kl dang thanh lai 910537d

Mặc dù hiện tại công nghệ mạng điện thoại tế bào 3G và mạng LAN không dây đã hỗ trợ các phiên bản sơ cấp của các dịch vụ tin tức thời gian thực, nghe nhạc trực tuyến và xem phim theo yêu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo khoa Điện – Điện Tử, các thầy

cô trong bộ môn Viễn Thông và nhất là PGS.TS Phạm Hồng Liên, người đã hướng dẫn chúng em thực hiện đề tài tốt nghiệp này Cô đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện tốt nhất để em hoàn thành công việc được giao Những kiến thức mà

em tích lũy được trong quá trình làm luận văn sẽ giúp ích cho em trong việc học tập

và làm việc sau này.

Em xin cảm gia đình và tất cả bạn bè đã giúp đỡ và đóng góp những ý kiến quý báu trong quá trình thực hiện luận văn Đó là nguồn động viên em trong thời gian thực hiện đề tài tốt nghiệp này.

TP.Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2010

Sinh viên thực hiện

Đặng Thành Lai

TP.Hồ Chí Minh, ngày …tháng…năm 2010

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG WIMAX 1

1.1 Nhu cầu truyền dữ liệu không dây 1

1.2 Những loại mạng dữ liệu không dây khác nhau 2

1.3 WiMAX là gì 3

1.4 Tiêu chuẩn IEEE 802.16 4

1.4.1 Chuẩn hóa công nghệ WiMAX 4

1.4.2 Đặc tính kỹ thuật của chuẩn IEEE 802.16 5

1.5 Kiến trúc của mạng WiMAX 6

1.6 Đặc điểm lớp vật lý 8

1.6.1 OFDM 9

1.6.2 OFDMA 10

1.6.3 AAS 10

1.6.4 MIMO 10

1.6.5 AMC 11

1.6.6 Kỹ thuật sửa lỗi trước (FEC) 12

1.6.7 Sử dụng lại tần số 12

1.6.8 HARQ 12

1.7 Đặc điểm lớp MAC 12

1.7.1 Phân lớp hội tụ chuyên biệt dịch vụ 15

1.7.2 Phân lớp phần chung MAC 16

1.7.3 Phân lớp bảo mật 32

1.8 Ứng dụng của WiMAX 33

1.8.1 Mạng dùng riêng 34

1.8.2 Các mạng phục vụ cộng đồng 36

1.9 Tình hình phát triển WiMAX trên thế giới 36

CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM 38

2.1 Giới thiệu về OFDM 38

2.1.1 Nguyên lí cơ bản của OFDM 38

2.1.2 Các ưu nhược điểm của OFDM 39

2.2 Nguyên lý điều chế OFDM 39

2.2.2 Bộ điều chế OFDM 40

2.2.3 Chèn chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM 41

2.2.4 Phép nhân xung cơ bản và giới hạn băng thông 43

2.2.5 Thực hiện điều chế OFDM bằng thuật toán IFFT 44

2.3 Nguyên lý giải điều chế OFDM 45

2.3.1 Tín hiệu giải điều chế 46

2.3.2 Thực hiện bộ giải điều chế OFDM bằng thuật toán FFT 47

CHƯƠNG 3 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ VoIP 48

3.1 Giới thiệu 48

3.2 Nguyên lý làm việc 49

3.3 Số hóa tín hiệu analog 49

3.4 Một số giao thức chính 53

CHƯƠNG 4 CHẤT LƯỢNG CUỘC GỌI VoIP 57

4.1 Điểm số ý kiến trung bình MOS 57

4.2 R-Score 58

4.2.1 Tỉ số tín hiệu trên nhiễu cơ bản, R0 59

4.2.2 Hệ số tổn hao đồng thời, Is 60

4.2.3 Hệ số suy hao trễ, Id 61

4.2.4 Hệ số suy hao thiết bị, Ie 62

4.2.5 Hệ số thuận lợi, A 63

4.2.6 Giá trị mặc định 63

4.3 Đánh giá chất lượng cuộc gọi từ R-score 64

4.4 Độ nhạy trễ và mất gói của VoIP 65

4.4.1 Ảnh hưởng của độ trễ 65

4.4.2 Ảnh hưởng của độ mất gói 68

4.4.3 Độ nhạy của R-Score đối với độ trễ và độ mất gói 69

CHƯƠNG 5 ỨNG DỤNG VoIP TRONG MẠNG WiMAX 71

5.1 Xác suất khôi phục gói 71

5.1.1 Giảm tải trọng, với kích thước mã cố định 71

5.1.2 Tăng kích thước mã với tải trọng cố định 72

5.1.3 Tăng cả kích thước tải trọng lẫn kích thước mã 72

5.2 Cho phép cơ chế ARQ 72

5.4 Cấp phát động minislot 75

CHƯƠNG 6 MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 77

6.1 Giải thuật mô phỏng 77

6.1.1 Mô hình kênh truyền 77

6.1.2 Thông số mô phỏng cho VoIP 77

6.2 Kết quả mô phỏng cho VoIP 78

CHƯƠNG 7 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 86

7.1 Kết luận 86

7.2 Hướng phát triển đề tài 86

AAS Adaptive Antenna System

ACK ACKnowledgement

ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line

AMC Adaptive Modulation and Coding

ARQ Automatic Repeat-reQuest

BER Bit Error Ratio

BS Base Station

BSN Block Sequence Number

CDMA Code Division Multiple Access

CID Connection IDentifier

CPE Customer Premises Equipment

CPS Common Part Sublayer

CRC Cyclic Redundancy Check

CS Convergence Sublayer

EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution

FEC Forward Error Correction

FSN Frame Sequence Number

GPRS General Packet Radio Service

GSM Global System for Mobile CommunicationHARQ Hybrid Automatic Repeat-reQuest

LAN Local Area Network

LOS Line-Of-Sight

MAC Media Access Control

MAN Metropolitan Area Network

MIMO Multi Input Multi Output

MOS Mean Opinion Score

MPDU MAC Protocol Data Unit

MSDU MAC Service Data Unit

OFDM Orthogonal Frequency Division MultiplexingOFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple AccessPAN Personal Area Network

