................................................................. ii DANH SÁCH BẢNG BIỂU.......................................................................................v DANH SÁCH HÌNH ẢNH, HÌNH VẼ VÀ SƠ ĐỒ................................................. vi THUẬT NGỮ VÀ CHỮ VIẾT TẮT....................................................................... vii PHẦN MỞ ĐẦU.........................................................................................................1 CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX ...........................................3 1.1 Khái niệm về mạng không dây băng rộng ............................................................3 1.2 Công nghệ WiMAX ..............................................................................................5 1.2.1 WiMAX là gì? ........................................................................................................5 1.2.2 Giới thiệu các chuẩn IEEE 802.16..........................................................................8 1.2.3 WiMAX được công nhận là chuẩn toàn cầu.........................................................12 1.3 Đặc điểm cơ bản của WiMAX............................................................................14 1.3.1 Đặc điểm Fixed WiMAX......................................................................................14 1.3.2 Đặc điểm Mobile WiMAX ...................................................................................15 1.4 Tình hình thử nghiệm, thương mại hóa WiMAX trên thế giới và tại Việt Nam 16 1.4.1 Thử nghiệm và thương mại hóa WiMAX trên thế giới ........................................16 1.4.2 Thử nghiệm WiMAX tại Việt Nam......................................................................18 1.5 Kết luận ...............................................................................................................19 CHƯƠNG II: ĐẶC ĐIỂM CÔNG NGHỆ WIMAX...............................................20 2.1 WiMAX cố định - IEEE 802.16d-2004 ..............................................................21 2.1.1 Lớp MAC..............................................................................................................21 2.1.2 Lớp PHY...............................................................................................................30 2.2. WiMAX di động - IEEE 802.16e - 2005 ...........................................................38 2.2.1 Lớp PHY...............................................................................................................38 2.2.2 Lớp MAC..............................................................................................................45 2.3 Kết luận ...............................................................................................................50 CHƯƠNG III: MÔ HÌNH ỨNG DỤNG VÀ CÁC VẤN ĐỀ KỸ THUẬT CẦN QUAN TÂM KHI THIẾT KẾ MẠNG WiMAX ................................................51 Lê Quang Đạo, CH ĐTVT 2005-2007, Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học iii 3.1 Mô hình triển khai WiMAX với các yêu cầu truy cập di động ..........................51 3.2 Mô hình triển khai WiMAX với các yêu cầu truy cập cố định...........................52 3.3 Các vấn đề kỹ thuật cần quan tâm khi thiết kế và triển khai mạng WiMAX. ....54 3.3.1 Lựa chọn băng tần.................................................................................................54 3.3.2 Lựa chọn phương thức song công.........................................................................57 3.3.3 Tổng lưu lượng, bán kính phủ sóng và số sector của mỗi trạm gốc .....................61 3.3.4 Quy hoạch và tái sử dụng tần số có tính toán tới các loại nhiễu...........................63 3.3.5 Anten và các công nghệ nâng cao.........................................................................65 3.3.6 Quản lý sự di động (Đối với ứng dụng Mobile WiMAX) ....................................73 3.3.7 Trung tâm quản lý.................................................................................................76 3.3.8 Sơ đồ kết nối mạng WiMAX................................................................................78 3.4 Kết luận ...............................................................................................................80 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH MẪU ỨNG DỤNG WiMAX CUNG CẤP DỊCH VỤ INTERNET VÀ THOẠI CHO KHU VỰC ĐỊA HÌNH ĐẶC THÙ TẠI VIỆT NAM ............................................................81 4.1 Giới thiệu dự án thử nghiệm WiMAX tại Tả Van ..............................................81 4.1.1 Đặc điểm điển hình của địa điểm thử nghiệm ......................................................82 4.1.2 Mục tiêu của việc nghiên cứu và xây dựng mô hình mẫu để triển khai ứng dụng thực tiễn từ thử nghiệm công nghệ WiMAX tại Tả Van ...............................................84 4.1.3 Chuẩn WiMAX và thời gian thử nghiệm .............................................................84 4.2 Hệ thống WiMAX thử nghiệm thực tế tại xã Tả Van.........................................85 4.2.1 Đặc điểm công nghệ của dự án thử nghiệm..........................................................85 4.2.2 Thiết bị WiMAX được thử nghiệm ......................................................................85 4.2.3 Các địa điểm tham gia thử nghiệm .......................................................................86 4.2.4 Các ứng dụng được thử nghiệm............................................................................88 4.2.5 Kiến trúc hệ thống.................................................................................................89 4.2.6 Mô hình kết nối tại trạm gốc.................................................................................91 4.2.7 Mô hình kết nối phía khách hàng..........................................................................92 4.2.8 Hệ thống VoIP trên nền WiMAX.........................................................................93 4.2.9 Cài đặt và cấu hình hệ thống WiMAX .................................................................97 4.3 Kết quả nghiên cứu, đánh giá trên phương diện kỹ thuật của hệ thống WiMAX thử nghiệm.........................................................................................................100 4.3.1 Khả năng bao phủ của mạng...............................................................................100 Lê Quang Đạo, CH ĐTVT 2005-2007, Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học iv 4.3.2 Khả năng quản lý từ xa của hệ thống triển khai tại Tả Van................................100 4.3.3 Độ ổn định/tin cậy của hệ thống .........................................................................101 4.3.4 Tốc độ truy nhập tối đa/trung bình đạt được ......................................................101 4.3.5 Các ứng dụng chạy tốt trên nền WiMAX ...........................................................102 4.3.6 Độ trễ ..................................................................................................................102 4.3.7 Jitter của hệ thống vệ tinh ...................................................................................102 4.3.8 Chất lượng dịch vụ VoIP trên nền hệ thống WiMAX: .......................................103 4.4 Kết quả nghiên cứu, đánh giá về hiệu quả kinh tế xã hội, giáo dục và nâng cao dân trí .................................................................................................................104 4.4.1 Nhu cầu sử dụng và lợi ích mang lại từ việc truy cập Internet tốc độ cao của người dân nông thôn là rất lớn.....................................................................................104 4.4.2 Cách thức đào tạo dựa trên phương thức truyền đạt kinh nghiệm thực tế phát huy hiệu quả cao .................................................................................................................108 4.4.3 Chia sẻ băng thông giữa các người dùng khác nhau...........................................109 4.4.4 Bưu điện văn hóa xã và UBND xã đóng vai trò quan trọng trong sự thành công của việc mang băng thông rộng tới người dân nông thôn: ..........................................109 4.5 Mô hình bền vững được khuyến nghị khi triển khai băng thông rộng tới vùng nông thôn Việt Nam ..........................................................................................110 4.5.1 Mô hình kỹ thuật, công nghệ và các đối tượng được thụ hưởng dịch vụ băng thông rộng không dây: .................................................................................................110 4.4.2 Cung cấp nội dung thông tin được chuẩn hóa tới mọi người dân.......................111 4.5.3 Chi phí đầu tư hệ thống ban đầu và chi phí khai thác hàng tháng ......................112 4.5.4 Mô hình kinh doanh bền vững với sự hỗ trợ của nhà nước ................................114 4.6 Kết luận .............................................................................................................115 PHẦN KẾT LUẬN.................................................................................................116 TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................117 TÓM TẮT LUẬN VĂN .........................................................................................119 Lê Quang Đạo, CH ĐTVT 2005-2007, Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học v DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 1.1: So sánh các chuẩn IEEE 802.16.............................................................................................. 12 Bảng 2.1: Các loại khoá bảo mật sử dụng trong IEEE 802.16-2004....................................................... 29 Bảng 2.2: Thông số symbol OFDM theo chuẩn 802.16-2004 .................................................................. 32 Bảng 2.3: Mã sửa lỗi đối với các phương thức điều chế .......................................................................... 34 Bảng 2.4: Kích cỡ khối bit xen kẽ.............................................................................................................. 35 Bảng 2.5: Thông số SOFDMA .................................................................................................................. 41 Bảng 2.6: Các phương thức điều chế và Mã hóa được hỗ trợ trong 802.16e.......................................... 42 Bảng 2.7: Tốc độ dữ liệu lớp PHY Mobile WiMAX.................................................................................. 43 Bảng 2.8: Các dịch vụ WiMAX di động và QoS ....................................................................................... 47 Bảng 3.1: Phân bổ tần số cho các công nghệ không dây ......................................................................... 56 Bảng 3.2 Tốc độ dữ liệu cho các cấu hình SIMO/MIMO ....................................................................... 71 Lê Quang Đạo, CH ĐTVT 2005-2007, Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học vi DANH SÁCH HÌNH ẢNH, HÌNH VẼ VÀ SƠ ĐỒ Hình 1.1 Lộ trình công nghệ WiMAX......................................................................................................... 