PDA Personal Digital Assistant

PHY Physical

PSTN Public Switched Telephone Network

QAM Quadrature Amplitude Modulation

QoS Quality of Service

QPSK Quadature Phase Shift Keying

RTP Real-time Transport Protocol

SS Subscriber Station

TDD Time Division Duplex

TDMA Time Division Multiple Access

UDP User Datagram Protocol

UGS Unsolicited Grant Service

UMTS Universal Mobile Telecommunications SystemUWB Ultra Wideband

VoIP Voice over Internet Protocol

WAN Wide Area Network

WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access

Hình 1.1 Sự phát triển của dịch vụ dữ liệu không dây 1

Hình 1.2 Minh họa các loại mạng không dây .2

Hình 1.3 Diễn đàn WiMAX 4

Hình 1.4 Kiến trúc mạng WiMAX 6

Hình 1.5 Mô hình tham chiếu mạng WiMAX 7

Hình 1.6 Các thành phần trong mạng WiMAX 7

Hình 1.7 Quy trình truyền dữ liệu lớp vật lý OFDM 8

Hình 1.8 Quy trình truyền dữ liệu lớp vật lý OFDMA 8

Hình 1.9 Cấu trúc frame OFDMA (TDD) 10

Hình 1.10 Các loại điều chế dùng trong WiMAX 11

Hình 1.11 Điều chế BPSK 11

Hình 1.12 đồ sử dụng lại tần số trong WiMAX 12

Hình 1.13 Lớp MAC của WiMAX với SAP 14

Hình 1.14 Sự phân loại và gán CID (BS đến SS) 15

Hình 1.15 Sự phân loại và gán CID (SS đến BS) 16

Hình 1.16 Định dạng IP CS PDU không có header suppression 16

Hình 1.17 Định dạng IP CS PDU có header suppression 16

Hình 1.18 Định dạng MAC PDU 17

Hình 1.19 Định dạng header tổng quát 19

Hình 1.20 Định dạng bản tin quản lý 23

Hình 1.21 Xây dựng MAC PDU 24

Hình 1.22 Sự ghép nối MAC PDU 25

Hình 1.23 Một MSDU hình thành nhiều MPDU 26

Hình 1.24 Nhiều MSDU hình thành một MPDU 26

Hình 1.25 Gộp chung MAC SDU chiều dài cố định vào trong một MAC PDU 27

Hình 1.26 Gộp chung MAC SDU chiều dài biến đổi vào trong một MAC PDU 28

Hình 1.27 Gộp chung và phân mảnh 29

Hình 1.28 Ví dụ MAC PDU với fragmentation subheader mở rộng 29

Hình 1.29 Ví dụ MAC PDU với ARQ packing subheader 29

Hình 1.30 Định dạng frame ARQ 30

Hình 1.32 Minh họa một số ứng dụng dặm cuối của WiMAX 33

Hình 2.1 Phương pháp điều chế đa sóng mang 38

Hình 2.2 Sơ đồ bộ điều chế OFDM 40

Hình 2.3 Phổ các sóng mang con trong hệ thống OFDM 41

Hình 2.4 Chèn khoảng dự trữ vào ký tự OFDM 42

Hình 2.5 Tác dụng chống nhiễu ISI của khoảng dự trữ 43

Hình 2.6 Phổ tín hiệu OFDM 1536 sóng mang phụ 44

Hình 2.7 Thực hiện OFDM bằng thuật toán IFFT 45

Hình 2.8 Sơ đồ bộ giải điều chế 46

Hình 2.9 Sơ đồ khối bộ giải điều chế OFDM sử dụng thuật toán FFT 47

Hình 3.1 Kiến trúc VoIP đơn giản hóa 48

Hình 3.2 Lấy mẫu (sampling) 50

Hình 3.3 Lượng tử hóa (Quantization) 51

Hình 3.4 Điều chế PCM 51

Hình 3.5 Đóng gói dữ liệu thoại 52

Hình 3.6 Giao thức VoIP 54

Hình 3.7 Nén RTP header 55

Hình 3.8 Dùng CRTP để nén header 56

Hình 4.1 Kết nối tham chiếu của E-model 59

Hình 4.2 Hàm MOS theo R 65

Hình 4.3 Đồ thị I d theo d 67

Hình 4.4 I e đối với codec G.729a dưới điều kiện mất gói ngẫu nhiên 68

Hình 4.5 Độ nhạy của R-score đối với độ trễ và độ mất gói 69

Hình 4.6 R-score theo độ trễ 70

Hình 4.7 R-score theo độ mất gói 70

Hình 6.1 R-score theo số luồng VoIP 78

Hình 6.2 MOS theo số luồng VoIP 78

Hình 6.3 R-score với lưu lượng dữ liệu cạnh tranh 79

Hình 6.4 MOS với lưu lượng dữ liệu cạnh tranh 80

Hình 6.5 Suy hao mất gói không có gộp chung 81

Hình 6.7 Suy hao trễ không có gộp chung 82

Hình 6.8 Suy hao trễ có gộp chung 82

Hình 6.9 R-score theo tỉ lệ lỗi có và không có gộp chung 83

Hình 6.10 MOS theo tỉ lệ lỗi có và không có gộp chung 84

Hình 6.11 R-score theo số luồng không có gộp chung 85

Hình 6.12 R-score theo số luồng có gộp chung 85

Đặt vấn đề

Mặc dù dịch vụ truyền số liệu ngày càng phổ biến nhưng dịch vụ truyềnthoại vẫn là nguồn doanh thu chính của nhà cung cấp dịch vụ mạng Hai loại mạngcung cấp dịch vụ thoại phổ biến nhất là mạng điện thoại cố định PSTN (PublicSwitched Telephone Network) và mạng điện thoại di động Việc triển khai hai côngnghệ mạng này đòi hỏi cơ sở hạ tầng rất đắt tiền Do đó, người ta ra sức tìm kiếmcác giải pháp khác để có thể cung cấp dịch vụ thoại chất lượng tốt với chi phí thấp

hơn Sử dụng cơ sở hạ tầng IP có sẵn là một giải pháp có chi phí thấp Giao thứcdùng để truyền tín hiệu thoại trong mạng IP được gọi là giao thức VoIP (Voice over

IP)

Chúng ta gặp phải nhiều khó khăn khi nghiên cứu triển khai các ứng dụngthời gian thực trên mạng Internet Những dịch vụ như VoIP đòi hỏi sự bảo đảm chất

lượng dịch vụ tối thiểu Trong khi đó, mạng IP lại có cấu trúc nỗ lực tối đa nghĩa là

không có bất cứ một sự bảo đảm nào về chất lượng dịch vụ hay độ ưu tiên Xác suấtmất gói và độ trễ tùy thuộc vào hiện trạng tải trên mạng Mặc dù một số bộ mã hóa

có khả năng hạn chế lỗi ở một mức độ nào đó nhưng chất lượng cuộc gọi VoIP vẫncòn nhạy đối với sự giảm sút công năng trong mạng Duy trì những cuộc gọi VoIPchất lượng tốt lại trở nên thách thức hơn khi mạng IP được mở rộng sang lĩnh vựckhông dây, thông qua mạng LAN không dây dựa trên chuẩn 802.11 hay mạng điệnthoại tế bào thế hệ thứ ba (3G) Việc cung cấp các dịch vụ trong mạng không dâytrở nên cấp thiết vì nhu cầu sử dụng dịch vụ thời gian thực qua mạng không dây làrất cao Mặc dù hiện tại công nghệ mạng điện thoại tế bào 3G và mạng LAN không

dây đã hỗ trợ các phiên bản sơ cấp của các dịch vụ tin tức thời gian thực, nghe nhạc

trực tuyến và xem phim theo yêu cầu, nhưng lại không có khả năng đáp ứng nhucầu sử dụng rộng rãi và đòi hỏi băng thông cao cho những chương trình ứng dụngmultimedia này Ngoài ra, hầu hết công nghệ truy cập đều không có đặc tính phânbiệt nhu cầu của từng ứng dụng cụ thể Cùng với sự phát triển nhanh chóng của

công nghệ không dây, nhiệm vụ cung cấp kết nối đoạn đường cuối băng rộng vẫn

còn là một thử thách Đoạn đường cuối là thuật ngữ chỉ kết nối từ mạng của nhàcung cấp dịch vụ đến người dùng gia đình hoặc doanh nghiệp Trong số những côngnghệ truy cập băng rộng không dây đang được phát triển, WiMAX (WorldwideInteroperability for Microwave Access) có lẽ là đối thủ nặng ký nhất

Nội dung nghiên cứu

Chất lượng cuộc gọi VoIP được đánh giá bằng thông số R-score R-score phụthuộc chủ yếu vào độ mất gói và độ trễ Nghiên cứu cho thấy độ mất gói thì nhạy

hơn độ trễ, do đó, tôi cố gắng khôi phục càng nhiều gói bị mất càng tốt, với cái giá

phải trả là làm tăng độ trễ, miễn sao đáp ứng được độ trễ vẫn nằm trong giới hạnchấp nhận

Các tính năng uyển chuyển của lớp MAC của WiMAX được khai thác để

xây dựng một cách linh động và phát đi các MPDU (MAC protocol data unit) giúp

hỗ trợ nhiều cuộc gọi VoIP trên một kết nối WiMAX đơn

Tôi dùng aggregation (ghép nhiều MSDU vào chung một MPDU) để tạo ra

các MPDU có kích thước biến đổi tùy thuộc vào điều kiện tốt xấu của kênh truyền

điều chỉnh kích thước payload MPDU (phần chứa thông tin thoại trong MPDU)

và/hoặc mã FEC (Forward Error Correction)

Phương thức thay đổi kích thước MPDU sao cho phù hợp với điều kiện kênh

truyền và/hoặc minislot làm tăng xác suất khôi phục gói dữ liệu, từ đó làm tăng số

lượng cuộc gọi VoIP và chất lượng của các cuộc gọi đó Việc làm giảm được số lần

phát lại các gói bị mất hoặc bị lỗi sẽ làm giảm độ trễ, một yếu tố ảnh hưởng nhiều

đến chất lượng cuộc gọi VoIP

Tôi thực hiện chương trình mô phỏng bằng Matlab để kiểm chứng giải pháp

đề xuất

Cấu trúc luận văn: Luận văn gồm 3 phần chính.