5 Hình 1.2: Mô hình mạng WiMAX............................................................................................................ 14 Hình 1.3: Tổng quan về tình hình triển khai WiMAX trên thế giới. ....................................................... 16 Hình 1.4: Tần số được sử dụng trong các hệ thống WiMAX đã triển khai trên thế giới........................ 16 Hình 2.1 Vị trí tương đối của các lớp MAC và PHY ................................................................................ 20 Hình 2.2 Quá trình phân loại MAC SDU ................................................................................................. 22 Hình 2.3 Cấu trúc của MAC PDU ............................................................................................................ 24 Hình 2.4 Cấu trúc symbol trong miền tần số ............................................................................................ 31 Hình 2.5 Cấu trúc symbol trong miền thời gian ....................................................................................... 31 Hình 2.6 Quá trình truyền-nhận ............................................................................................................... 33 Hình 2.7 Quá trình xen kẽ ......................................................................................................................... 34 Hình 2.8 Cấu trúc khung TDD.................................................................................................................. 37 Hình 2.9 Cấu trúc khung con đường xuống TDD.................................................................................... 37 Hình 2.10 Cấu trúc khung con đường lên TDD. ...................................................................................... 38 Hình 2.11 Cấu trúc sóng mang con OFDMA (miền tần số) .................................................................... 39 Hình 2.12 OFDM và OFDMA................................................................................................................... 40 Hình 2.13 Hiệu ứng kênh con hoá (sub channelization) ......................................................................... 40 Hình 2.14: Điều chế thích nghi và mã hóa dựa trên khoảng cách với BS .............................................. 42 Hình 2.15: Cơ chế yêu cầu lặp lại khi lỗi xảy ra ..................................................................................... 44 Hình 2.16: Hỗ trợ QoS trong Mobile WiMAX......................................................................................... 46 Hình 3.1: Ứng dụng đa dạng của Mobile WiMAX................................................................................... 53 Hình 3.2: Hai chế độ song công TDD và FDD......................................................................................... 57 Hình 3.3: Cấu trúc khung WiMAX OFDM .............................................................................................. 59 Hình 3.4: Minh họa khung OFDMA với cấu trúc đa vùng...................................................................... 60 Hình 3.5: Mô hình tái sử dụng tần số ....................................................................................................... 63 Hình 3.6: Phân đoạn tần số trong một cell ............................................................................................... 64 Hình 3.7: Phân đoạn tái sử dụng tần số trong một site gồm 3 cell .......................................................... 65 Hình 3.8: Vùng phủ sóng của Sector Antenna......................................................................................... 66 Hình 3.9: Vùng phủ sóng của Omni Antenna .......................................................................................... 66 Hình 3.10: CPE với Anten tích hợp bên trong.......................................................................................... 67 Hình 3.11: CPE với Anten ngoài............................................................................................................... 67 Hình 3.12: Công nghệ tạo chùm tia đơn................................................................................................... 68 Hình 3.13: Mã hóa không gian – thời gian .............................................................................................. 69 Hình 3.14: Hệ thống Anten MIMO........................................................................................................... 70 Hình 3.15: Hệ thống Anten MIMO 4x4.................................................................................................... 72 Hình 3.16: Chuyển mạch thích ứng cho Anten thông minh................................................................... 72 Hình 3.17: Chuyển giao cứng HHO ......................................................................................................... 74 Hình 3.18: Chuyển trạm gốc nhanh (FBSS) ............................................................................................ 75 Hình 3.19: Chuyển giao phân tập MDHO................................................................................................ 76 Hình 3.20: Trung tâm quản lý mạng WiMAX .......................................................................................... 77 Hình 3.21: Sơ đồ kết nối của mạng WiMAX ............................................................................................ 78 Hình 4.1: Toàn cảnh thung lũng Tả Van ................................................................................................. 83 Hình 4.2: Thiết bị BS outdoor MicroMAX SOC....................................................................................... 86 Hình 4.3: Thiết bị BS Indoor SDA – 4S Type II....................................................................................... 86 Hình 4.4: Thiết bị đàu cuối khách hàng outdoor ProST.......................................................................... 86 Hình 4.5: Hình ảnh về thiết bị trạm gốc BS được lắp trên nóc nhà điểm BĐVHX ................................ 87 Hình 4.6: Sơ đồ phân bố địa lý của các điểm thử nghiệm........................................................................ 87 Hình 4.7: Hình ảnh thực tế thiết bị Out door phía khách hàng .............................................................. 88 Hình 4.8: Kiến trúc mạng vô tuyến tại xã Tả Van.................................................................................... 89 Hình 4.9: Mô hình trạm gốc BTS.............................................................................................................. 91 Hình 4.10: Sơ đồ đấu nối thiết bị WiMAX tại trạm gốc ........................................................................... 92 Hình 4.11: Mô hình một SS, nhiều người dùng. ...................................................................................... 93 Hình 4.12: Sơ đồ thực hiện cuộc gọi VoIP đã được đơn giản hóa ......................................................... 95 Hình 4.13: Sơ đồ thực hiện cuộc gọi VoIP ra thuê bao PSTN................................................................ 95 Hình 4.14: Kết nối máy tính với thiết bị trạm gốc để cấu hình hệ thống................................................. 98 Hình 4.16: Giao diện của phần mềm quản trị mạng Netspan ................................................................. 99 Hình 4.17: Hình ảnh người dân Tả Van truy cập Internet................................................................... 105 Lê Quang Đạo, CH ĐTVT 2005-2007, Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học vii THUẬT NGỮ VÀ CHỮ VIẾT TẮT ACK ACKnowledge Báo nhận dữ liệu AK Authorization Key Khóa cấp phép AMC Adaptive Modulation and Coding Điều chế và mã hóa thích ứng AP Access Point Điểm truy cập BPSK Binary Phase-Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân BS Base Station Trạm gốc BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc (trong mạng di động tổ ong) CC Convolutional Code Mã xoắn (Mã chập) CID Conection IDentifier Nhận dạng kết nối CINR Carrier to Interference + Noise Ratio Tỉ số nhiễu tạp CP Cyclic Prefix Dải bảo vệ CPE Customer Premises Equipment Thiết bị tại nhà khách hàng CPS Common Part Sublayer Lớp con phần chung CQICH Channel Quality Indicator CHannel Kênh chỉ báo chất lượng kênh truyền CS Convergence Sublayer Lớp con hội tụ CTC Convolutional Turbo Code Mã xoắn Turbo DAMA Demand Assinged Multiple Access Đa truy nhập cấp phát theo nhu cầu DCD Downlink Channel Descriptor Chỉ báo kênh đường xuống DHCP Dynamic Host Configuration Protocol Giao thức thiết lập địa chỉ động DSL Digital Subscriber Line Đường dây thuê bao số ETSI European Telecommunications Standards Institute Hiệp hội tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu. FBSS Fast Base Station Switching Chuyển trạm gốc nhanh FCH Frame Control Header Tiếp đầu điểu khiển khung FDD Frequency Division Duplexing Song công chia theo tần số FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số FEC Forward Error Correction Mã sửa lỗi bên thu FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh FIR Finite Impulse Response Đáp ứng xung hữu hạn HARQ Hybrid Automatic Repeat reQuest Yêu cầu lặp tự động kiểu kết hợp HHO Hard Hand – Off Chuyển giao cứng IDU InDoor Unit Thiết bị trong nhà IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers Hiệp hội kĩ sư điện tử và điện Lê Quang Đạo, CH ĐTVT 2005-2007, Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học viii IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh ngược IP Internet Protocol Giao thức liên mạng ISI Inter – Symbol Interference Nhiễu liên kí hiệu ISM Industrial, Scientific, and Medical Dải tần dành cho công nghiệp, khoa học và y tế. ITP Internet Time Protocol Giao thức định thời liên mạng LAN Local Area Network Mạng nội bộ LDPC Low Density Parity Check Kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp LMDS Local Multipoint Distribution System Hệ thống phân phối đa điểm nội bộ LOS Line Of Sight Trong tầm nhìn thẳng MAC Medium Access Control Lớp Điều khiển truy nhập đường truyền MAN Metropolitan Area Network Mạng đô thị MDHO Macro Diversity Hand Over Chuyển giao phân tập vĩ mô MIMO Multiple Input Multiple Output Hệ thống đa đầu vào đa đầu ra MS Mobile Station Trạm di động NACK Not ACKnowledge Báo không nhận hoăc nhận sai dữ liệu bên phát NLOS Non Line Of Sight Không trong tầm nhìn thẳng NMS Network Management Software Phần mềm quản lý mạng OFDM Orthogonal Frequency Division Mutiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OSI Open Systems Interconnection Mô hình liên kết các hệ thống mở P2P Point to Point Mô hình mạng Điểm - điểm PAN Personal Area Network Mạng cá nhân PDA Personal Digital Assistant Máy trợ giúp số cá nhân PDU Protocol Data Unit Đơn vị dữ liệu giao thức PHY PHYsical layer Lớp vật lý PKM Privacy Key Management Giao thức Quản lý khóa bảo mật PMP Point to Multi Point Mô hình mạng điểm – đa điểm PSK Phase - Shift Keying Khóa dịch pha PSTN Public Switched Telephone Network Mạng thoại công cộng QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phương QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ QPSK Quadrature Phase- Shift Keying Khóa dịch pha cầu phương Lê Quang Đạo, CH ĐTVT 2005-2007, Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học ix RLC Radio Link Control Điều khiển kết nối vô tuyến RS Reed- Solomon Mã Reed- Solomon RSA Ronald Rivest, Adi Shamir, Leonard Adleman Mã hóa theo kiểu khóa công khai SC Single Carrier Điều chế đơn sóng mang SDU Service Data Unit Đơn vị dữ liệu dịch vụ SNMP Simple Network Management Protocol Giao thức quản lý mạng đơn giản SOFDMA Scalable Orthogonal Frequency Division Mutiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao…. SS Subcriber Station Trạm thuê bao SVC Switched Virtual Connection Kết nối chuyển mạch ảo TC Transmission Convergence sublayer Lớp con hội tụ truyền TDD Time Division Duplexing Song công theo thời gian TDM Time Division Mutiplexing Ghép kênh theo thời gian TDMA Time Division Mutiple Access Đa truy nhập phân chia thời gian TFTP Trivial File Transfer Protocol Giao thức truyền tệp tin UCD Uplink Channel Descriptor Phần mô tả kênh đường lên UGS Unsolicited Grand Service Dịch vụ cấp phát tự nguyện UNII Unlicensed National Information Infrastructure Cơ sở hạ tầng thông tin quốc gia miễn cấp phép VoIP Voice over Internet Protocol Thoại qua giao thức liên mạng WAN Wide Area Network Mạng diện rộng WiFi Wireless Fidelity WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access Lê Quang Đạo, CH ĐTVT 2005-2007, Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học 1 PHẦN MỞ ĐẦU Giới thiệu đề tài nghiên cứu Hiện nay công nghệ WiMAX là một trong những công nghệ băng rộng không dây được nghiên cứu, thử nghiệm và triển khai rộng rãi trên toàn thế giới cũng như Việt Nam. Với tốc độ truy cập lên tới 70Mbps trong bán kính phủ sóng 40km của chuẩn WiMAX cố định, cũng như khả năng duy trì kết nối với tốc độ di chuyển lên tới 120km/h của WiMAX di động, công nghệ WiMAX nói chung hứa hẹn sẽ mang lại cuộc cách mạng thực sự trong việc thay đổi cách thức truy cập Internet của con người trong vài năm tới. Việc thử nghiệm kỹ thuật và nghiên cứu các yếu tố kinh tế, xã hội ảnh hưởng bởi WiMAX đang được các doanh nghiệp kinh doanh hàng đầu trong lĩnh vực viễn thông nước ta như: VNPT, Viettel, VTC, FPT, EVN tiến hành đối với WiMAX cố định từ tháng 03 năm 2006 và WiMAX di động từ 01 tháng 10 năm 2007 đã chứng tỏ vai trò quan trọng của WiMAX trong chiến lược phát triển của các doanh nghiệp cũng như lợi ích mang lại cho người tiêu dùng không chỉ ở thành thị mà còn tới tất cả các khu vực được coi là khó khăn nhất trên cả nước. Việc nghiên cứu mô hình triển khai WiMAX cho hai khu vực thành thị và nông thôn trên tất cả các khía cạnh kỹ thuật công nghệ, kinh tế xã hội cũng như giáo dục là một vấn đề cấp thiết hiện nay. Việc triển khai WiMAX tại khu vực thành thị là một điều có thể dễ dàng nhìn nhận được lợi ích mang lại cho cả doanh nghiệp cũng như người tiêu dùng. Vậy bài toán còn lại là triển khai WiMAX cho khu vực nông thôn, những khu vực khó khăn nhất về địa hình hiểm trở liệu có khả thi trên tất cả các phương diện kỹ thuật công nghệ, kinh tế, xã hội hay không? Luận văn này sẽ đi sâu phân tích và trả lời cho câu hỏi đó. Lê Quang Đạo, CH ĐTVT 2005-2007, Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học 2 Phạm vi nghiên cứu và nội dung luận văn Luận văn này nghiên cứu một cách tổng quan nhất về công nghệ WiMAX (Cả di động và cố định), mô hình ứng dụng và các vấn đề kỹ thuật cơ bản cần quan tâm khi tiến hành thiết kế, triển khai mạng WiMAX vào thực tế. Chương 4 của luận văn tập trung nghiên cứu và xây dựng một mô hình mẫu để triển khai WiMAX về những vùng khó khăn nhất về địa lý của Việt Nam. Bố cục và nội dung chính của luận văn: - Chương I: Giới thiệu tổng quan về công nghệ WiMAX, các đặc điểm chính của WiMAX cố định, WiMAX di động. Tình hình thử nghiệm, triển khai thương mại WiMAX ở Việt Nam cũng như trên toàn thế giới. - Chương II: Đi sâu nghiên cứu các đặc tả về lớp vật lý và lớp MAC của các chuẩn WiMAX cố định (IEEE 802.16 – 2004) và WiMAX di động (IEEE 802.16e – 2005). - Chương III: Mô hình triển khai ứng dụng WiMAX với yêu cầu truy cập di động cũng như cố định và các vấn đề kỹ thuật cơ bản nhất cần quan tâm khi thiết kế và triển khai một mạng WiMAX vào thực tế. - Chương IV: Nghiên cứu và xây dựng mô hình mẫu triển khai ứng dụng WiMAX để cung cấp dịch vụ Internet và thoại VoIP cho những người dân nông thôn, những vùng đặc thù khó khăn về địa lý điển hình của Việt Nam. Nghiên cứu đề cập một cách toàn diện trên các mặt: kỹ thuật công nghệ, kinh tế xã hội cũng như giáo dục khi triển khai. Lê Quang Đạo, CH ĐTVT 2005-2007, Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học 3 CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX Chương 1 cung cấp một cái nhìn bao quát nhất để chúng ta có thể nắm được khái niệm mạng không dây băng rộng, công nghệ WiMAX là gì, đặc điểm chung, mục đích và vai trò của nó so với những công nghệ đang tồn tại. Bên cạnh đó chương này còn đề cập tới tình hình ứng dụng WiMAX trên thế giới và thử nghiệm WiMAX tại Việt Nam tính đến thời điểm tháng 10 năm 2007. 1.1 Khái niệm về mạng không dây băng rộng Mạng không dây Để kết nối những thiết bị như máy tính và máy in, những mạng máy tính truyền thống đòi hỏi dây cáp. Những dây cáp thể hiện kết nối về mặt vật lý giữa những thiết bị như hub, switch hoặc những thiết bị khác để tạo thành mạng. Mạng dữ liệu không dây kết nối những thiết bị mà không cần cáp. Chúng dựa trên những tần số vô tuyến để truyền dữ liệu giữa các thiết bị với nhau. Về phía người dùng, mạng dữ liệu không dây làm việc giống như hệ thống có dây. Người dùng có thể chia sẻ file và những ứng dụng, trao đổi e-mail, truy nhập máy in, chia sẻ truy nhập Internet và thực thi các tác vụ khác như mạng có dây. Thế nào là băng rộng? Băng rộng là khái niệm thể hiện khả năng hỗ trợ ở cả hướng từ nhà cung cấp tới khách hàng (downstream) và từ khách hàng tới nhà cung cấp (upstream) với tốc độ tối thiểu là 200 kbps. Ngày nay, nhu cầu của khách hàng ngày càng cao gia tăng. Người tiêu dùng không đơn thuần chỉ muốn truyền email, văn bản text, fax,… mà họ mong muốn sử dụng các dịch vụ đa phương tiện như: hội nghị truyền hình, nghe nhạc, xem phim trực tuyến, xem tivi trực tuyến, các chương trình trực tuyến trên mạng....Khi đó tốc độ 33,6Kbps, thậm chí 56Kbps trên đôi cáp đồng bằng phương thức dial-up không thể đủ để triển khai các dịch vụ loại này. Hiện tại, khi mà tốc độ của mạng lõi của các nhà cung cấp dịch vụ Internet (ISP) đã được tăng đáng kể, khả năng xử lí tại đấu cuối phía khách hàng cũng ngày Lê Quang Đạo, CH ĐTVT 2005-2007, Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học 4 một mạnh thì việc mạng truy nhập vẫn hạn chế như vậy sẽ gây ra hiện tượng nghẽn cổ chai (bottleneck). Vấn đề được đặt ra là cần phải cải thiện nốt mạng truy nhập để nó đáp ứng được nhu cầu của cả nhà cung cấp dịch vụ lẫn khách hàng. Công nghệ băng rộng chính là các công nghệ sinh ra để giải quyết vấn đề về mạng truy nhập. Đó là thuật ngữ chỉ bất kì loại truy cập internet tốc độ cao nào. Công nghệ băng rộng cho phép các cá nhân hoặc tổ chức có thể truy cập internet cả 24 giờ trong một ngày, tạo môi trường cho việc sử dụng hoặc cung cấp các dịch vụ chất lượng cao. Đặc điểm nổi bật của mạng không dây băng rộng - Đặc điểm đầu tiên là cho phép thay đổi, di chuyển, thu hẹp và mở rộng một mạng một cách rất đơn giản, tiết kiệm, có thể thành lập một mạng có tính chất tạm thời với khả năng cơ động mềm dẻo cao, có thể thiết lập mạng ở những khu vực rất khó nối dây, tiết kiệm chi phí đi dây tốn kém. - Đặc điểm thứ hai là nhanh, nó cho phép truy cập với một tốc độ gấp 10-20 lần so với phương pháp quay số thông thường, thậm chí hơn nữa. Khi ta dùng modem để quay số, tốc độ chỉ có thể đạt từ 30 đến 50Kbps còn với một kết nối băng rộng, tốc độ lên tới từ 256Kbps đến 10Mbps, phụ thuộc vào dịch vụ mà ta chọn. - Đặc điểm thứ ba là luôn kết nối. Bất kì khi nào máy tính được bật lên thì nó đều ở trạng thái kết nối với internet. Điều này có nghĩa là không phải lãng phí thời gian cho việc quay số và đợi modem kết nối mỗi lần muốn vào interntet. Sẽ không có chuyện bị cảnh báo mạng bận hoặc hiếm khi bị rớt ra khỏi mạng. Không bắt buộc phải ngừng dịch vụ điện thoại trong khi dùng dịch vụ internet. Tức là thuê bao hoàn toàn không phải trả tiền cho đường dây thuê bao thứ hai. Hơn thế nữa cũng có thể chia sẻ giữa nhiều máy với nhau thông qua một kết nối internet. Trong 3 đặc điểm trên, đặc điểm đáng nói nhất của công nghệ băng rộng chính là tốc độ. Chính vì đạt được tốc độ cao như vậy nên có thể triển khai được rất nhiều các dịch vụ khác mà với các kết nối quay số thông thường không thể làm được. Điều này đồng nghĩa với việc thúc đẩy sự phát triển của internet, sự phát triển của các dịch vụ xã hội khác. Có thể kể qua ở đây một số dịch vụ đáng chú ý như: dịch vụ cho phép truyền các tệp tin với dung lượng lớn, có thể là tệp văn bản, tệp âm thanh, tệp hình ảnh, tệp phim…; các dịch vụ nhắn tin nhanh (instant message); dịch vụ hội tụ tốc độ cao (video conferencing). Lê Quang Đạo, CH ĐTVT 2005-2007, Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học 5 1.2 Công nghệ WiMAX 1.2.1 WiMAX là gì? WiMAX là tên viết tắt của Worldwide Interoperability for Microwave Access. WiMAX là một công nghệ không dây băng rộng, hỗ trợ nhiều dạng truy nhập khác nhau: cố định hoặc không cố định. Để đặt ra những yêu cầu cho các loại truy nhập khác nhau này, 2 phiên bản của WiMAX đã được IEEE định nghĩa: phiên bản đầu tiên dựa trên chuẩn 802.16-2004, thích hợp cho dạng truy nhập cố định (Fixed WiMAX); phiên bản thứ 2 dựa trên chuẩn 802.16e (được hợp chuẩn năm 2005), hỗ trợ cho dạng di động (mobile WiMAX). Lộ trình của công nghệ WiMAX có thể được hình dung qua hình vẽ 1.1: Hình 1.1 Lộ trình công nghệ WiMAX Fixed WiMAX là công nghệ mạng thích hợp cho những thiết bị truy cập mạng cố định tại chỗ, hoặc có thể di chuyển từ nơi này qua nơi khác nhưng trong quá trình di chuyển thì không truy cập được mạng (nếu di chuyển chậm thì vẫn có thể truy cập). Công nghệ này được định nghĩa qua chuẩn IEEE 802.16-2004 (bản chính thức) Mobile WiMAX là một giải pháp không dây băng rộng cho phép hội tụ cả mạng băng rộng cố định và di động sử dụng một công nghệ truy cập băng rộng chung và một kiến trúc mạng mềm dẻo. Công nghệ mạng hỗ trợ cho các ứng dụng Lê Quang Đạo, CH ĐTVT 2005-2007, Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học 6 di động, cho phép các thiết bị có thể di chuyển với một tốc độ cao trong khi đang truy nhập mạng. Mobile WiMAX dựa trên chuẩn 802.16e (được hợp chuẩn vào năm 2005). Chuẩn 802.16e được định nghĩa dựa trên chuẩn 802.16d-2004 và có thêm nhiều đặc tính mới ưu việt hơn hỗ trợ cho tính năng di động, công nghệ anten mới nhất cũng được cập nhật vào chuẩn 802.16e. WiMAX so với một số công nghệ khác Mạng đô thị MAN theo định nghĩa là mạng bao phủ trên phạm vi một đô thị. Về mặt ứng dụng, trên mạng MAN người ta có thể triển khai cung cấp thông tin cho rất nhiều các loại dịch vụ công cộng khác nhau như y tế, văn hóa, xã hội… Về mặt kĩ thuật, mạng MAN là tập hợp của rất nhiều công nghệ khác nhau, mỗi công nghệ tương ứng với một phần khác nhau trong mạng. Cũng giống như các mạng LAN, WAN, mạng MAN chia làm hai loại: mạng MAN có dây và mạng MAN không dây. WiMAX là công nghệ cho mạng MAN không dây: Đã có khá nhiều công nghệ băng rộng không dây ra đời, nhưng cho tới nay, chưa có một công nghệ không dây băng rộng nào hướng tới mục tiêu cung cấp tổng hợp các giải pháp truy nhập cho mạng MAN một cách tối ưu như WiMAX. Các công nghệ đi trước chỉ cung cấp các giải pháp đơn lẻ, hướng tới một mục phần cụ thể trong mạng MAN ví dụ như LMDS hay WiFi,… LMDS (Local multipoint distribution system): là công nghệ sử dụng dải tần trên 20GHz để truyền sóng. LMDS là một chuẩn hoạt động dưới sự hậu thuẫn của các tổ chức quốc tế ATM Forum, ETSI, ITU,… Ở dải tần số lớn, LMDS chỉ cho phép truyền sóng trong tầm nhìn thẳng (LOS) trong phạm vi vài cây số (5-7km). LMDS cho phép triển khai các dịch vụ tốc độ cao như thoại, video, Internet,… Hệ thống LMDS có tốc độ rất cao, hiệu suất điều chế của nó có thể đạt tới 5bit/Hz/s. LMDS chỉ thích hợp với các mạng trục, các tổ chức doanh nghiệp có nhu cầu về tốc độ lớn. LMDS không thích hợp với các khách hàng riêng lẻ, các hộ gia đình. Lê Quang Đạo, CH ĐTVT 2005-2007, Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học 7 WiFi: thực ra là công nghệ hướng tới các mạng LAN không dây nhưng nó vẫn có thể dùng để triển khai cho các mạng rộng hơn như MAN. Nhưng chính vì nó không được thiết kế cho MAN nên việc triển khai nó cho mạng MAN gặp rất nhiều vấn đề như: - Thứ nhất, dải tần làm việc của 802.11 là dải tần miễn phí, nhiễu rất lớn. Do đó nó hoàn toàn không thích hợp với việc triển khai các dịch vụ công cộng cỡ lớn. - Thứ hai, 802.11 được thiết kế cho các mạng ít thuê bao, kênh truyền của nó cố định kích thước khoảng 20 MHz, rất kém linh hoạt. - Thứ ba, 802.11 chưa cung cấp cơ chế QoS, một vấn đề vô cùng quan trọng đối với các hệ thống mạng đa dịch vụ. - Thứ tư, mặc dù nếu ta truyền trong môi trường tốt, ít nhiễu, LOS, sử dụng các Anten định hướng với công suất đủ lớn thì WiFi có thể đạt tới khoảng cách vài km nhưng phạm vi bao phủ như thế này cũng rất hẹp. Như vậy, chỉ có sự ra đời của WiMAX mới giải quyết được tất cả các loại dịch vụ cơ bản trên của mạng MAN. Nó có thể sử dụng các trạm gốc để thiết lập tuyến trục, phân phối dịch vụ tới khách hàng riêng lẻ hoặc thiết lập nên các vùng truy nhập dịch vụ cho các doanh nghiệp hoặc địa điểm công cộng. Hiện nay, WiMAX được xem là một giải pháp toàn diện của công nghệ không dây băng rộng trong đô thị, ngoại ô và những vùng nông thôn xa xôi hẻo lánh… WiMAX cho phép truyền không dây các loại dữ liệu, hình ảnh, âm thanh nhanh hơn cả DSL hay cable, và tất nhiên là nhanh hơn nhiều lần các công nghệ không dây hiện hành như 802.11a hay 802.11b mà không yêu cầu điều kiện truyền thẳng. Phạm vi bao phủ của WiMAX có thể lên tới vài chục km với tốc độ lớn nhất là 70Mbps. Băng thông của WiMAX đủ để cung cấp đồng thời hàng trăm thuê bao T1 hoặc hàng trăm thuê bao DSL. Hiện nay, việc triển khai các mạng cable, DSL có thể rất tốn thời gian và tốn kém, và kết quả là một số lượng lớn khách hàng có nhu cầu mà không được cung cấp dịch vụ. WiMAX khắc phục hạn chế này, nó có khả năng cung cấp dịch vụ nhanh chóng và dễ dàng, ngay cả ở những nơi như nông thôn, rừng núi,… những nơi vô cùng khó khăn và bất lợi đối với việc triển khai các hệ thống có dây. Trong tương lai, WiMAX sẽ được tích hợp vào các thiết bị không cố định như máy xách tay, PDA,… Lê Quang Đạo, CH ĐTVT 2005-2007, Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học 8 1.2.2 Giới thiệu các chuẩn IEEE 802.16 Chuẩn 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 Lê Quang Đạo, CH ĐTVT 2005-2007, Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học 9 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. Chuẩn IEEE 802.16a 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 Lê Quang Đạo, CH ĐTVT 2005-2007, Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học 10 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 mật 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. Chuẩn IEEE 802.16c - 2002 Chuẩn IEEE 802.16c được đưa ra vào tháng 9/2002. Chuẩn được nâng cấp lên từ chuẩn 802.16 – 2001. Bản cập nhật đã sửa một số lỗi và sự mâu thuẫn trong bản tiêu chuẩn ban đầu và thêm vào một số profiles hệ thống chi tiết cho dẩi tần 10 – 66 GHz. Chuẩn IEEE 802.16d - 2004 Chuẩn IEEE 802.16-2004 được chính thức phê chuẩn ngày 24/07/2004 và được công bố rộng rãi vào tháng 9/2004. IEEE 802.16 – 2004 thường được gọi với tên 802.16-REVd. Chuẩn này được hình thành dựa trên sự tích hợp các chuẩn Lê Quang Đạo, CH ĐTVT 2005-2007, Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học 11 802.16-2001, 802.16a, 802.16c. Chuẩn mới này đã được phát triển thành một tập các đặc tả hệ thống có tên là IEEE 802.16-REVd, nhưng đủ toàn diện để phân loại như là một sự kế thừa hoàn chỉnh chuẩn IEEE 802.16 ban đầu. Chuẩn 802.16d hỗ trợ cả 2 dải tần số, cho phép kết nối thực hiện ở các môi trường khác nhau: - Băng tần 10 – 66 Ghz: với băng tần này thường được dung trong môi trường tầm nhìn thẳng (LOS). Độ rộng kênh được khuyến nghị cho dải tần này là 25 đến 28 MHz. Nó cung cấp khả năng hỗ trợ tốt trong những ứng dụng mô hình điểm – đa điểm. - Băng tần 2 – 11 GHz: với băng tần này thường được dùng trong môi trường không trong tầm nhìn thẳng (NLOS). Nó cung cấp khả năng hỗ trợ tốt trong những ứng dụng mô hình Mesh. Chuẩn IEEE 802.16e – 2005 Chuẩn 802.16e - 2005 được tổ chức IEEE đưa ra vào tháng 11 - 2005. Đây là phiên bản phát triển dựa trên việc nâng cấp chuẩn 802.16 - 2004 nhằm hỗ trợ thêm cho các dịch vụ di động. Chuẩn này sử dụng kỹ thuật đa truy nhập SOFDMA (Scalable Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access), kỹ thuật điều chế đa sóng mang sử dụng kênh phụ. Băng tần được khuyến cáo dành cho chuẩn là <6Ghz để phục vụ cho các ứng dụng trong môi trường ko trong tầm nhìn thẳng (NLOS) và ứng dụng di động. Tuy tốc độ và khả năng bao phủ không được lớn như chuẩn cố định, nhưng với kênh băng thông 10 Mhz, nó cũng có thể đạt tới tốc độ 30 Mbps, với khả năng bao phủ tới 15 km. Một đặc điểm nổi bật của chuẩn này là có thể ứng dụng trong môi trường di động với tốc độ lý thuyết có thể lên tới đến 120 km/h. Các đặc tả về chuẩn 802.16e đã được trình bày cụ thể trong phần trên của chương này. Với những đặc điểm và sự phát triển của các chuẩn 802.16 nói trên, ta có thể nhận thấy được sự khác nhau về cơ bản, cũng như nhận biết được những tính kế thừa của các chuẩn này. Lê Quang Đạo, CH ĐTVT 2005-2007, Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học 12 Bảng 1.1 so sánh các chuẩn trong WiMAX Bảng 1.1: So sánh các chuẩn IEEE 802.16 802.16 802.16-2004 802.16e Dải tần số 10-66GHz <11GHz <6GHz Môi trường truyền Line of Sight (LOS) Non Line of Sight (NLOS) NLOS Tốc độ 32-144Mbps Up to 70 Mbps 10M – 30M Điều chế Điều chế đơn sóng mang QPSK OFDM 256 sóng mang con QPSK,16QAM,64QAM S-OFDMA QPSK, 16 QAM, 64 QAM Mức di động Cố định Cố định Có thể cho tốc độ di chuyển thấp Băng thông kênh 20,25,28MHz 5- trên 20MHz 1.25-20 MHz Bán kính cell 1.7-5km 5 tới 10km; tối đa 50 km tùy thuộc vào điều kiện truyền 1.7-5km 1.2.3 WiMAX được công nhận là chuẩn toàn cầu Ngày 18 tháng 10 năm 2007, trong hội nghị 04 năm một lần của mình Hiệp hội Truyền thông Vô tuyến điện ITU chấp nhận đưa WiMAX vào họ công nghệ IMT- 2000. Quyết định quan trọng này sẽ giúp tăng khả năng triển khai ứng dụng WiMAX tại nhiều nước châu Á trong đó có Việt Nam - những nơi còn đang chờ chuẩn hóa WiMAX để tận dụng kinh tế qui mô toàn cầu về công nghệ và thiết bị. Trước khi công nhận WiMAX, hệ thống tiêu chuẩn IMT-2000 đã được ITU công nhận bao gồm: WCDMA, CDMA 2000 (hiện thường được nhắc đến với tên phiên bản CDMA 2000 EV-DO), CDMA TDD (được phát triển bởi Trung quốc) , WUC-136, DECT. Và quyết định mới nhất của mình ITU đã đưa WiMAX lên ngang tầm với công nghệ khác. Tiến sỹ Ray Owen, Giám đốc công nghệ, Motorola khu vực châu Á cho biết "bây giờ WiMAX đã được công nhận là công nghệ IMT-2000, nó đảm Lê Quang Đạo, CH ĐTVT 2005-2007, Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học 13 bảo cho các nhà khai thác và nhà quản lý trên toàn thế giới có thể yên tâm đầu tư vào băng thông rộng di động thực sự dùng công nghệ WiMAX. Điều này đặc biệt quan trọng tại châu Á đối với băng tần 2.5 GHz. Đây cũng là một bước ngoặt quan trọng giúp xoá bỏ các hoài nghi lâu nay về khả năng ứng dụng rộng rãi WiMAX để cải thiện việc phát triển băng thông rộng ở các nước đang phát triển tại châu Á". Trong bản thông cáo báo chí của Hiệp hội Truyền thông Vô tuyến điện Quốc tế (WCA), Giám đốc Hiệp hội Steve Sharkey của Motorola, trưởng nhóm nghiên cứu tư vấn cho WCA và các tổ chức ủng hộ khác trong lĩnh vực này đã khẳng định: “ITU đã có một bước tiến quan trọng, đảm bảo công chúng sẽ được hưởng lợi từ các công nghệ không dây hiện đại nhất hiện nay, khi quyết định đưa WiMAX vào họ công nghệ IMT-2000. Động thái này đem WiMAX lên ngang tầm với các công nghệ GSM và CDMA và đảm bảo cho các nhà khai thác có thể yên tâm triển khai công nghệ theo nhu cầu của người sử dụng chứ không phải bị hạn chế bởi các qui định quản lý”. WiMAX và 3G Với việc được đưa vào họ chuẩn quốc tế IMT-2000, WiMAX đã đứng ngang hàng với 3G trong khía cạnh chuẩn hóa quốc tế để triển khai vào thực tế. Theo quan điểm của người viết, WiMAX và 3G sẽ song song tồn tại, với những lợi thế riêng của mình: - 3G sẽ là xu hướng chính cho các nhà cung cấp dịch vụ điện thoại di động đang sử dụng hệ thống GSM muốn cung cấp tới khách hàng của mình khả năng truy cập Internet như là một dịch vụ gia tăng, trên những thiết bị cầm tay nhỏ gọn. - WiMAX sẽ là xu hướng chính cho các nhà cung cấp dịch vụ Internet, muốn không dây hóa các dịch vụ truyền dẫn của mình thay cho hệ thống cáp có chi phí đầu tư, duy tu bảo dưỡng lớn. Bên cạnh đó WiMAX cũng có thể cung cấp dịch vụ thoại VoIP. Vượt qua 3G về khả năng điều chế, WiMAX có thể cung cấp dịch vụ dữ liệu lớn gấp 5-10 lần so với 3G để làm lợi thế cạnh tranh với 3G trong thiên hướng cung cấp dịch vụ dữ liệu với người dùng sử dụng Laptop và PDA cũng như truy cập Internet không dây cố định. Lê Quang Đạo, CH ĐTVT 2005-2007, Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học 14 1.3 Đặc điểm cơ bản của WiMAX Chúng ta có thể hình dung cơ chế hoạt động của mạng WiMAX như mạng điện thoại di động. Nghĩa là có một tổng đài phát sóng và một mạng lưới các trạm phát WiMAX để phủ sóng đến từng người dùng cuối. Phạm vi phủ sóng lớn nhất của trạm WiMAX đạt 50km. Hình 1.2: Mô hình mạng WiMAX Vì công nghệ WiMAX hỗ trợ cho cả dạng truy nhập cố định (Fix) và di động (mobile) nên hệ thống WiMAX cũng có những đặc điểm khác nhau đối với 2 dạng truy nhập khác nhau này. 1.3.1 Đặc điểm Fixed WiMAX - Khoảng cách giữa trạm thu và phát có thể tới 50km. - Tốc độ truyền có thể thay đổi, tối đa là 70Mb/s. - Hoạt động trong cả 2 môi trường truyền dẫn: đường truyền tầm nhìn thẳng LOS và đường truyền che khuất NLOS. - Dải tần làm việc 2-11GHz và 10-66GHz. - Hướng truyền tin đựoc chia thành 2 đường lên và xuống. Phân chia đường lên và xuống có thể dùng cả 2 công nghệ: TDD và FDD. - Fixed WiMAX sử dụng phương pháp điều chế OFDM, định