Phần 1: Lý thuyết tổng quan

Chương 1: Tổng Quan Về Mạng WiMAX

Chương này sẽ đánh giá tổng quan về ứng dụng của WiMAX Trước hết, các

kiến trúc mạng và công nghệ không dây sẽ được đề cập đến để làm rõ WiMAXthuộc phạm vi ứng dụng mạng đô thị WMAN (Wireless Metropolitan Area

Network) Sau đó một số đặc điểm của công nghệ không dây WiMAX sẽ được trình

bày nhằm nêu rõ khả năng ứng dụng của WiMAX Chương này cũng đưa ra các giảipháp ứng dụng khác nhau của WiMAX

Chương 2: Kỹ thuật điều chế OFDM

Trong chương 2 sẽ trình bày những khái niệm cơ bản, ưu nhược điểm,

nguyên lý điều chế và giải điều chế của kỹ thuật điều chế OFDM Qua đó chúng ta

sẽ thấy được những ưu điểm của kỹ thuật này khi được ứng dụng trong công nghệWiMAX

Chương 3: Tổng Quan Về Công Nghệ VoIP

Chương này giới thiệu về nguyên lý làm việc của dịch vụ VoIP và một số

giao thức chính

Phần 2: Đánh giá chất lượng cuộc gọi trong Wimax

Chương 4: Chất Lượng Cuộc Gọi VoIP

Trong chương này, tôi khảo sát tác động của độ trễ và độ mất gói lên

R-score, một đại lượng dùng để đánh giá chất lượng cuộc gọi VoIP

Chương 5: Ứng Dụng VoIP Trong Mạng WiMAX

Dựa trên kết quả khảo sát ở chương 4, tôi xây dựng quy trình tạo ra MPDU

thích nghi trong chương 5

Phần 3: Kết quả mô phỏng và hướng phát triển của đề tài

Chương 6: Mô Phỏng và Kết Quả

Kỹ thuật đề nghị được đánh giá thông qua chương trình mô phỏng thực hiệnbằng MATLAB, trong đó chú ý đến sự nâng cao giá trị R-score

Chương 7: Kết luận và hướng phát triển của đề tài

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ MẠNG WIMAX

1.1 Nhu cầu truyền dữ liệu không dây

Từ những thập kỷ cuối của thế kỷ 20, mạng dữ liệu đã phát triển ổn định.Sau khi mạng Internet cố định được lắp đặt và mở rộng ở nhiều nơi trên thế giới,nhu cầu truy cập không dây trở nên quan trọng hơn Vì thế không còn nghi ngờ gìnữa, việc truy cập dữ liệu không dây tốc độ cao, tầm Mbps, sẽ được triển khai rộngkhắp trên toàn cầu

Cuối thế kỷ 19, phương trình Maxwell đã chỉ ra rằng việc truyền thông tin cóthể đạt được mà không cần phải có dây Vài năm sau đó, những thí nghiệm củaMarconi chứng minh rằng truyền dẫn không dây hoàn toàn thực tế và có thể truyền

ở khoảng cách xa Suốt thế kỷ 20, những phát minh và khám phá lớn trong ngànhđiện tử tạo ra nhiều giải pháp cho hệ thống truyền dẫn không dây

Hình 1.1 Sự phát triển của dịch vụ dữ liệu không dây.

Vào những năm 1970, Bell Labs đã đề nghị khái niệm tế bào, một ý tưởng kỳdiệu cho phép phủ sóng một vùng rộng lớn sử dụng một băng tần cố định Từ đó,nhiều công nghệ không dây đã phát triển mạnh, thành công nhất cho đến nay làGSM (The Global System for Mobile Communication) GSM là một công nghệ

được sử dụng chủ yếu cho truyền thoại, thêm vào đó là truyền dữ liệu tốc độ thấp

chẳng hạn như là tin nhắn SMS (Short Message Service)

Dựa trên nền GSM, có hai công nghệ truyền dữ liệu tốc độ khá cao, đó là:

 GPRS (General Packet Radio Service): dịch vụ chuyển mạch gói trong mạngGSM, tốc độ 56-114 kbps

 EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution): được nâng cấp từ GPRS

cho phép truyền dữ liệu với tốc độ có thể lên đến 384 kbps

Bên cạnh GSM, hệ thống tế bào thế hệ thứ 3 (3G), như UMTS và CDMA2000

đã được triển khai và có nhiều hứa hẹn

Hệ thống tế bào phải phủ sóng những vùng rộng lớn, cỡ như một đất nước Cónhững mạng truy cập không dây khác, ban đầu được đề nghị cho LAN (Local Area

Network) nhưng cũng có thể được sử dụng cho mạng diện rộng

1.2 Những loại mạng dữ liệu không dây khác nhau

Một số lượng lớn công nghệ truyền dẫn không dây đang tồn tại, những hệthống khác vẫn còn đang được thiết kế Những công nghệ này có thể được phânphối trên những họ mạng khác nhau Trong hình 1.2, chúng ta thấy các loại mạngkhông dây cùng với các công nghệ nổi tiếng nhất cho mỗi loại mạng

Hình 1.2 Minh họa các loại mạng không dây.

PAN (Personal Area Network) là một mạng dữ liệu không dây được sử dụng

để giao tiếp giữa những thiết bị gần người dùng Phạm vi của PAN là khoảng vàimét, nói chung là dưới 10m, mặc dù một số công nghệ WPAN có thể truyền xa hơn

Một số ví dụ công nghệ WPAN là Bluetooth, UWB và Zigbee

LAN (Local Area Network) là mạng dữ liệu được sử dụng cho giao tiếp giữa

các thiết bị như máy tính, điện thoại, máy in và PDA (Personal Digital Assistant).Mạng này phủ sóng một khu vực tương đối nhỏ, như một ngôi nhà, một văn phònghay một khuôn viên nhỏ Phạm vi của LAN khoảng 100m Hiện tại các mạng LAN

được sử dụng nhiều nhất là Ethernet (LAN cố định) và WiFi (Wireless LAN, hay

WLAN)

MAN (Metropolitan Area Network) là mạng dữ liệu có thể phủ sóng lên đến

vài km, điển hình là một trường học lớn hay một thành phố Ví dụ như một trườngđại học có một mạng MAN được liên kết từ nhiều mạng LAN, mỗi mạng LAN phủ

sóng khoảng 1/2 km2 Từ mạng MAN này, trường đại học có thể liên kết với nhiềumạng MAN khác hình thành nên một mạng WAN Những ví dụ về công nghệ MAN

là FDDI (Fiber-Distributed Data Interface), DQDB (Distributed Queue Dual Bus)

và Ethernet-based MAN WiMAX cố định có thể được xem như là một mạng MANkhông dây (WMAN)

WAN (Wide Area Network) là mạng dữ liệu phủ sóng một vùng địa lý rộng

lớn, cỡ một quốc gia Mạng WAN dựa trên những kết nối LAN, cho phép ngườidùng ở thành phố này có thể giao tiếp với người dùng ở thành phố khác Thông

thường, một mạng WAN bao gồm nhiều node chuyển mạch Những kết nối này sử

dụng kênh thuê riêng, phương pháp chuyển mạch mạch và chuyển mạch gói Hiệntại mạng WAN được sử dụng nhiều nhất là mạng Internet Những ví dụ khác là

mạng WiMAX di động và 3G, chúng được gọi là mạng WAN không dây Mạng

WAN thường có tốc độ truyền dữ liệu nhỏ hơn nhiều so với LAN (ví dụ như

Internet và Ethernet)

1.3 WiMAX là gì

Công nghệ WiMAX, hay còn gọi là chuẩn 802.16 là công nghệ không dây

băng thông rộng đang phát triển rất nhanh với khả năng triển khai trên phạm vi rộng

và được coi là có tiềm năng to lớn để trở thành giải pháp “dặm cuối” lý tưởng nhằm

mang lại khả năng kết nối Internet tốc độ cao tới các gia đình và công sở

Trong khi công nghệ quen thuộc Wi-Fi (802.11a, b và g) mang lại khả năngkết nối tới các khu vực nhỏ như trong văn phòng hay các điểm truy cập công cộnghotspot, công nghệ WiMAX có khả năng phủ sóng rộng hơn, bao phủ cả một khuvực thành thị hay một khu vực nông thôn nhất định Công nghệ này có thể cung cấpvới tốc độ truyền dữ liệu đến 75 Mbps tại mỗi trạm phát sóng với tầm phủ sóng từ 2

km đến 10 km Với băng thông như vậy, công nghệ này có đủ khả năng để hỗ trợ

cùng lúc (thông qua một trạm phát sóng đơn lẻ) khả năng kết nối của hơn 60 doanhnghiệp với tốc độ kết nối của đường T1/E1 và hàng trăm gia đình với tốc độ kết nốiDSL

Ngày nay, tỷ lệ người truy cập băng rộng còn rất ít, chưa tới 20% dân số thếgiới Tại sao? Có thể giải thích điều này là do các công nghệ đang tồn tại như DSL,cáp và vô tuyến cố định có các hạn chế như chi phí lắp đặt cao, tốc độ đường lêncòn thấp, giới hạn ở tầm nhìn thẳng (LOS) và tính hướng mở kém Chính vì sự hạnchế này mà cần có giải pháp truy cập không dây Internet băng rộng cố định, di động

có thể thay thế những công nghệ hiện nay và truy cập bất cứ nơi đâu và bất cứ khinào với tốc độ cao Giải pháp đó chính là công nghệ truy cập vô tuyến băng rộngWiMAX

Sự bùng nổ mạng WLAN ở Mỹ và Châu Âu đã cho thấy nhu cầu về mạng

không dây đặc biệt là truy cập Internet không dây là rất lớn Trong khi nhu cầu đối

với các dịch vụ băng thông rộng trên toàn thế giới ngày càng gia tăng, WiMAXchính là giải pháp tiềm năng giúp cho hàng triệu người có thể truy cập Internet băngthông rộng mà không cần dây nối ở khoảng cách xa

WiMAX là công nghệ mới, do IEEE phát triển nhằm giải quyết các vấn đềtrong mạng vô tuyến băng rộng điểm – điểm, điểm – đa điểm WiMAX có nhiều

ứng dụng, như kết nối xa cho nhà riêng và cơ sở kinh doanh và kết nối đường trục

giữa các điểm truy cập nóng của mạng WiFi

Có thể nói rằng WiMAX hoạt động tương tự như mạng LAN không dây

WiFi nhưng với tốc độ cao hơn, khoảng cách xa hơn và số lượng người sử dụng

nhiều hơn Công nghệ này có thể giúp “phủ sóng” những khu vực không có dịch vụ

Internet băng rộng ở các vùng ngoại ô và nông thôn

WiMAX là viết tắt của thuật ngữ Worldwide Interoperability for Microwave Access (Khả năng tương tác cho truy cập bằng vi ba toàn cầu) là hệ thống truy nhập

vi ba có tính tương tác toàn cầu dựa trên cơ sở tiêu chuẩn kỹ thuật IEEE 802.16

Tiêu chuẩn này do hai tổ chức quốc tế đưa ra: Tổ công tác 802.16 trong ban tiêuchuẩn IEEE 802, và Diễn đàn WiMAX Tổ công tác IEEE 802.16 chỉ định ra các

tiêu chuẩn; còn Diễn đàn WiMAX cung cấp chứng nhận sự phù hợp, sự tương thích

và tính khả thi của các sản phẩm IEEE 802.16

các ăng ten đặt cố định tại nhà các thuê bao Dải tần công tác (theo quy định

và phân bổ của quốc gia) trong khoảng 2,5GHz hoặc 3,5GHz

 Mô hình ứng dụng di động: Sử dụng các thiết bị phù hợp với tiêu chuẩnIEEE 802.16e Tiêu chuẩn 802.16e bổ sung cho tiêu chuẩn 802.16-2004

hướng tới những người dùng di động, làm việc trong băng tần thấp hơn

6GHz Tiêu chuẩn IEEE 802.16e mới được thông qua trong năm 2005

1.4 Tiêu chuẩn IEEE 802.16

1.4.1 Chuẩn hóa công nghệ WiMAX

Tháng 7/1999, IEEE thành lập nhóm công tác về truy cập vô tuyến băng rộnggọi tắc là BWA để xây dựng chuẩn mạng MAN vô tuyến có khả năng ứng dụngtoàn cầu

Kết quả, sau hai năm làm việc nhóm công tác này công bố chuẩn đầu tiênhoạt động ở băng tần 10-66 GHz được chấp nhận vào 12/2001

Bộ tiêu chuẩn IEEE 802.16 về “giao diện vô tuyến cho hệ thống truy cập vôtuyến băng rộng cố định” được công bố vào ngày 8/4/2002

Nhóm nghiên cứu bổ sung sửa đổi chuẩn 802.16, mở rộng sang băng tần cấpphép và không cấp phép từ 2-11 GHz và đã được nhóm làm việc IEEE 802.16, và

sau đó là ủy ban quản lý IEEE 802, chấp nhận làm chuẩn IEEE 802.16a vào29/1/2003 và được công bố vào 01/04/2003

Nhóm nghiên cứu bổ sung sửa đổi chuẩn 802.16 phát triển hồ sơ hệ thống

băng tần 10-66 GHz đã được Ủy ban tiêu chuẩn IEEE chấp nhận như chuẩn 802.16c

vào ngày 11/12/2002

Dự án 802.16d được thay thế bởi 802.16-RE-VD được Ủy ban tiêu chuẩnIEEE chấp nhận vào ngày 11/09/2003 và công bố như chuẩn IEEE 802.16-2004thay thế cho các bộ tiêu chuẩn 802.16-2001, 802.16c-2002 và 802.16a-2003.

Dự án 802.16e về lớp MAC và lớp vật lý cho di động và cố định ở băng tầncấp phép, được Ủy ban tiêu chuẩn IEEE chấp nhận vào 07/12/2005 và chờ đượccông bố vào 01/2006

Dự án 802.16f về quản lý thông tin được Ủy ban tiêu chuẩn IEEE chấp nhậnvào 22/09/2005 và công bố vào ngày 01/12/2005

Dự án 802.16g về quản lý thủ tục và dịch vụ, dự án 802.16h đang phát triển.Tháng 3/2002, IEEE thành lập nhóm nghiên cứu về truy cập vô tuyến băngrộng di động gọi tắt là MBWA

Phiên bản tiêu chuẩn đầu tiên của WiMAX là 802.16 tập trung vào băng tần10-66 GHz; phiên bản mới hơn là 802.16a hoạt động trên phổ tần 2-11 GHz Kếthợp cả hai 802.16 và 802.16a là một sơ đồ điều chế sóng mang đơn giản cho đườngliên kết LOS ở băng tần lớn hơn 10 GHz Ngoài ra, việc kết hợp này còn định nghĩahai giao thức điều khiển truy cập môi trường khác nhau: OFDM cho đường liên kếtNLOS duới 11 GHz và TDD/ FDD Bộ tiêu chuẩn trên không định nghĩa cụ thểQoS và các thuật toán lập trình cho các đường liên kết

1.4.2 Đặc tính kỹ thuật của chuẩn IEEE 802.16

 Tần số sóng mang < 11 GHz Băng tần được xem xét là 2,5GHz, 3,5 GHz,5,7 GHz

 OFDM 802.16 chủ yếu được xây dựng trên kỹ thuật truyền dẫn OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) cho hiệu quả sử dụng tàinguyên vô tuyến cao

 Tốc độ dữ liệu Một con số hợp lý là 10Mbps Những bài báo cáo đã chonhững con số mong đợi lên đến 70Mbps hoặc thậm chí là 100Mbps Nhữnggiá trị này đạt được ở trạng thái tốt nhất của kênh truyền vô tuyến và dung

lượng tế bào rất nhỏ

 Khoảng cách Lên đến 20 km, ít hơn một chút cho thiết bị trong nhà

Bảng 1.1 Dữ liệu cơ bản của chuẩn IEEE 802.16

802.16 802.16-2004 802.16e-2005 Trạng thái Hoàn chỉnh

12/2001

Hoàn chỉnh06/2004

Hoàn chỉnh12/2005

WiMAX Không 256-OFDM WiMAX

Để thiết lập một mạng WiMAX ta cần có các trạm phát BS (giống BTS của

mạng thông tin di động) Nhiều BS sẽ được kết nối, quản lý bởi một ASN (AccessService Network) gateway ASN Gateway này là thực thể miêu tả trong WiMAXForum, tuy nhiên, trong các mạng triển khai thực tế thì người ta hay gọi là WAC(WiMAX (hay Wireless) Access Controller) Nhiều WAC tập hợp lại tạo thành mộtASN Nếu so sánh với mạng thông tin di động thì WAC/ASN GW giống như làBSC/RNC Nhiều ASN có thể kết nối với nhau thông qua giao diện R4

Hình 1.5 Mô hình tham chiếu mạng WiMAX

Nhiều ASN của cùng một nhà mạng tạo thành một NAP (Network AccessProvider) Nhiều nhà cung cấp khác nhau sẽ có thể triển khai nhiều mạng truy nhậpkhác nhau, rồi chúng sẽ cùng kết nối với một hoặc nhiều CSN (Core ServiceNetwork)

ASN định nghĩa một đường biên logic và biểu diễn theo một cách thuận lợi

để mô tả tập hợp các thực thể chức năng và các luồng bản tin tương ứng kết hợp với

các dịch vụ truy cập ASN biểu diễn đường biên cho chức năng liên kết nối với cácmạng WiMAX khách, các chức năng dịch vụ kết nối WiMAX và tập các chức năngcủa nhiều nhà cung cấp khác nhau

Hình 1.6 Các thành phần trong mạng WiMAX

CSN được định nghĩa là một tập các chức năng mạng cung cấp các dịch vụ

kết nối IP cho các thuê bao WiMAX Một CSN có thể gồm các phần tử mạng nhưrouter (bộ định tuyến), máy chủ/proxy nhận thực AAA, máy chủ DHCP, MIP HA,

hệ thống hỗ trợ tính cước, hệ thống hỗ trợ vận hành khai thác, dịch vụ IMS, dịch vụnội dung, cơ sở dữ liệu người dùng và thiết bị cổng liên mạng Một CSN có thể

được triển khai như một phần của nhà cung cấp dịch vụ mạng WiMAX

1.6 Đặc điểm lớp vật lý

Yêu cầu đặc biệt và cấp thiết nhất của lớp vật lý 802.16 là nó phải cung cấphiệu suất cao mà vẫn giữ được độ phức tạp thấp Những ứng dụng như VoIP yêucầu tính linh hoạt cho truyền packet hướng xuống hỗ trợ nhiều người dùng với

thông lượng thay đổi 802.16 còn hỗ trợ đa truy cập trên chiều truyền dữ liệu hướnglên Điều chế đa sóng mang có nhiều lợi điểm vì nó cho phép điều khiển tín hiệu

trong cả miền tần số lẫn miền thời gian Do đó, chuẩn 802.16 được dựa trên OFDM

OFDM được chọn vì có hiệu suất NLOS (non line of sight) cao hơn so với các kỹ

thuật khác như SC (single carrier) và CDMA (code division multiple access) Điềunày cho phép việc đơn giản hóa thiết kế bộ cân bằng để hỗ trợ hoạt động trong môi

trường truyền sóng đa đường

Quy trình truyền dữ liệu lớp vật lý của OFDM và OFDMA được minh họatrong hình 1.7 và hình 1.8 Các khối hầu như giống nhau chỉ thêm vào khốiRepetition trong OFDMA Khối Modulation gồm 1 trong 4 loại điều chế số BPSK,QPSK, 16–QAM và 64–QAM Những symbol được điều chế sau đó được truyềntrên những sóng mang phụ trực giao OFDM

Hình 1.7 Quy trình truyền dữ liệu lớp vật lý OFDM

Hình 1.8 Quy trình truyền dữ liệu lớp vật lý OFDMA

Lớp vật lý 802.16 cung cấp tính linh hoạt cao về điều chế và mã hóa vì SS cóthể ở các khoảng cách khác nhau so với BS và do đó có thể trải nghiệm tỉ số tín hiệutrên nhiễu SNR khác nhau BS điều chỉnh một cách linh động băng thông, điều chế

và sơ đồ mã hóa để khắc phục SNR thay đổi và cung cấp hiệu suất hệ thống được

nâng cao OFDM kết hợp với kỹ thuật FEC (forward error correction), chẳng hạn

mã Reed-Solomon và mã chập, được dùng khi thực hiện lớp vật lý OFDM Đây là

định dạng đúng để đáp ứng yêu cầu cấp phát sóng mang phụ một cách hiệu quả

Kết nối vô tuyến là một kết nối biến đổi nhanh, thường chịu sự xuyên nhiễulớn Mã hóa kênh, nhiệm vụ chính là ngăn ngừa và sửa sai, phải có hiệu suất tốt đểduy trì tốc độ dữ liệu cao Quy trình mã hóa kênh 802.16 bao gồm ba bước: bộ ngẫunhiên hóa, FEC và bộ chen vào Thứ tự này được áp dụng ở bộ phát Ở bộ thu thì

làm ngược lại Phát hiện lỗi được thực hiện bằng HCS và CRC

Trong bảng 1.2, tốc độ mã hóa cùng với loại điều chế được liệt kê

IEEE 802.16 còn xem xét việc phân nhỏ kênh ở hướng lên Với hệ số phânnhỏ kênh 1/16, có thể nâng cao được 12dB Mười sáu tập 12 sóng mang phụ được

định nghĩa, ở đó một, hai, bốn, tám hay tất cả tập hợp có thể được gán cho một SS ởhướng lên Tám sóng mang pilot được sử dụng khi nhiều hơn một tập kênh conđược cấp phát Để hỗ trợ và xử lý biến đổi thời gian trong kênh truyền, chuẩn

802.16 cung cấp tùy chọn lặp preamble nhiều hơn Ở hướng lên, preamble ngắn,

được gọi là mid-amble, được lặp lại với một chu kỳ lập trình được Ở hướng xuống,

một preamble ngắn có thể được chèn vào ở đầu tất cả downlink burst bên cạnhpreamble dài ở đầu frame Một sự thực hiện bộ lập lịch BS hợp lý đảm bảo tối thiểuhóa khoảng thời gian lặp yêu cầu cho ước lượng kênh truyền

1.6.1 OFDM

OFDM – ghép kênh phân chia theo tần số trực giao là một kỹ thuật điều chế

đa sóng mang Kỹ thuật này có thể đạt được tốc độ dữ liệu rất cao, chống nhiễu giao

thoa ký tự - ISI (Inter – symbol Interference) và giải quyết được vấn đề tín hiệu đa

đường

Công nghệ OFDM chia luồng dữ liệu thành nhiều đường truyền băng hẹptrong vùng tần số sử dụng các sóng mang con trực giao với một sóng mang con

khác Những sóng mang con này sau đó ghép thành các kênh tần số để truyền vôtuyến.

1.6.2 OFDMA

OFDMA là công nghệ đa sóng mang phát triển từ công nghệ OFDM, ứngdụng như một công nghệ đa truy cập OFDMA hỗ trợ các nhiệm vụ của các sóng

mang con đối với các thuê bao nhất định Mỗi một nhóm sóng mang con được biểu

thị như một kênh con (subchannel) và mỗi thuê bao được chỉ định một hoặc nhiều

kênh con để truyền phát dựa trên mỗi yêu cầu cụ thể lưu lượng của mỗi thuê bao

Hình 1.9 Cấu trúc frame OFDMA (TDD)

OFDMA có một số ưu điểm như khả năng linh hoạt tăng, thông lượng vàtính ổn định được cải tiến Bằng việc ấn định các kênh con cho các thuê bao cụ thể,việc truyền phát từ một số thuê bao có thể xảy ra đồng thời mà không cần sự canthiệp nào, do đó sẽ giảm thiểu tác động như ảnh hưởng đa truy nhập – MAI

1.6.3 AAS

Các hệ thống ăng ten thích ghi AAS (Adaptive Antenna System) là một phầncủa lựa chọn tiêu chuẩn IEEE 802.16 AAS có khả năng điều chỉnh búp sóng chỉ tậptrung vào một hướng nhất định hoặc cũng có thể tập trung vào nhiều hướng Điềunày có nghĩa là trong khi phát tín hiệu được giới hạn theo một hướng nhất định củaphía thu, giống như một điểm sáng Còn khi thu, hệ thống AAS cũng có khả nănggiảm nhiễu đồng kênh từ các vị trí khác AAS được coi là sự phát triển của tươnglai, có khả năng cải thiện tỷ lệ tái sử dụng phổ tần và dung lượng của một mạngWiMAX