nghĩa kích thước của FFT là 256 với 192 sóng mang dữ liệu, 8 sóng mang dẫn đường và 55 sóng mang bảo vệ. Lê Quang Đạo, CH ĐTVT 2005-2007, Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học 15 - Các phương pháp điều chế số được sử dụng là: QPSK, 16QAM, 64QAM; dùng phối hợp các phương pháp mã hóa sửa lỗi là mã khối (Reed Salomon) và mã xoắn (mã chập) CC. - Độ rộng băng tần của WiMAX từ 5MHz đến trên 20MHz được chia thành nhiều băng con 1,75MHz. Mỗi băng con này đựoc chia nhỏ hơn nữa nhờ công nghệ OFDM, cho phép nhiều thuê bao có thể truy cập đồng thời một hay nhiều kênh một cách linh họat để đảm bảo tối ưu hiệu quả sử dụng băng tần. - Về cấu trúc phân lớp, hệ thống WiMAX đựoc chia thành 4 lớp: Lớp con hội tụ (convergence layer) làm nhiệm vụ giao diện giữa lớp đa truy nhập và các lớp trên, lớp đa truy nhập (MAC layer), lớp bảo mật (Security) và lớp vật lý (Physical). Các lớp này tương đưong với hai lớp dưới cùng của mô hình OSI và đựoc tiêu chuẩn hóa để có thể giao tiếp với nhiều ứng dụng lớp trên. 1.3.2 Đặc điểm Mobile WiMAX - Khoảng cách giữa trạm thu và phát trong khoảng 1.7 – 5 km. - Tốc độ truyền: 10 – 30Mb/s - Không yêu cầu truyền trong tầm nhìn thẳng - Dải tần làm việc của Mobile WiMAX tập trung trong khoảng tần số dưới 6GHz ( 2,3 GHz; 2,5 GHz; 3,3 GHz; 3,5 GHz) - Độ rộng băng tần của hệ thống từ 1,25 – 20MHz - Đường lên và xuống có thể được phân chia theo công nghệ TDD hoặc FDD, nhưng TDD được khuyến nghị sử dụng nhiều hơn vì những tính năng ưu việt của nó. - Điểm khác biệt rõ nét so với Fixed WiMAX là Mobile WiMAX sử dụng công nghệ điều chế hỗ trợ đa truy nhập Scalable OFDMA (S- OFDMA), cho phép thay đổi kích thước FFT tức là thay đổi số sóng mang con. Số sóng mang con có thể là 128, 512, 1024 hay lớn nhất là 2048. Số sóng mang con này đựoc chia thành các kênh con với số lượng kênh con lớn nhất là 32. - Mobile WiMAX sử dụng phương pháp điều chế và mã hóa thích ứng, hỗ trợ các kiểu điều chế QPSK, 16 QAM, 64 QAM. Phương pháp mã hóa sửa lỗi dùng mã xoắn CC (Convolutional Code) và mã CTC (Convolutional Turbo Code Lê Quang Đạo, CH ĐTVT 2005-2007, Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học 16 1.4 Tình hình thử nghiệm, thương mại hóa WiMAX trên thế giới và tại Việt Nam 1.4.1 Thử nghiệm và thương mại hóa WiMAX trên thế giới Tính đến thời điểm tháng 9 năm 2007, trên thế giới đã có hơn 300 thử nghiệm WiMAX và hơn 95 hệ thống WiMAX thương mại. Hình vẽ 1.3 dưới đây thể hiện các hệ thống WiMAX đã được phát triển trên thế giới (nguồn: Tập đoàn Intel): Hình 1.3: Tổng quan về tình hình triển khai WiMAX trên thế giới. Trong hình vẽ trên, tần số được thử nghiệm được thể hiện bằng màu sắc như trong hình 1.4 sau: Hình 1.4: Tần số được sử dụng trong các hệ thống WiMAX đã triển khai trên thế giới Lê Quang Đạo, CH ĐTVT 2005-2007, Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học 17 Trong ba dải tần số được sử dụng để thử nghiệm và xây dựng hệ thống thương mại tính đến tháng 09 năm 2007, chúng ta có thể thấy: - Tần số 3.3-3.8 Ghz được sử dụng nhiều nhất. Tần số này được sử dụng nhiều ở Châu Âu, Châu Á, Châu Phi và Nam Mỹ. - Tần số 2.3 – 2.7 Ghz được sử dụng nhiều ở Mỹ, Nhật và một số nước ở Đông Nam Á. - Tần số 5.0-6.0 Ghz, là tần số không cần cấp phép, tương tự như dải tần số 2.4Ghz của WiFi, được sử dụng ở một số nơi, nhiều nhất là ở Nga. Tháng 09 năm 2007 các hãng Acer, Lenovo, Asus, Matsushita công bố kế hoạch bán máy tính xách tay gắn chip WiMAX Centrino của Intel hỗ trợ chuẩn kết nối Internet không dây diện rộng WiMAX mang tên Montevina vào năm 2008. Các máy tính xách tay này sẽ được tích hợp chip tích hợp cả WiFi và WiMAX, tạo điều kiện cho người dùng đầu cuối có thể dễ dàng lựa chọn kết nối với một trong hai công nghệ trên. Mỹ, Hàn Quốc và Nhật là những nước đi tiên phong trong việc ứng dụng WiMAX vào thương mại hóa. Các nước này cam kết bằng công nghệ WiMAX, họ sẽ mang băng thông rộng không dây tới mọi miền của tổ quốc, từ thành phố cho tới những khu vực xa xôi hẻo lãnh, các hải đảo xa xôi. Hiện tại ở mỗi nước đều đã quyết định đầu tư nhiều tỷ đô la cho nhiều dự án thương mại hóa Mobile WiMAX, tiêu biểu như: - Mỹ: Hãng điện thoại Sprint đã đầu tư 5 tỷ USD để triển khai WiMax tại 30 thành phố và dự kiến 100 triệu dân sẽ đăng ký thuê bao dịch vụ. - Nhật Bản: Ngày 18 tháng 9 năm 2007, Tập đoàn KDDI, Tập đoàn Intel, Công ty đường sắt Đông Nhật Bản, Tập đoàn Kyocera, công ty Daiwa Securities Group Inc, và Ngân hàng Tokyo-Mitsubishi UFJ tuyên bố cùng đầu tư vào một liên doanh có tên là Wireless Broadband Planning K.K.(WBPK). WBPK dự kiến trở thành một công ty hàng đầu thế giới trong lĩnh vực phát triển và triển khai các dịch vụ mới dựa trên công nghệ WiMAX di động, đồng thời dự định sẽ cung cấp các dịch vụ này trên toàn cầu thông qua các thỏa thuận chuyển vùng quốc tế. - Hàn Quốc: SK telecom và Korean telecom là hai hãng đi đầu ứng dụng WiMAX vào thương mại hóa. Từ năm 2006, Hàn quốc đã sử dụng WiBro Lê Quang Đạo, CH ĐTVT 2005-2007, Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học 18 một biến thể của WiMAX để cung cấp dịch vụ truy nhập băng thông rộng không dây. 1.4.2 Thử nghiệm WiMAX tại Việt Nam Thử nghiệm WiMAX cố định: Tháng 03 năm 2006, Bộ bưu chính viễn thông Việt Nam cấp phép cho 4 Tổng công ty, tập đoàn thử nghiệm Fixed WiMAX ở dải tần số 3.3-3.4Ghz gồm: - Tập đoàn bưu chính viễn thông Việt Nam VNPT - Tổng công ty truyền thông đa phương tiện VTC - Tổng công ty viễn thông quân đội Viettel - Tập đoàn FPT Sau đó, công ty viễn thông điện lực EVN cũng đã được cấp phép thử nghiệm Fixed WiMAX. Với giấy phép thử nghiệm được Bộ BCVT cấp ngày 17 tháng 03 năm 2007, Tập đoàn VNPT đã giao cho Công ty điện toán và truyền số liệu VDC tiến hành nghiên cứu thử nghiệm và đánh giá Fixed WiMAX thông qua Dự án thử nghiệm WiMAX được phối hợp thực hiện với Tập đoàn Intel, Quỹ hỗ trợ phát triển quốc tế Mỹ (USAID) triển khai tại Thành Phố Lào Cai. Dự án này có hai pha thực hiện khác nhau: - Pha thử nghiệm thứ nhất: Triển khai tại Thành phố Lào Cai với một trạm gốc được nối với POP VNN tại bưu điện Lào Cai để kết nối với Internet. Hai mươi trạm thuê bao được triển khai trong nội thành và ngoại thành của Thành phố. Hệ thống thiết bị WiMAX thử nghiệm được cung cấp bởi hãng Alvarion, Israel. - Pha thử nghiệm thứ hai: Triển khai tại xã Tả Van, là một xã vùng sâu, vùng xa đường sá đi lại rất khó khăn, là một trong những xã có hạ tầng viễn thông yếu kém nhất của tỉnh Lào Cai, khi chỉ chó 02 đường điện thoại PSTN về Ủy ban nhân dân xã và điểm bưu điện văn hóa xã. Sóng di động tới đây là của một BTS cách đó 10km, vượt qua địa hình hiểm trở với nhiều dãy núi cao nên sóng rất yếu và chập chờn. Pha thử nghiệm thứ hai này là một điển hình để nghiên cứu về các mặt công nghệ, lợi ích xã hội cũng như bài toán kinh tế khi sử dụng WiMAX để đưa băng thông rộng về những vùng xa xôi hẻo Lê Quang Đạo, CH ĐTVT 2005-2007, Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học 19 lãnh, những nơi mà các công nghệ truyền thống đã có khó có thể phục vụ được. Hệ thống thiết bị WiMAX thử nghiệm được cung cấp bởi hãng Airspan, Mỹ. Các đơn vị còn lại cũng đã có những thử nghiệm và đánh giá của riêng mình. Tuy nhiên thông tin về các thử nghiệm của các đơn vị trên chỉ được các phương tiện thông tin đại chúng đưa tin một cách chung chung, không cụ thể nên tôi không tổng kết vào phần viết của Luận văn này. Thử nghiệm Mobile WiMAX: Ngày 01 tháng 10 năm 2007, chính phủ đã cấp phép thử nghiệm Mobile WiMAX tại Việt nam trong vòng 01 năm cho 5 nhà cung cấp dịch vụ, trong đó: - Tập đoàn Bưu chính viễn thông Việt Nam VNPT sẽ thử nghiệm tại dải tần số 2.5Ghz. - Bốn doanh nghiệp sẽ thử nghiệm ở dải tần 2.3Ghz là: Tổng công ty viễn thông quân đội Vietel, Tổng công ty truyền thông đa phương tiện, Tập đoàn FPT, Công ty viễn thông điện lực EVN. Tập đoàn bưu viễn thông Việt Nam VNPT dự kiến sẽ triển khai thử nghiệm Mobile WiMAX ở Hà Nội, Thành phố Hồ Chính Minh và Đà Nẵng với thiết bị thử nghiệm được cung cấp bởi hãng Motorola, Mỹ. 1.5 Kết luận Với số lượng lớn hơn 400 dự án thử nghiệm và triển khai thương mại trên toàn thế giới tính đến tháng 09 năm 2007, cam kết của các nhà sản xuất và quan trọng nhất là việc ITU đưa WiMAX vào họ chuẩn công nghệ IMT-2000, chúng ta có thể nhìn thấy rằng năm 2008 sẽ là năm bùng nổ của WiMAX trên thế giới, đặc biệt là ở các quốc gia Mỹ, Hàn Quốc, Pháp và Nhật, những nước nước đi đầu trong những ứng dụng WiMAX phục vụ mục đích thương mại hóa. Tại Việt Nam, năm 2008 hứa hẹn sẽ là năm mà công nghệ WiMAX sẽ hoàn thành giai đoạn thử nghiệm và từng bước được thương mại hóa. Theo nhận định của người viết luận văn này thì cuối năm 2008 đến năm 2009 WiMAX sẽ được ứng dụng rộng rãi ở Việt Nam. Lê Quang Đạo, CH ĐTVT 2005-2007, Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học 20 CHƯƠNG II: ĐẶC ĐIỂM CÔNG NGHỆ WIMAX Chương 2 của luận văn đề cập đến những vấn đề: băng tần WiMAX sử dụng, các mô tả kỹ thuật của chuẩn WiMAX (fixed và mobile) Cũng giống như các bộ chuẩn khác họ 802 của IEEE, 802.16 chỉ tập trung vào việc mô tả và chuẩn hóa hai lớp liên kết dữ liệu (Datalink Layer) và lớp vật lý (Physical Layer) trong mô hình OSI. Hình 2.1 thể hiện vị trí tương đối của các lớp MAC và PHY trong WiMAX. Hình 2.1 Vị trí tương đối của các lớp MAC và PHY Sơ lược về các lớp trong chuẩn 802.16 nói chung: Lớp MAC mô tả trong 802.16 bao gồm ba lớp con (Sublayer): lớp con hội tụ (CS), lớp con MAC (CPS) và lớp con bảo mật. Lớp CS cung cấp bất cứ việc chuyển đổi hoặc ánh xạ từ các mạng mở rộng khác như ATM, Ethernet, thông qua một điểm truy nhập dịch vụ SAP. Chính xác hơn, lớp này làm nhiệm vụ chuyển đổi các gói tin từ các định dạng của mạng khác thành các gói tin định dạng theo 802.16 và chuyển xuống cho lớp CPS. Cũng tại đây sẽ diễn ra sự phân lớp dịch vụ của các mạng ngoài để ánh xạ vào một dịch vụ thích hợp trong 802.16 Lớp CPS cung cấp các chức năng chính của lớp MAC, đó là các chức năng như truy nhập, phân bố băng thông, thiết lập, quản lí kết nối. Nó sẽ nhận dữ liệu từ Lê Quang Đạo, CH ĐTVT 2005-2007, Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học 21 các CS khác nhau để phân lớp vào một kết nối MAC riêng. Chất lượng dịch vụ cũng sẽ được áp dụng trong việc truyền và sắp xếp dữ liệu. Lớp con bảo mật cung cấp các cơ chế chứng thực, trao đổi khóa và mã hóa. Lớp vật lý bao gồm rất nhiều các định nghĩa khác nhau, mỗi cái thích hợp cho một dãy tần số và ứng dụng riêng. Sau đây sẽ trình bày những đặc điểm chính về lớp MAC và PHY trong hai chuẩn WiMAX cố định (IEEE 802.16d-2004) và WiMAX di động IEEE 802.16e- 2005). 2.1 WiMAX cố định - IEEE 802.16d-2004 2.1.1 Lớp MAC 2.1.1.1 Lớp con hội tụ CS Khái niệm CID: Một kết nối được hiểu là một ánh xạ từ MAC-BS tới MAC- SS với mục đích vận chuyển lưu lượng của một loại dịch vụ. Mỗi kết nối được xác định bởi một CID là viết tắt của chữ Connection Identifier, có độ dài 16bit. Lớp con hội tụ CS thi hành một số các chức năng như nhận các PDU từ lớp cao hơn, phân lớp dịch vụ các PDU đó, tùy theo các dịch vụ mà xử lí các PDU, phân phối các PDU này xuống lớp con MAC thông qua một điểm SAP thích hợp. Tuy nhiên, nhiệm vụ chính của lớp này là phân loại các đơn vị dịch vụ dữ liệu SDU, ánh xạ nó vào một kết nối MAC phù hợp, tức là vào một CID, đảm bảo cho việc xử lí QoS. Để đảm bảo thực hiện được điều này, lớp CS có thể sử dụng các thuật toán tinh vi để ánh xạ hoặc cũng có thể thêm, thay đổi tiêu đề mỗi gói tin của lớp trên để xử lí. Hiện tại chỉ có hai định nghĩa được được cung cấp trong 802.16: ATM CS và Packet CS. ATM CS được định nghĩa cho các dịch vụ ATM còn Packet CS được định nghĩa cho các dịch vụ gói như Ipv4, Ipv6, Ethernet, VLAN,… ATM CS nhận các tế bào ATM, xử lí, phân lớp dịch vụ và phân phối nó xuống lớp dưới. Packet CS phân lớp các loại MAC SDU vào kết nối thích hợp, gỡ, thêm các tiêu đề, phân phối dữ liệu đến lớp con MAC, nhận dữ liệu từ lớp con MAC rồi xử lí. Lê Quang Đạo, CH ĐTVT 2005-2007, Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học 22 Các MAC SDU sẽ được phân loại bằng cách ánh xạ nó vào một kết nối riêng, điều đó cũng có nghĩa là MAC SDU sẽ được ánh xạ vào một luồng dịch vụ riêng, có các đặc điểm QoS riêng. Hình 2.2 thể hiện quá trình phân loại MAC SDU. Hình 2.2 Quá trình phân loại MAC SDU 2.1.1.2 Lớp con MAC CPS Sự trao đổi giữa các BS và SS trong một vùng thường có mấy dạng kiến trúc là P2P, PMP và Mesh. - Kiến trúc P2P xảy ra khi chỉ có một BS và một SS, các kết nối xảy ra giữa từng cặp BS, SS. - Kiến trúc PMP là sẽ có một kết nối giữa một BS với nhiều SS khác nhau. So với P2P thì PMP có khả năng phục vụ cao hơn, hiệu suất tốt nhưng phạm vi bao phủ thường hẹp hơn nhiều. Kiến trúc PMP trong triển khai thường được tổ chức thành các vùng (sector) và nó hỗ trợ tốt trong truyền thông multicast. - Kiến trúc Mesh là kiến trúc mà bao giờ cũng có một đường liên kết giữa hai điểm bất kì. Mặc dù 802.16- 2004 hỗ trợ cả ba kiểu kiến trúc trên nhưng PMP là kiến trúc được quan tâm nhất. Kiến trúc này có một BS làm trung tâm sẽ cung cấp kết nối cho nhiều SS. Trên đường xuống (downlink), dữ liệu đưa tới SS được hợp kênh theo kiểu TDM. Các SS chia sẻ đường lên theo dạng TDMA. MAC 802.16 theo kiểu hướng kết nối (connection-oriented). Tất cả những dịch vụ bao gồm những dịch vụ không kết nối (connectionless) cố hữu, được ánh xạ tới một kết nối. Điều đó cung cấp một cơ chế cho yêu cầu dải thông, việc kết hợp Lê Quang Đạo, CH ĐTVT 2005-2007, Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học 23 QoS và các tham số về lưu lượng, vận chuyển và định tuyến dữ liệu đến lớp con quy tụ thích hợp và tất cả các hoạt động khác có liên quan đến điều khoản hợp đồng của dịch vụ. Các kết nối được tham chiếu đến các CID 16-bit (16-bit connection identifier) và có thể yêu cầu liên tiếp dải thông được cấp phát hay dải thông theo yêu cầu. Đánh địa chỉ và kết nối Mỗi SS sẽ có một địa chỉ cứng gọi là địa chỉ MAC 48bit, giống như được định nghĩa trong 802 nói chung. Địa chỉ này là duy nhất cho thiết bị trên toàn thế giới. Nó được sử dụng trong quá trình khởi tạo kết nối. Nó cũng có thể được dùng để chứng thực giữa BS và SS với nhau. Lúc vào mạng, SS được gán ba kết nối quản lý (management connection) cho mỗi hướng (Uplink hoặc Down link). Ba kết nối này phản ánh ba yêu cầu QoS khác nhau được sử dụng cho ba mức quản lý khác nhau giữa BS và SS. Kết nối đầu tiên là kết nối cơ sở (basic connection) được dùng để truyền các thông điệp ngắn, “time- critical MAC” và RLC (radio link control). Kết nối quản lý sơ cấp (primary management connection) được sử dụng để truyền các thông điệp dài hơn, chịu trễ nhiều hơn như những gì được sử dụng để chứng thực và cài đặt kết nối. Kết nối quản lý thứ cấp được sử dụng để truyền các thông điệp quản lý dựa trên cơ sở các chuẩn như DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol), TFTP (Trivial File Transfer Protocol) và SNMP (Simple Network Management Protocol). Ngoài những kết nối quản lý này, các SS được cấp phát các kết nối vận chuyển (transport connection) cho các dịch vụ đã ký hợp đồng. Những kết nối vận chuyển theo một hướng duy nhất đơn giản hoá các tham số QoS đường lên và đường xuống khác nhau và các tham số lưu lượng. Ngoài ra MAC còn dự trữ các kết nối bổ sung cho những mục đích khác như sự truy nhập lúc khởi đầu trên cơ sở cạnh tranh, sự truyền quảng bá (broadcast) cho đường xuống hoặc sự kiểm tra tuần tự (polling). Định dạng MAC PDU MAC PDU là đơn vị dữ liệu được dùng để trao đổi thông tin giữa các lớp MAC của BS và SS. MAC PDU có hai dạng, dạng thông thường và dạng yêu cầu băng thông. MAC PDU thông thường bắt đầu bởi một tiêu đề có chiều dài cố định. Tiếp theo là tải (payload), tải có độ dài thay đổi, chính vì vậy mà MAC PDU cũng Lê Quang Đạo, CH ĐTVT 2005-2007, Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học 24 có chiều dài thay đổi. Và cuối cùng là mã CRC. MAC PDU yêu cầu băng thông thì chỉ có phần tiêu đề mà thôi. Hình 2.3 dưới đây mô tả dạng của MAC PDU Hình 2.3 Cấu trúc của MAC PDU Mỗi MAC PDU bao gồm phần tiêu đề có chiều dài cố định. Tiếp theo là tải, tải thông thường bao gồm các tiêu đề con (subheader) và MAC SDU. Tải cũng có thể có độ dài bằng 0 trong trường hợp đó là MAC PDU dùng để yêu cầu băng thông. CRC (Cyclical Redundancy Checking) là mã vòng kiểm soát lỗi cho cả phần header và payload trong MAC PDU tương ứng với nó. CRC chỉ được gắn vào MAC PDU khi đó là MAC PDU thông thường (chứa thông tin quản lý hoặc dữ liệu). Như vậy, MAC PDU yêu cầu băng thông không được bảo vệ bằng CRC. Quá trình xây dựng MAC PDU Trước khi được truyền đi, lớp MAC sẽ phải xây dựng MAC PDU một cách hợp lí và hiệu quả nhất. Quá trình này bao gồm các bước sau: - Quá trình móc nối: Nhiều MAC PDU có thể được kết hợp với nhau vào một phiên truyền ( PDU dữ liệu, PDU yêu cầu băng thông,…). Quá trình này có thể thực hiện ở cả đường lên và đường xuống. - Quá trình phân mảnh: Quá trình này chia một MAC SDU có kích thước lớn thành nhiều MAC PDU có kích thước hợp lí hơn. Quá trình này đước sử dụng đối với các dịch vụ mà gói tin có kích thước lớn, như voice, video,.. Được dùng để khai thác một cách hiệu quả băng thông liên quan đến chất lượng dịch vụ. Nó có thể được thực hiện ở cả đường lên và đường xuống. - Quá trình đóng gói (packing): Quá trình kết hợp nhiều MAC SDU thành một MAC PDU. Các kết nối phải cho phép mang các gói tin có kích thước thay đổi để khai thác được hiệu quả tính năng này. Lê Quang Đạo, CH ĐTVT 2005-2007, Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học 25 Cả hai quá trình phân mảnh và đóng gói có thể được bắt đầu bởi một BS cho một kết nối đường xuống hoặc một SS cho một kết nối đường lên. Hai quá trình này được cho phép đồng thời để có thể sử dụng dải thông một cách hiệu quả. Yêu cầu dải thông và cấp phát Khi vào mạng, mỗi SS đựoc gán đến 3 CIDs cho các mục đích gửi và nhận những thông điệp điều khiển. 3 cặp kết nối CID này được sử dụng để phân biệt các mức QoS của các kết nối khác nhau. Yêu cầu tăng hoặc giảm băng thông rất cần thiết cho tất cả các dịch vụ ngoại trừ kết nối UGS (dịch vụ cấp phát tự nguyện) có tốc độ bit không đổi. Ngoài ra các kết nối khác có nhu cầu tăng hoặc giảm băng thông phụ thuộc vào lưu lượng truyền. Khi một SS cần yêu cầu băng thông trên một kết nối với dịch vụ lập lịch BE (Best Effort), nó gửi một thông điệp đến BS bao gồm nhu cầu tức thì về kết nối DAMA (DAMA là một dịch vụ cung cấp tài nguyên khi SS phát sinh nhu cầu). QoS cho kết nối đã được tạo lập tại lúc thiết lập kết nối và được tìm kiếm bởi BS. Hỗ trợ PHY và cấu trúc khung MAC IEEE 802.16-2004 hỗ trợ cả TDD lẫn FDD. Sự lựa chọn giữa hai công nghệ song công này có những ảnh hưởng nhất định đến thông số lớp PHY cũng như tác động đến các đặc tả hỗ trợ của MAC. Ở hệ thống FDD, đường lên và đường xuống được đặt ở những tần số riêng biệt, dữ liệu đường xuống có thể được phát "continuous" (liên tục) hoặc theo từng "burst" (không liên tục). Các đường xuống “continuous” có tính đến các kỹ thuật nâng cao hiệu suất như “interleaving” (chèn). Các đường xuống “burst” (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- Lê Quang Đạo, CH ĐTVT 2005-2007, Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học 26 MAP cung cấp các định vị bắt đầu không muộn hơn khung đường xuống tiếp theo. Tuy vậy, UL-MAP có thể định vị sự khởi đầu khung hiện thời, miễn là những thời gian xử lý và những độ trễ toàn phần (round-trip delay) phải được giám sát. Điều khiển Kết nối Radio (RLC- Radio Link Control) Công nghệ được cải tiến của PHY 802.16-2004 đòi hỏi RLC nâng cao, đặc biệt khả năng PHY để chuyển tiếp từ một burst-profile tới một burst-profile khác. RLC phải điều khiển khả năng này cũng như các chức năng RLC truyền thống. Uplink Scheduling Services (các dịch vụ lập lịch đường lên) - Mỗi kết nối theo hướng đường lên được ánh xạ đến một scheduling-service. Mỗi scheduling-service liên quan đến một tập các quy tắc dựa trên trình lập lịch BS (BS-scheduler) chịu trách nhiệm cấp phát dung lượng cho đường lên và giao thức cấp phát theo yêu cầu giữa SS và BS. Đặc tả chi tiết các quy tắc và scheduling-service được dùng cho một kết nối đường lên đặc thù được thỏa thuận tại thời gian cài đặt kết nối. Dịch vụ cấp phát tự nguyện UGS (unsolicited grant service) được biến đổi để mang lại các dịch vụ tạo ra những đơn vị cố định dữ liệu theo chu kỳ. Khi được sử dụng với UGS, đầu mục con quản lý cấp phát gồm poll-me bit cũng như slip indicator flag (cờ báo lỗi) cho phép SS báo cáo rằng hàng đợi truyền bị ùn do các yếu tố như mất sự cấp phát hay lệch giờ giữa hệ thống và mạng bên ngoài. Nhờ vào sự phát hiện slip indicator flag, BS có thể cấp phát dung lượng bổ sung nào đó cho SS, cho phép nó hồi phục trạng thái hàng đợi trung bình. Những kết nối được cấu hình với UGS thì không được phép sử dụng những cơ hội truy nhập ngẫu nhiên cho các yêu cầu. Quá trình khởi tạo và đi vào mạng Hệ thống hỗ trợ những thủ tục cho quá trình đăng kí vào mạng của một SS mới. Thủ tục này bao gồm những pha nhỏ sau: - Sự thu nhận kênh (Channel Acquisition): Giao thức MAC bao gồm một thủ tục khởi tạo được thiết kế để loại trừ nhu cầu cấu hình thủ công. Vào lúc cài đặt, một SS bắt đầu quét danh sách tần số của nó để tìm ra một kênh hoạt động. Nó có thể được chương trình hoá để đăng ký với một BS xác định, tham chiếu đến một broadcast ID BS (có khả năng chương trình hoá). Lê Quang Đạo, CH ĐTVT 2005-2007, Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học 27 Sau khi quyết định trên kênh nào, SS cố gắng thử đồng bộ hoá sự truyền đường xuống do phát hiện ra các đoạn đầu khung theo chu kỳ (periodic frame preambles). Một khi lớp vật lý được đồng bộ hoá, SS sẽ tìm kiếm những thông báo UCD và DCD quảng bá định kỳ cho phép SS nhận biết sự điều chế và các kế hoạch FEC sử dụng trên sóng mang. - Chứng thực và đăng ký SS: Mỗi SS có chứa một giấy chứng nhận số X.509 được cài đặt từ nhà máy và giấy chứng nhận của nhà sản xuất. Các giấy chứng nhận này thiết lập một liên kết giữa địa chỉ MAC 48-bit của SS và khoá RSA dùng chung, được gửi cho BS từ SS trong những thông báo yêu cầu cấp phép và thông tin chứng thực. Mạng có khả năng xác minh sự giống nhau của SS bởi việc kiểm tra các giấy chứng nhận và sau đó kiểm tra mức cho phép của SS. Nếu SS được cấp phép để tham gia mạng, BS sẽ đáp lại yêu cầu của nó với một Authorization Reply (trả lời cấp phép) có chứa một khoá AK (Authorization Key) được mã hoá với khóa dùng chung của SS và được