 Mã không gian – thời gian (Space Time Code – STC): Hỗ trợ phân tậptruyền như mã Alamouti để cung cấp khả năng phân tập không gian và giảm

dự trữ suy hao tín hiệu

 Ghép kênh không gian (SM): Hỗ trợ ghép kênh không gian để tận dụng tốc

độ đỉnh cao hơn và giảm thông lượng Nhờ ghép kênh không gian, nhiều

luồng sẽ được truyền trên hệ thống nhiều ăng ten Nếu phía thu cũng có hệthống nhiều ăng ten, nó có thể phân tách các luồng khác nhau để đạt được

thông lượng cao hơn so với các hệ thống đơn ăng ten

Minh họa các loại điều chế dùng trong WiMAX như hình dưới đây

Hình 1.10 Các loại điều chế dùng trong WiMAX

Ngoài ra điều chế BPSK cũng được dùng để gửi các thông báo tín hiệu

(signalling), broadcast trong hệ thống WiMAX vì nó cho 1 vùng phủ lớn nhất.Nguyên tắc "adaptive" của nó hoạt động dựa trên sơ đồ như hình dưới đây

Hình 1.11 Điều chế BPSK

1.6.6 Kỹ thuật sửa lỗi trước (FEC)

Các kỹ thuật sửa lỗi trước được áp dụng trong hệ thống WiMAX để giảm tỷ

số tín hiệu trên tạp âm yêu cầu Mã hóa sửa lỗi trước (FEC) Reed Solomon, mã hóaxoắn các thuật toán chèn ký tự được sử dụng để phát hiện và sửa lỗi nhằm cải thiện

thông lượng của hệ thống

1.6.7 Sử dụng lại tần số

Liên quan đến vấn đề sử dụng lại tần số trong WiMAX, thì hệ số sử dụng lại

tần số của WiMAX là 1 Tức là dãy tần số dùng trên 2 cells kề nhau là như nhau.Chúng ta sẽ nói rằng như thế sẽ bị nhiễu (interference) Vì trong WiMAX sử dụngOFDMA, và mỗi một user sẽ được phân bổ một số tấn số + symbol time nhất định(gọi là zone/chunk) Như thế để tránh nhiễu thì các user ở bìa của những cell gầnnhau sẽ được phân bố các tần số khác nhau Đó chính là khái niệm fractional freqreuse Xem hình minh họa dưới đây để rõ hơn

Hình 1.12 đồ sử dụng lại tần số trong WiMAX

1.6.8 HARQ

WiMAX cũng hỗ trợ HARQ HARQ được phép sử dụng giao thức “Dừng và

Đợi” N kênh để cung cấp khả năng đáp ứng nhanh để đóng gói lỗi và cải tiến khảnăng phủ sóng đường biên cell Ngoài ra để cải thiện hơn nữa sự ổn định của đường

truyền, một kênh dành riêng ACK cũng được cung cấp ở đường lên để báo hiệuACK/NACK của HARQ Hoạt động đa kênh HARQ cũng được hỗ trợ

1.7 Đặc điểm lớp MAC

Lớp MAC của chuẩn IEEE 802.16 được thiết kế cho những ứng dụng truycập không dây băng rộng điểm-đa điểm Nhiệm vụ cơ bản của lớp MAC WiMAX làcung cấp một giao diện giữa những lớp cao hơn và lớp vật lý

Lớp MAC nhận packet từ lớp bên trên, những packet này được gọi là MSDU

(MAC service data units), và đưa chúng vào trong MPDU (MAC protocol dataunits) để phát trong không khí Đối với phía thu, lớp MAC làm ngược lại

Thiết kế lớp MAC của chuẩn IEEE 802.16-2004 và chuẩn IEEE

802.16e-2005 bao gồm một phân lớp convergence có thể giao tiếp với nhiều giao thức lớp

cao hơn, chẳng hạn như ATM TDM Voice, Ethernet, IP, và các giao thức kháctrong tương lai.

Lớp MAC 802.16 được thiết kế cho ứng dụng điểm – đa điểm (PMP) và dựa

trên đa truy cập CSMA (collision sense multiple access) với collision avoidance

(CSMA/CA)

Lớp MAC kết hợp nhiều tính năng thích hợp cho nhiều ứng dụng ở các tốc

độ di chuyển khác nhau, chẳng hạn như các tính năng sau:

 PKM (Privacy key management) cho bảo mật lớp MAC PKM phiên bản 2kết hợp hỗ trợ giao thức chứng thực mở rộng EAP (extensible authenticationprotocol)

 Hỗ trợ quảng bá broadcast and multicast

 Handover tốc độ cao

 Ba cấp độ quản lý nguồn: hoạt động bình thường, sleep và idle

 Header suppression, packing và fragmentation để sử dụng hiệu quả phổ tần

 Năm lớp dịch vụ: unsolicited grant service (UGS), real-time polling service

(rtPS), non-real-time polling service (nrtPS), best effort (BE) và Extendedreal-time variable rate (ERT-VR) service

Những tính năng này kết hợp với những lợi điểm của OFDMA khiến cho802.16 thích hợp cho những ứng dụng dữ liệu multimedia tốc độ cao

Hỗ trợ QoS là một phần cơ bản của thiết kế lớp MAC của WiMAX WiMAX

mượn một số ý tưởng cơ bản cho thiết kế QoS của nó từ chuẩn DOCSIS

Kiểm soát QoS chặt chẽ được thực hiện bằng cách dùng kiến trúc MAC

hướng kết nối, ở đó tất cả kết nối chiều lên và chiều xuống đều được điều khiển bởi

serving BS

WiMAX còn định nghĩa một khái niệm service flow Một service flow làmột luồng packet một chiều với một tập thông số QoS cụ thể và được xác định bởi

SFID (service flow identifier).

Lớp MAC của WiMAX bao gồm ba phân lớp Ba phân lớp này tương tác với

nhau thông qua điểm truy cập dịch vụ SAP (Service Access Point)

Hình 1.13 Lớp MAC của WiMAX với SAP

Phân lớp hội tụ chuyên biệt dịch vụ CS (Service-Specific ConvergenceSublayer) cung cấp sự biến đổi hoặc ánh xạ từ dữ liệu mạng bên ngoài, nhận được

thông qua điểm truy nhập dịch vụ CS (CS SAP), thành MAC SDU MAC SDUđược chuyển xuống phân lớp phần chung MAC CPS (Common Part Sublayer)

thông qua MAC SAP Quá trình này bao gồm việc phân loại đơn vị dữ liệu dịch vụmạng bên ngoài SDU (service data unit) và kết hợp chúng với số thứ tự luồng dịch

vụ MAC SFID (service flow identifier) và số thứ tự kết nối CID (connectionidentifier) phù hợp Còn có thể bao gồm những chức năng như PHS (payload headersuppression) Nhiều đặc điểm kỹ thuật phân lớp CS được cung cấp để giao tiếp vớinhững giao thức khác nhau Định dạng bên trong của tải trọng (payload) phân lớp

CS là duy nhất đối với phân lớp CS, và phân lớp MAC CPS không đòi hỏi phải hiểu

định dạng hoặc phân tích bất cứ thông tin gì từ tải trọng phân lớp CS

Phân lớp MAC CPS cung cấp những chức năng lớp MAC cốt yếu như truycập hệ thống, cấp phát băng thông, thiết lập kết nối và duy trì kết nối Nó nhận dữliệu từ các phân lớp CS khác nhau, thông qua MAC SAP, phân loại thành các kếtnối MAC cụ thể Chất lượng dịch vụ QoS (Quality of Service) được áp dụng vàoquá trình truyền dữ liệu và lên kế hoạch (scheduling) trên lớp vật lý

Lớp MAC còn có một phân lớp bảo mật riêng cung cấp tính năng chứngthực, trao đổi khóa bảo mật, và mã hóa

Dữ liệu, tín hiệu điều khiển lớp vật lý và thống kê được truyền giữa phân lớpMAC CPS và lớp vật lý thông qua PHY SAP

1.7.1 Phân lớp hội tụ chuyên biệt dịch vụ

Phân lớp hội tụ chuyên biệt dịch vụ nằm ở trên phân lớp phần chung MAC

và sử dụng, thông qua MAC SAP, những dịch vụ do phân lớp phần chung MACcung cấp (Hình 1.13) Phân lớp CS thực hiện những chức năng sau:

 Nhận đơn vị dữ liệu (PDU) giao thức lớp cao hơn từ lớp cao hơn

 Thực hiện phân loại PDU lớp cao hơn

 Xử lý (nếu cần thiết) PDU lớp cao hơn dựa trên sự phân loại

 Phân phối CS PDU cho MAC SAP thích hợp

 Nhận CS PDU từ thực thể ngang hàng

Hiện tại, hai đặc điểm kỹ thuật CS được cung cấp là CS chế độ truyền bất

đồng bộ (ATM) và CS gói Những CS khác có thể được mô tả trong tương lai

CS gói nằm ở trên phân lớp MAC CPS chuẩn IEEE 802.16 Nó thực hiệnnhững chức năng sau, dùng dịch vụ của lớp MAC:

 Phân loại PDU giao thức lớp cao hơn vào trong kết nối thích hợp

 Bỏ thông tin header tải trọng (tùy chọn)

 Phân phối CS PDU cho MAC SAP kết hợp với luồng dịch vụ để truyền dữliệu đến MAC SAP ngang hàng

 Nhận CS PDU từ MAC SAP ngang hàng

 Tái tạo thông tin header tải trọng (tùy chọn)

CS gói được dùng cho truyền dữ liệu giao thức dựa trên gói như giao thức

Internet (IP), giao thức điểm-điểm (PPP) và chuẩn IEEE 802.3 (Ethernet)

Phân loại là một quá trình trong đó một MAC SDU được gán vào một kết nối

cụ thể để truyền đi giữa các thực thể ngang hàng MAC Quá trình gán kết hợp mộtMAC SDU với một kết nối và tạo ra một sự kết hợp với các đặc tính luồng dịch vụcủa kết nối đó Quá trình này làm cho thuận tiện việc phân phối MAC SDU vớinhững ràng buộc QoS thích hợp (Hình 1.14 và Hình 1.15)

Hình 1.14 Sự phân loại và gán CID (BS đến SS)

Hình 1.15 Sự phân loại và gán CID (SS đến BS)

Định dạng của IP CS PDU được mô tả trong Hình 1.16 (trường hợp không

có header suppression) hoặc Hình 1.17 (trường hợp có header suppression)

Hình 1.16 Định dạng IP CS PDU không có header suppression

Hình 1.17 Định dạng IP CS PDU có header suppression

Bộ phân loại IP hoạt động trên các trường của IP header và giao thứctransport

1.7.2 Phân lớp phần chung MAC

1.7.2.1 Địa chỉ và kết nối

Mỗi SS có một địa chỉ MAC 48 bit, định nghĩa trong chuẩn IEEE 802-2001

Địa chỉ này xác định duy nhất SS của tất cả nhà sản xuất và loại thiết bị Nó được

dùng trong quá trình thiết lập kết nối cho một SS Nó còn được dùng trong quá trìnhchứng thực trong đó BS và SS xác nhận lẫn nhau

Kết nối được xác định bởi một số CID 16 bit Khi SS khởi động, hai cặp kếtquả quản lý (hướng lên và hướng xuống) được thiết lập giữa SS và BS và một cặpkết nối quản lý thứ ba cũng có thể được tạo ra nếu cần Ba cặp kết nối thể hiện rằng

có ba cấp độ QoS khác nhau cho lưu lượng quản lý giữa SS và BS Kết nối cơ bản

được BS MAC và SS MAC dùng để trao đổi những bản tin quản lý MAC ngắn, cấp

bách Kết nối quản lý sơ cấp được BS MAC và SS MAC dùng để trao đổi nhữngbản tin quản lý MAC dài hơn, độ trễ lớn hơn Cuối cùng, kết nối quản lý thứ cấp

được BS và SS dùng để gửi những bản tin chuẩn, độ trễ cao (DHCP, TFTP, SNMP,

…) Những bản tin này được truyền trong các gói dữ liệu IP Những bản tin được

truyền trên kết nối quản lý thứ cấp có thể được gộp chung lại hoặc chia nhỏ ra Đốivới lớp vật lý SCa, OFDM và OFDMA, những bản tin quản lý có CRC Kết nốiquản lý thứ cấp chỉ cần cho SS được quản lý

Số CID cho những kết nối này được gán trong những bản tin RNG-RSP vàREG-RSP Có ba giá trị CID Cùng một giá trị CID được gán cho cả hai kết nối

(hướng lên và hướng xuống) của mỗi cặp kết nối

Đối với những dịch vụ mang, BS khởi tạo thiết lập kết nối dựa trên thông tinđược gửi tới BS Việc đăng ký của SS, hoặc việc điều chỉnh dịch vụ ở SS, khiến cho

các lớp cao hơn của BS khởi tạo thiết lập kết nối

Số CID có thể được xem như số xác định kết nối ngay cả cho lưu lượng

không hướng kết nối trên danh nghĩa như IP, bởi vì nó đóng vai trò như là một con

trỏ chỉ đến đích và thông tin context Việc sử dụng số CID 16 bit cho phép tổngcộng 64 ngàn kết nối trong mỗi kênh hướng xuống và hướng lên

Yêu cầu truyền dữ liệu được dựa trên những số CID này, vì băng thông chophép có thể khác nhau đối với những kết nối khác nhau, thậm chí trong cùng loạidịch vụ Ví dụ, một đơn vị SS phục vụ nhiều người dùng trong một tòa nhà vănphòng sẽ thực hiện yêu cầu thay cho tất cả người dùng, mặc dù những giới hạn dịch

vụ và những thông số kết nối khác có thể khác nhau đối với mỗi người

Nhiều phiên làm việc lớp cao hơn có thể hoạt động trên cùng CID khôngdây Ví dụ, nhiều người dùng trong một công ty có thể đang giao tiếp với TCP/IP

đến các đích khác nhau, nhưng vì tất cả họ đều hoạt động trong cùng thông số dịch

vụ, nên tất cả lưu lượng của họ được góp chung cho mục đích yêu cầu/cấp phát Vì

địa chỉ nguồn và đích LAN ban đầu được đóng gói trong phần tải trọng của luồng

dữ liệu truyền đi nên không khó khăn gì trong việc xác định các phiên làm việc

dài, sao cho MAC PDU đại diện một số lượng byte thay đổi được Điều này cho

phép MAC truyền những loại lưu lượng lớp cao hơn khác nhau mà không cần biết

định dạng của những bản tin đó

Hình 1.18 Định dạng MAC PDU

MAC PDU có thể chứa CRC Việc thực hiện khả năng CRC là bắt buộc đốivới lớp vật lý SCa, OFDM và OFDMA.

a Định dạng header

Có hai định dạng header Thứ nhất là header tổng quát bắt đầu mỗi MAC

PDU chứa bản tin quản lý MAC hoặc dữ liệu phân lớp CS Thứ hai là header yêucầu băng thông được dùng để yêu cầu băng thông bổ sung Trường HT (HeaderType) một bit phân biệt header tổng quát và header yêu cầu băng thông Trường HTbằng zero đối với header tổng quát và bằng một đối với header yêu cầu băng thông

Định dạng header được định nghĩa trong bảng 1.3

Bảng 1.3 Định dạng MAC header

Cú pháp Kích thước Ghi chú

MAC Header() {

HT 1bit 0 = Header tổng quát

1 = Header yêu cầu băng thông

else {

Type 3 bit

BR 19 bit}

Hình 1.19 Định dạng header tổng quát

Những trường của header tổng quát được định nghĩa trong bảng 1.4 Mỗi

header đều được mã hóa, bắt đầu với các trường HT và EC (encryption control)

Việc mã hóa của những trường này sao cho byte đầu tiên của một header không baogiờ có giá trị 0xFX, trong đó “X” nghĩa là “tùy định”

Bảng 1.4 Những trường header tổng quát

Tên Chiều dài (bit) Mô tả

CI 1 CRC Indicator

1 = Gắn CRC vào tải trọng PDU sau mã hóa

0 = không có CRCCID 16 Connection identifier

EC 1 Encryption Control

0 = Tải trọng không được mã hóa

1 = Tải trọng được mã hóaEKS 2 Encryption Key Sequence

Chỉ mục của TEK (Traffic Encryption Key) và vectorkhởi tạo được dùng để mã hóa tải trọng Trường này chỉ

có nghĩa khi trường EC = 1HCS 8 Header Check Sequence

Dùng để phát hiện lỗi trong header

HT 1 Header Type = 0

LEN 11 Length Chiều dài tính bằng byte của MAC PDU bao

gồm cả header và CRC nếu cóType 6 Chỉ subheader và loại tải trọng đặc biệt xuất hiện trong

tải trọng bản tin

Định nghĩa của trường Type được cho trong bảng 1.5.