dùng để bảo vệ những giao dịch sau này. Trong lúc cấp phép thành công, SS sẽ đăng ký với mạng. Điều đó sẽ thiết lập kết nối quản lý thứ cấp của SS và xác định những khả năng có liên quan đến cài đặt kết nối và quá trình hoạt động MAC. Phiên bản IP được sử dụng với kết nối quản lý thứ cấp cũng được xác định trong thời gian đăng ký. - Tạo kết nối IP (tùy chọn): Sau khi đăng ký, SS giành được một địa chỉ IP qua DHCP và thiết lập thời gian trong ngày qua đường ITP (Internet Time Protocol). Server DHCP cũng cung cấp địa chỉ của server TFTP (Trivial File Transfer Protocol), từ đó SS có thể yêu cầu một file cấu hình. File này cung cấp một giao diện chuẩn đưa ra thông tin cấu hình đặc trưng của nhà cung cấp. - Cài đặt kết nối: Nhìn tổng thể, việc cài đặt các luồng dịch vụ trong IEEE 802.16-2004 được khởi tạo bởi BS trong thời gian khởi tạo SS. Tuy vậy, các luồng dịch vụ có thể cũng được thiết lập động bởi BS hoặc SS. Điển hình SS chỉ khởi tạo các luồng dịch vụ nếu có một kết nối được báo hiệu động như một SVC (switched virtual connection) từ một mạng ATM. Sự thiết lập các luồng dịch vụ được thực hiện thông qua một Lê Quang Đạo, CH ĐTVT 2005-2007, Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học 28 giao thức “three-way handshaking" (bắt tay ba bước) mà tại đó yêu cầu thiết lập luồng dịch vụ được đáp lại và sự đáp lại đó được xác nhận. Chất lượng dịch vụ trong 802.16-2004 Mạng băng rộng là nơi cung cấp rất nhiều loại dịch vụ với các yêu cầu khác nhau. Vì thế mà QoS chính là một vấn đề cơ bản đối với các mạng băng rộng. So với các mạng băng rộng không dây khác, ưu điểm lớn của 802.16 là nó hỗ trợ rất tốt vấn đề QoS. Một loạt các tính năng đảm bảo cơ chế QoS cho các loại dịch vụ khác nhau gồm cả âm thanh, hình ảnh. 802.16 cho phép các nhà cung cấp dịch vụ quản lí được lưu lượng đối với từng thuê bảo, dựa vào các thỏa thuận đã cam kết. Chất lượng dịch vụ trong 802.16 phụ thuộc vào ba yếu tố sau: - Giao thức MAC trong 802.16 hoạt động hướng kết nối (connection- oriented).Mỗi một gói tin trong 802.16 đều được đưa vào một kết nối cụ thể, kết nối này là kết nối ảo, được xác định bởi tham số CID. Việc tạo nên các kết nối ảo này khiến các gói tin được gửi đi một cách hiệu quả và nhanh chóng. Nó giống như các mạch ảo trong ATM. - Cơ chế cấp phát băng thông Request/Grant: Cơ chế cấp phát băng thông Request/Grant làm tăng hiệu quả sử dụng băng thông của hệ thống, đặc biệt là các hệ thông mà có nhiều thuê bao. Trong cơ chế này, SS yêu cầu lượng băng thông cấp phát từ BS thông qua một số các phương thức khác nhau. BS sẽ cấp phát băng thông bằng cách cấp phát các timeslot tới các SS có yêu cầu. - Phân loại dịch vụ: Giống như mọi hệ thống hỗ trợ tốt QoS khác, việc phân loại dịch vụ cũng là điểm cốt lõi trong việc đảm bảo QoS của hệ thống 802.16. Cơ chế hoạt động chủ yếu để cung cấp QoS trong 802.16 là đưa các gói tin khác nhau vào các dịch vụ khác nhau, các dịch vụ này được xác định bởi chỉ định bởi CID. 802.16 phân loại các luồng dữ liệu với yêu cầu QoS khác nhau vào các kết nối khác nhau. Mỗi kết nỗi sẽ thuộc một loại dịch vụ và mỗi dịch vụ lại có các tham số QoS khác nhau. 2.1.1.3 Lớp con bảo mật Khác với các chuẩn không dây băng rộng khác, 802.16- 2004 thiết kế hẳn một lớp con bảo mật, lớp này làm cung cấp các cơ chế điều khiển truy nhập tin cậy, đảm Lê Quang Đạo, CH ĐTVT 2005-2007, Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học 29 bảo an toàn cho dữ liệu trên đường truyền. 802.16 chống lại việc truy cập trái phép các dịch vụ bằng việc mã hóa các luồng dịch vụ. Nó có các giao thức quản lí khóa tại BS để thực hiện chứng thực và cấp phát các khóa tới SS cần thiết. Trong quá trình thương lượng về bảo mật giữa SS và BS, nếu một SS không cung cấp các cơ chế bảo mật của 802.16-2004 thì các bước chứng thực và cấp phát khóa sẽ được bỏ qua. BS nếu chấp nhận điều đó thì sẽ vẫn cho phép SS được truyền dữ liệu, ngược lại BS sẽ không cho phép. Chỉ có hai loại kết nối được bảo vệ trong 802.16-2004 là các kết nối vận chuyển và kết nối thứ cấp. Các kết nối quản lí, điều khiển khác không cần phải bảo vệ. Trong bảo mật 802.16-2004 có hai loại giao thức chính. - Giao thức làm nhiệm vụ xử lí đóng gói, mã hóa: Giao thức này làm các nhiệm vụ như định nghĩa hệ thống mã hóa, kết hợp giữa mã hóa dữ liệu và chứng thực, xử lí các MAC PDU. - Giao thức quản lí khoá bảo mật PKM (Privacy Key Management): cung cấp cơ chế phân phối khóa từ BS tới SS. Thông qua giao thức này, BS và SS có thể đồng bộ khóa với nhau. BS sử dụng giao thức này để thi hành các điều kiện truy nhập vào mạng. 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: Bảng 2.1: Các loại khoá bảo mật sử dụng trong IEEE 802.16-2004 Khoá Được tạo bởi Được sử dụng cho Thời gian tồn tại Thuật toán Cặp khoá công khai / bảo mật Nhà sản xuất - nhận thực SS - trao chuyển AK lâu dài RSA AK BS - tạo ra các KEK - tính toán các HMAC digest - kiểm tra các HMAC digest nhận được 1 đến 70 ngày 3 – DES, SHA – 1 KEK BS, SS - mã hoá TEK cho việc truyền dẫn (BS) - giải mã TEK để sử dụng (SS) giống AK 3 – DES TEK BS mã hoá lưu lượng số lượng 30 phút tới 7ngày DES Lê Quang Đạo, CH ĐTVT 2005-2007, Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học 30 2.1.2 Lớp PHY Lớp vật lý trong chuẩn 802.16-2004 có bốn đặc tả: - Đặc tả SC (Single Carrier): Sử dụng một sóng mang duy nhất để mang thông tin. Đặc tả này được chuẩn hóa từ 802.16 ban đầu. - Đặc tả SCa: Đặc tả này cũng sử dụng một sóng mang duy nhất để mang thông tin nhưng nó có thêm một số cải tiến. Đặc tả này được chuẩn hóa từ 802.16a. - Đặc tả OFDM: Đặc tả OFDM dựa trên nền công nghệ OFDM cho phép truyền thông tin trên nhiều sóng mang khác nhau. Đặc tả này được chuẩn hóa từ 802.16a. - Đặc tả OFDMA: Đặc tả OFDMA cũng dựa trên nền công nghệ OFDM nhưng nó hỗ trợ đa truy nhập phân chia theo sóng mang. Phần dưới đây sẽ mô tả về đặc tả OFDM cho WiMAX. Thuật ngữ đầy đủ WirelessMAN- OFDM PHY dựa trên phương thức điều chế OFDM và được thiết kế cho sự truyền không trong tầm nhìn thẳng (NLOS) trong băng tần <11 GHz. Trong dải tần số này, hai dải tần đăng kí là 2.5GHz và 3.5GHz được sử dụng hầu như khắp mọi nơi trên thế giới. Ở Việt Nam, Fixed WiMAX triển khai ở Lào Cai sử dụng tần số 3.3GHz. Đối với dải tần số không đăng kí, WiMAX chỉ sử dụng UNII 5GHz vì ISM 2.4GHz đã được sử dụng rất nhiều, nếu tiếp tục sử dụng ISM 2.4GHz thì các dịch vụ của WiMAX sẽ gặp các vấn đề lớn về nhiễu. Không như một số hệ thống khác, WiMAX hỗ trợ độ rộng kênh rất linh hoạt, có thể dao động từ 1.25MHz đến 20MHz. Băng thông là một tài nguyên rất quý, nếu không được sử dụng một cách linh hoạt thì sẽ gây lãng phí lớn. Giả sử một hệ thống chỉ hỗ trợ kênh có độ rộng 6MHz trong khi nhà cung cấp được sở hữu một dải thông có độ rộng 8MHz thì như vậy sẽ gây lãng phí mất 2MHz. Bây giờ, thay vì chỉ hỗ trợ 6MHz, hệ thống có thể hỗ trợ cả kênh có độ rộng 8MHz, như vậy nhà cung cấp dịch vụ sẽ sử dụng được toàn bộ dải thông mà mình được cấp. Tính năng làm việc được trên nhiều dải tần và cung cấp các kênh có độ rộng linh hoạt cho phép xây dựng nên các hệ thống WiMAX hiệu quả, tối ưu và phổ rộng. Nó làm cho WiMAX trở nên ưu việt hơn các công nghệ khác, thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ này. Lê Quang Đạo, CH ĐTVT 2005-2007, Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học 31 2.1.2.1 Mô tả Symbol OFDM Symbol OFDM trong miền tần số Một OFDM Symbol được tạo thành từ các sóng mang con, số sóng mang con trong một symbol quyết định kích thước FFT sử dụng. OFDM Symbol gồm tất cả các thông tin mà các sóng mang con vận chuyển sau một biến đổi FFT. Trong một symbol có ba loại sóng mang con: sóng mang con dữ liệu dùng để truyền dữ liệu, sóng mang con dẫn đường cho mục đích dự báo sự thay đổi và sóng mang con rỗng sẽ không truyền bất cứ gì, được dùng để làm khoảng bảo vệ. Cấu trúc symbol trong miền tần số có dạng như hình 2.4: Hình 2.4 Cấu trúc symbol trong miền tần số Symbol OFDM trong miền thời gian Cấu trúc theo miền thời gian của symbol có dạng như hình 2.5: Hình 2.5 Cấu trúc symbol trong miền thời gian Symbol có độ dài Ts, trong đó Tb là khoảng thời gian thực của symbol còn Tg=Ts-Tb là giá trị thêm vào để chống hiện tượng đa đường. Phần này còn được gọi là CP (Cyclic Prefix), nó có thể có các giá trị khác nhau tùy vào hệ thống. CP thường là sao chép một phần cuối của symbol. Khi khởi tạo, một SS sẽ tìm kiếm tất cả các giá trị có thể của CP cho tới khi tìm ra được giá trị CP đã được sử dụng bởi BS. SS cũng sẽ sử dụng giá trị này cho đường lên. Mỗi khi một giá trị CP được chọn bởi BS, nó không nên thay đổi vì thay đổi CP đồng nghĩa với việc các SS phải thực hiện đồng bộ lại, tìm kiếm lại CP. Lê Quang Đạo, CH ĐTVT 2005-2007, Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học 32 Định nghĩa các thông số cơ sở đặc tả symbol OFDM - BW: độ rộng băng tần của kênh - Nused: số sóng mang con được sử dụng - n: hệ số lấy mẫu. - G: tỉ số khoảng thời gian Tg so với khoảng thời gian hữu ích của symbol (Tb) Æ Các thông số được suy ra: - NFFT: kích thước biến đổi FFT (chính là số sóng mang con), > Nused NFFT = Nused + số sóng mang con bảo vệ (2 biên tần trên, dưới) +sóng mang con trung tâm - Tần số lấy mẫu: FS = floor (n . BW/8000) x 8000 - Khoảng cách giữa các sóng mang con: ∆f = FS / NFFT - Thời gian hữu ích của symbol: Tb = 1 / ∆f - Khoảng thời gian CP (Cycle Prefix): Tg = G . Tb - Thời gian tồn tại symbol OFDM: TS = Tg + Tb - Chu kì lấy mẫu = Tb / NFFT Bảng 2.2: Thông số symbol OFDM theo chuẩn 802.16-2004 Thông số Giá trị NFFT 256 Nused 200 Số sóng mang dẫn đường 8 Số sóng mang dữ liệu 192 Số sóng mang bảo vệ 55 (28 Thấp, 27 cao) G 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 Độ rộng kênh là bội của 1,75MHz: n = 8/7 Độ rộng kênh là bội của 1,5MHz: n = 86/75 Độ rộng kênh là bội của 1,25MHz: n = 144/125 Độ rộng kênh là bội của 2,75MHz: n = 316/275 Độ rộng kênh là bội của 2,0MHz: n = 57/50 n Các trường hợp khác: n = 8/7 Lê Quang Đạo, CH ĐTVT 2005-2007, Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học 33 2.1.2.2 Sơ đồ khối quá trình truyền nhận Hình 2.6 Quá trình truyền-nhận Thông tin từ lớp trên cũng như thông tin của lớp vật lý sẽ được nhồi vào các symbol. Để truyền được dữ liệu, các quá trình gồm có mã hóa kênh, điều chế OFDM thành các symbol và điều chế cao tần. Quá trình ngược lại ở bên nhận. Mã hóa kênh truyền Gồm ba quá trình nhỏ là quá trình ngẫu nhiên hóa, quá trình mã hóa sửa lỗi FEC và quá trình xen kẽ: - Quá trình ngẫu nhiên hóa (Randomization): Quá trình được gọi là ngẫu nhiên nhưng thực chất đó chỉ là sự giả ngẫu nhiên. Tức là một cụm các bit đầu vào sẽ được biến đổi sao cho xác suất xuất hiện các bit 0 và 1 là tương đương nhau, chống lại hiên tượng quá nhiều bit 0 và bit 1 cùng xuất hiện. Nhưng quá trình này có chu kì lặp lại nên trong một khoảng thời gian nhất định thì coi nó là ngẫu nhiên. Điều này có hai tác dụng. Thứ nhất, và quan trọng nhất là nó đảm bảo được sự đồng bộ với bên thu, đồng hồ bên thu sẽ dễ dàng được khôi phục hơn, qua đó sự giải điều cũng dễ hơn. Thứ hai, đối với các thiết bị mà không có được bộ giải điều chế ngẫu nhiên thì các tín hiệu này giống như các tín hiệu nhiễu, tạp (xác suất bit 1 và 0 là ngang nhau), nó sẽ không thu nhận được. - Quá trình mã hóa sửa lỗi FEC: ây là quá trình mã hóa để sửa lỗi trong trường hợp các bit bị hỏng, bị sai trên đường truyền. Trong những điều kiện truyền không tốt, dữ liệu bị hỏng, bên thu có thể dựa vào quá trình giải mã để hồi phục lại nguyên vẹn thông tin. WiMAX kết Lê Quang Đạo, CH ĐTVT 2005-2007, Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học 34 hợp cả hai loại mã sửa lỗi là mã khối và mã chập. Dữ liệu được mã hóa bằng mã khối (dùng mã Reed-Salomon), sau đó sẽ được mã hóa bằng mã chập (Convolutional Code). Bảng 2.3 dưới đây mô tả cụ thể đối với mã sửa lỗi với các lựa chọn khác nhau. Bảng 2.3: Mã sửa lỗi đối với các phương thức điều chế - Mã hóa RS(N, K, T) nghĩa là K bytes đầu vào, N bytes đầu ra và T bytes dữ liệu được sửa lỗi. - Mã hóa CC với tốc độ K/N nghĩa là ta có K bytes đầu vào và N bytes đầu ra Ví dụ khi dùng điều chế QPSK với 24byte đầu vào chưa được mã hóa. Khi qua bộ mã hóa Reed-Solomon RS (32,24,4) ta sẽ có 32byte đầu ra. Tiếp tục cho qua bộ mã hóa CC 2/3 ta sẽ có 48byte đầu ra. Như vậy số byte đầu vào là 24 và số byte đầu ra tổng cộng là 48. Kết quả ta có hệ số mã hóa chung (Overall coding rate) là 1/2. - Quá trình xen kẽ (interleaving): Đây cũng là một quá trình nhằm hỗ trợ việc khôi phục thông tin bên thu. Phòng trường hợp lỗi bit xảy ra một cụm liên tục nhau. Các cụm bit sẽ được truyền xen kẽ với nhau như hình 2.7 dưới dây: Hình 2.7 Quá trình xen kẽ Lê Quang Đạo, CH ĐTVT 2005-2007, Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học 35 Ta thấy, giả sử nếu truyền như trường hợp 1, thì sẽ có trường hợp mà cụm bit a1a2a3a4 gặp quá nhiều lỗi đến mức không thể sửa được. Thực tế khi truyền dẫn nói chung, cả không dây và có dây, so với các lỗi khác thì xác suất xảy ra lỗi cụm là lớn. Vì vậy thay vì truyền cả cụm a1a2a3a4 ta thực hiện việc xen kẽ với các cụm khác rồi mới truyền. Giả dụ mà cả cụm a1b1c1d1 bị lỗi, thì khi khôi phục xen kẽ, trong cụm a1a2a3a4 cũng chỉ có bit a1 là bị lỗi, sẽ khôi phục lại dễ dàng bằng mã sửa lỗi. Tất cả các bit dữ liệu đã mã hóa sẽ được quét xen kẽ theo khối bit, kích cỡ khối bit này phụ thuộc vào số bit mã hóa và số kênh con trong 1 symbol OFDM. Bảng 2.4 dưới đây mô tả kích cỡ khối bit xen kẽ trong WiMAX. Bảng 2.4: Kích cỡ khối bit xen kẽ 16 kênh con (Mặc định) 8 kênh con 4 kênh con 2 kênh con 1 kênh con BPSK 192 96 48 24 12 QPSK 384 192 96 48 24 16QAM 768 384 192 96 48 64QAM 1152 576 288 144 72 Điều chế OFDM Quá trình này có một số điểm cần chú ý: - Thêm các thông tin dẫn đường Thông tin dẫn đường là các thông tin được chèn thêm vào để bên nhận có thể dự đoán được kênh truyền. Nó được vận chuyển bởi các sóng mang dẫn đường. Quá trình này được thực hiện trước khi ánh xạ vào các ký hiệu BPSK. - Điều chế số Các bit sẽ được ánh xạ vào các kí hiệu BPSK, QPSK, 16QAM hoặc 64QAM tùy trường hợp. Do yêu cầu phải đảm bảo độ tin cậy, khỏe nhất nhất đối với các thông tin dẫn đường mà các thông tin này bắt buộc điều chế vào các kí hiệu BPSK. Lê Quang Đạo, CH ĐTVT 2005-2007, Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học 36 - IFFT Quá trình điều chế đa sóng mang trực giao bằng cách biến đổi Furie rời rạc ngược. Các kí hiệu BPSK, QPSK, QAM được điều chế vào các sóng mang khác nhau. WMAN-OFDM định nghĩa kích thước của FFT là 256. Với 192 sóng mang dữ liệu, 8 sóng mang dẫn đường và 55 sóng mang bảo vệ (sóng mang trung tâm không được dùng). Điều chế cao tần Các sóng mang trong quá trình điều chế OFDM tạo thành một OFDM Symbol cơ bản, nó vẫn chưa thể phát truyền đi được. Để đưa lên Anten để phát, cần phải có thêm một quá trình điều chế cao tần nữa. Quá trình nhận được thực hiện theo thứ tự ngược lại, qua các khâu giải điều chế, giải mã. 2.1.2.3 Lớp con hội tụ truyền Giữa PHY và MAC có một lớp con hội tụ truyền TC (transmission convergence). Lớp này thực hiện sự biến đổi các MAC PDU 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 TC PDU cho phép đồng bộ hóa lại MAC PDU tiếp sau trong trường hợp block FEC trước đó có những lỗi không thể phục hồi được. Không có lớp TC, một SS hay BS nhận sẽ mất toàn bộ phần còn lại của một "burst" khi một lỗi không thể sửa chữa xuất hiện. 2.1.2.4 Phương thức song công Cấu trúc điểm - đa điểm trong Fixed WiMAX hỗ trợ một cấu trúc khung với hai chế độ truyền song công TDD và FDD. Chế độ TDD Một khung TDD bao gồm một khung con đường lên và một khung con đường xuống như hình vẽ 2.8: Lê Quang Đạo, CH ĐTVT 2005-2007, Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học 37 Hình 2.8 Cấu trúc khung TDD TTG và RTG là những khoảng trống phân cách dữ liệu đường lên và đường xuống. Độ dài cho phép của khung: 2,5; 4; 5; 8; 10; 12,5 và 20ms. - Khung con đường xuống (DL Subframe) Khung con đường xuống là một đơn vị giao thức dữ liệu lớp vật lý (PHY PDU) đường xuống. Nó bao gồm mào đầu (preamble), một header điều khiển khung (FCH), và một hoặc nhiều burst dữ liệu đường xuống. Mỗi burst dữ liệu đường xuống bao gồm một hoặc nhiều MAC PDUs và có độ dài bằng một số nguyên lần độ dài của symbol OFDM. Cấu trúc một khung con đường xuống được mô tả trong hình 2.9 dưới đây: Hình 2.9 Cấu trúc khung con đường xuống TDD - Khung con đường lên (Uplink Subframe) Khung con đường lên bao gồm một hoặc nhiều PHY PDU của các SS khác nhau. Mỗi PHY PDU có một mào đầu và một burst dữ liệu. Cũng như ở đường xuống, mỗi burst dữ liệu bao gồm một hoặc nhiều MAC PDU, có độ dài bằng một số nguyên lần độ dài của symbol OFDM. Cấu trúc một khung con đường lên được mô tả trong hình 2.10 dưới đây: Lê Quang Đạo, CH ĐTVT 2005-2007, Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học 38 Hình 2.10 Cấu trúc khung con đường lên TDD. Chế độ FDD Ở chế độ FDD, khung con đường lên và đường xuống được đặt ở những tần số khác nhau. Cấu trúc khung cũng giống như cấu trúc khung con đường lên và đường xuống ở chế độ TDD. 2.2. WiMAX di động - IEEE 802.16e - 2005 Chuẩn 802.16e là phiên bản 802.16-2004 bổ sung những đặc tả cần thiết để hỗ trợ cho khả năng di động của thiết bị thu. Vì vậy, dưới đây sẽ chỉ trình bày những chức năng khác biệt được bổ sung trong lớp MAC và lớp PHY tạo nên phiên bản chuẩn 802.16e. 2.2.1 Lớp PHY 2.2.1.1 Cơ sở về OFDMA OFDM là một công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao, nó chia nhỏ băng tần thành những sóng mang con tần số khác biệt. Trong một hệ thống OFDM, chuỗi dữ liệu đầu vào được chia thành những chuỗi con song song có tốc độ thấp và mỗi chuỗi con này được điều chế và phát đi trên một sóng mang con trực giao riêng. OFDM khai thác sự đa dạng tần số của kênh truyền đa đường bằng cách mã hóa và xen kẽ thông tin được mang bởi sóng mang con trước khi truyền. Điều chế Lê Quang Đạo, CH ĐTVT 2005-2007, Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học 39 OFDM có thể được nhận dạng bằng phép biến đổi Fourier (nhanh) ngược IFFT, cho phép một số lượng lớn sóng mang con (lên tới 2048) với độ phức tạp không đáng kể. Trong hệ thống OFDM, tài nguyên sẵn có trong miền thời gian thể hiện qua symbol OFDM và trong miền tần số thể hiện ở sóng mang con. Tài nguyên thời gian và tần số có thể được tổ chức thành những kênh con (sub-channel) cấp cho những người dùng riêng. Công nghệ đa truy nhâp OFDMA là một cơ chế ghép kênh/ đa truy nhập cung cấp sự ghép những luồng dữ liệu từ nhiều người sử dụng vào những kênh con trên đường xuống và sự đa truy nhập vào mỗi kênh con ở đường lên. Cấu trúc symbol OFDMA và Kênh con hóa Cấu trúc symbol OFDMA bao gồm 3 loại sóng mang con: sóng mang con dữ liệu (data sub-carrier) cho việc truyền dữ liệu; sóng mang con dẫn đường (pilot sub- carrier) cho những mục đích ước lượng kênh và đồng bộ; sóng mang con rỗng (null sub-carrier) không mang dữ liệu mà được sử dụng làm dải bảo vệ và sóng mang một chiều DC. Hình 2.11 Cấu trúc sóng mang con OFDMA (miền tần số) Những sóng mang con dữ liệu và dẫn đường được nhóm thành NG Group. Mỗi Group có NE sóng mang con, tạo thành NE kênh con, mỗi kênh con có một sóng mang ở mỗi group. Trong hệ thống OFDMA dùng 2048 sóng mang con, đường xuống có NG = 48 sóng mang con và NE = 32 kênh con; đường lên NG = 53 sóng mang con, NE = 32 kênh con. Mã hóa, điều chế và biên độ được thiết lập riêng cho mỗi kênh con để tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên mạng. Quá trình kênh con hóa (sub-channelization) định nghĩa những kênh con được cấp phát cho những thuê bao khác nhau phụ thuộc vào điều kiện kênh truyền và nhu cầu dữ liệu của họ. Điều này đem lại cho hệ thống khả năng mềm dẻo trong quản lý Lê Quang Đạo, CH ĐTVT 2005-2007, Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học 40 băng thông và công suất phát, dẫn đến sử dụng tài nguyên hiệu quả hơn. Hiệu ứng kênh con hóa được trình bày trên hình 2.12 và 2.13. Hình 2.12 OFDM và OFDMA Hình 2.13 Hiệu ứng kênh con hoá (sub channelization) 2.2.1.2 SOFDMA (Scalable OFDMA) Hệ thống Wireless MAN OFDMA chuẩn IEEE802.16e dựa trên công nghệ SOFDMA. SOFDMA chính là công nghệ OFDMA nhưng kích thước FFT có thể thay đổi (tăng hoặc giảm). Thay đổi số điểm FFT chính là thay đổi số sóng mang Lê Quang Đạo, CH ĐTVT 2005-2007, Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học 41 con sử dụng trong một symbol, khi độ rộng băng tần thay đổi thì khoảng cách giữa các sóng mang con được giữ không đổi ở 10,94 kHz. Đối với độ rộng băng tần lớn, số sóng mang con được tăng lên; và ngược lại độ rộng băng tần hẹp thì cần giảm số sóng mang con. Điều này làm tăng hiệu suất sử dụng phổ trong những hệ thống độ rộng kênh tần số lớn, và làm giảm chi phí trong những hệ thống kênh hẹp. Thông số của SOFDMA được liệt kê trong bảng 2.5. Bảng 2.5: Thông số SOFDMA Thông số Giá trị Độ rộng băng tần hệ thống (MHz) 1,25 5 10 20 Tần số lấy mẫu (FS) (MHz) 1,4 5,6 11,2 22,4 Kích thước FFT (NFFT) 128 512 1024 2048 Số kênh con 2 8 16 32 Khoảng cách sóng mang con (∆f) 10,94 kHz Thời gian có ích của symbol (Tb = 1/f) 91,4 µs Thời gian bảo vệ (Tg = Tb/8) 11,4 µs Thời gian tồn tại symbol OFDMA (TS = Tg + Tb) 102,9 µs Số symbol OFDMA trong 1 khung 5ms 48 2.2.1.3 Các đặc tính lớp PHY cao cấp trong Mobile WiMAX Wimax di động đã đưa ra các kỹ thuật: Điều chế thích nghi và mã hoá AMC (Adaptive modulation and coding), Yêu cầu lặp lại tự động kiểu kết hợp HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request) và Phản hồi kênh nhanh CQICH (Fast Channel Feedback), để nâng cao khả năng phủ sóng, dung lượng cho Wimax trong các ứng dụng di động. Điều chế thích nghi và mã hóa AMC Trong bất kỳ mạng đa tế bào-cellular nào, thuê bao di động sẽ thử nghiệm qua các điều kiện của đường truyền phát thay đổi theo thời gian và các vị trí tương ứng. Với công nghệ OFDMA, Biểu đồ mã hoá và điều chế nhất định có thể thích ứng trên mỗi thuê bao tùy theo các điều kiện của đường dẫn để tối đa hoá thông lượng Lê Quang Đạo, CH ĐTVT 2005-2007, Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học 42 kênh truyền, trong khi vẫn duy trì chất lượng đường truyền tới mỗi thuê bao. Với hệ thống OFDMA, các sóng mang con được điều chế với QPSK hoặc điều chế QAM hiệu quả hơn và thứ tự cao hơn – với biểu đồ điều chế tinh vi hơn, đạt được thông lượng cao hơn nhưng cũng dễ bị tác động của nhiễu và các tạp âm hơn. Bằng phương pháp điều chế thích ứng và biểu đồ mã hoá lỗi, việc đáp ứng tỉ lệ này