Bảng 1.5 Định nghĩa trường Type

#0 (LSB) Hướng xuống: subheader cấp phát hồi tiếp nhanh

Hướng lên: subheader quản lý việc cấp phát

1 = có, 0 = không

b MAC subheader và tải trọng đặc biệt

Có năm loại subheader Subheader ứng với mỗi PDU (Mesh, Fragmentation,

FAST-FEEDBACK_Allocation và Grant Management) có thể được chèn vào MACPDU ngay sau header tổng quát Nếu có cả Fragmentation subheader lẫn GrantManagement subheader thì Grant Management subheader sẽ nằm trước Nếu cóMesh subheader thì nó nằm trước tất cả subheader khác

FAST-FEEDBACK_Allocation subheader luôn luôn nằm sau cùng

Chỉ có duy nhất một subheader ứng với mỗi SDU là Packing subheader Nó

có thể được chèn vào trước mỗi MAC SDU Packing và Fragmentation subheader

không được tồn tại đồng thời trong cùng MAC PDU

Per-PDU subheader luôn luôn nằm trước per-SDU subheader đầu tiên

Fragmentation subheader được mô tả trong bảng 1.6

BSN 11 bit Số thứ tự của khối đầu

tiên trong phân mảnhSDU hiện hànhelse {

if (Type bit Extended Type) Xem bảng 1.3

FSN 11 bit Số thứ tự của phân mảnh

SDU hiện hành Trường

này tăng 1 đơn vị (modulo2048) đối với mỗi phân

mảnh, gồm cả SDU khôngphân mảnh

else

FSN 3 bit Số thứ tự của phân mảnh

SDU hiện hành Trường

này tăng 1 đơn vị (modulo8) đối với mỗi phân mảnh,

gồm cả SDU không phânmảnh

}

}

Khi dùng Packing, lớp MAC có thể gộp nhiều SDU vào chung một PDU.Khi gộp nhiều SDU kích thước khác nhau, lớp MAC thêm vào trước mỗi SDU một

packing subheader Packing subheader được định nghĩa trong bảng 1.7

BSN 11 bit Số thứ tự của khối đầu

tiên trong phân mảnhSDU hiện hànhelse {

if (Type bit Extended Type) Xem bảng 1.3

FSN 11 bit Số thứ tự của phân mảnh

SDU hiện hành Trường

này tăng 1 đơn vị (modulo2048) đối với mỗi phân

mảnh, gồm cả SDU khôngphân mảnh

else

FSN 3 bit Số thứ tự của phân mảnh

SDU hiện hành Trường

này tăng 1 đơn vị (modulo8) đối với mỗi phân mảnh,

gồm cả SDU không phânmảnh

}

}

c Bản tin quản lý MAC

Một tập hợp những bản tin quản lý MAC được định nghĩa Những bản tin

này được mang trong phần tải trọng của MAC PDU Tất cả bản tin quản lý MACđều bắt đầu bằng trường Loại Bản tin Quản lý và có thể chứa thêm các trường khác

Bản tin quản lý MAC trên các kết nối Cơ bản, Quảng bá và Initial Ranging không

được phân mảnh cũng không được gộp chung Bản tin quản lý MAC trên kết nối

quản lý sơ cấp có thể được gộp chung và/hoặc phân mảnh Đối với lớp vật lý SCa,OFDM và OFDMA, bản tin quản lý được mang trên các kết nối Initial Ranging,Quảng bá, Cơ bản và Sơ cấp sẽ có cho phép sử dụng CRC Định dạng của bản tinquản lý được cho trong Hình 1.20 Bản tin quản lý MAC không được mang trên kếtnối vận chuyển

Hình 1.20 Định dạng bản tin quản lý

Một hệ thống hỗ trợ ARQ có thể nhận và xử lý bản tin ARQ Feedback Bảntin ARQ Feedback (Bảng 1.8) có thể dùng để báo hiệu bất cứ một sự kết hợp nàocủa ACK ARQ khác nhau (tích lũy, chọn lọc, chọn lọc và tích lũy) Bản tin đượcgửi trên kết nối quản lý cơ bản thích hợp

Bảng 1.8 Định dạng bản tin ARQ feedback

Cú pháp Kích thước Ghi chú

ARQ_Feedback_Message_Format() {

Loại bản tin quản lý = 33 8 bit

ARQ_Feedback_Payload biến đổi

}

1.7.2.3 Xây dựng và truyền MAC PDU

Quy trình xây dựng một MAC PDU được minh họa trong hình 1.21

Hình 1.21 Xây dựng MAC PDU

a Quy ước

Dữ liệu được phát tuân theo những quy luật sau:

 Những trường của bản tin được phát theo đúng thứ tự như là chúng xuất hiệntrong các bảng tương ứng của chuẩn này

 Những trường của bản tin MAC và những trường của TLV, số nhị phân (baogồm CRC và HCS), được phát theo chuỗi thứ tự các chữ số nhị phân củachúng, bắt đầu từ MSB Mặt nạ bit (ví dụ, trong ARQ) được xem như là

trường số học Đối với số có dấu MSB là bit dấu

 Những trường SDU hoặc phân mảnh SDU (ví dụ, tải trọng MAC PDU) đượcphát theo thứ tự byte giống như là thứ tự nhận được từ lớp trên

 Những trường chuỗi ký tự được phát theo thứ tự ký hiệu trong chuỗi

MAC thu có khả năng đưa MAC SDU (sau khi tái lắp ghép MAC SDU từ một hoặcnhiều MAC PDU thu được) cho MAC SAP đúng Bản tin quản lý MAC, dữ liệu

người dùng, và MAC PDU yêu cầu băng thông có thể được ghép nối vào trong cùng

Quyền phân mảnh lưu lượng trên một kết nối được định nghĩa khi kết nối

được tạo ra bởi MAC SAP Sự phân mảnh có thể được khởi tạo bởi một BS cho kết

nối hướng xuống và bởi một SS cho kết nối hướng lên

Mảnh được đánh dấu vị trí của chúng trong SDU gốc theo bảng 1.9

Đối với kết nối không ARQ, các mảnh được phát một lần và theo thứ tự Số

thứ tự gán vào mỗi mảnh cho phép bộ thu tái tạo tải trọng gốc và phát hiện việc mấtcác gói trung gian Một kết nối chỉ ở một trạng thái phân mảnh tại một thời điểm bấtkỳ

Nếu xảy ra mất gói thì bộ thu sẽ hủy tất cả MAC PDU trên kết nối cho đếnkhi phát hiện một mảnh đầu tiên mới hoặc phát hiện một MAC PDU không phânmảnh

Đối với kết nối có ARQ, các mảnh được hình thành cho mỗi xung phát bằng

cách ghép nối các khối ARQ với các số thứ tự liền kề Giá trị BSN mang trongfragmentation subheader là BSN cho khối ARQ đầu tiên xuất hiện trong đoạn

Hình 1.23 Một MSDU hình thành nhiều MPDU

Trong hình 1.23, chúng ta thấy một phần của MSDU chiếm toàn bộ tải trọngcủa MPDU như thế nào Ở đây, tải trọng của MPDU được phát quá nhỏ không thểchứa trọn một MSDU Trong trường hợp đó, MSDU được phân mảnh và đóng gói

vào trường tải trọng của MPDU

Trong trường hợp phân mảnh, 2 bit FC được đặt là 10 nếu nó là mảnh đầu

tiên của MSDU; 01 nếu nó là mảnh cuối cùng của MSDU; và 11 nó ở giữa mảnh

đầu và cuối của MSDU FSN chỉ số thứ tự mảnh

d Sự gộp chung

Nếu packing được bật đối với một kết nối thì lớp MAC có thể gộp chungnhiều MAC SDU vào trong một MAC PDU Việc gộp chung sử dụng thuộc tính kếtnối chỉ rằng kết nối có mang các gói chiều dài cố định hay chiều dài biến đổi Phíaphát toàn quyền quyết định có gộp chung hay không một nhóm MAC SDU vàotrong một MAC PDU Khả năng tách ra là bắt buộc

Việc xây dựng PDU thay đổi đối với kết nối ARQ và không ARQ tùy theo

cú pháp gộp chung và phân mảnh

Hình 1.24 Nhiều MSDU hình thành một MPDU