đồ án:Mô hình Mesh cho Wimax

đồ án:Mô hình Mesh cho WimaxNội dung đồ án: Chương I : Giới thiệu chung về WimaxChương II : Lớp truy nhập và lớp vật lý của WimaxChương III : Mô hình Mesh trong WimaxChương IV : Tổng kết

KHOA VIỄN THÔNG I

Nội dung đồ án:

 Chương I : Giới thiệu chung về Wimax

 Chương II : Lớp truy nhập và lớp vật lý của Wimax

 Chương III : Mô hình Mesh trong Wimax

 Chương IV : Tổng kết

Ngày tháng năm 2008 Giáo viên hướng dẫn

Nguyễn Văn Đát

Ngày tháng năm 2008

Giáo viên phản biện

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH SÁCH HÌNH VẼ 3

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 5

LỜI NÓI ĐẦU 12

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ WIMAX 14

1.1 Lịch sử ra đời của truy cập không dây 14

1.2 Các chuẩn công nghệ truy nhập không dây băng rộng của IEEE 19

1.3 Nguồn gốc và sự ra đời của chuẩn WIMAX 20

1.3.1 Tổ chức WIMAX FORUM 20

1.3.2 Lịch sử WIMAX 21

1.3.3 Khái niệm WIMAX 22

1.3.4 Các chuẩn công nghệ của wimax 23

1.3.5 Băng tần cho WiMax 24

CHƯƠNG II LỚP TRUY NHẬP VÀ LỚP VẬT LÝ CỦA WIMAX 28

2.1 So sánh giữa PMP và Mesh 28

2.2 Tổng quan về lớp Vật Lý và lớp MAC 29

2.2.1 Lớp vật lí: 29

2.2.2 Lớp MAC : 41

2.3 Các Kỹ Thuật điều chế 54

2.3.1 OFDM 54

2.3.2 OFDMA 65

2.3.3 SOFDMA 68

2.3.4 PSK M-QAM 69

CHƯƠNG III MÔ HÌNH MESH TRONG WIMAX 75

3.1 Kiến trúc Mesh trong Wimax 75

3.1.1 Định dạng khung 75

3.1.2 Quy trình Entry 77

3.1.3 Lược đồ MSH-NENT trong khung con điều khiển 80

3.1.4 Lược đồ MSH-NCFG trong khung con điều khiển 81

3.1.5 Lược đồ dữ liệu khung con 82

3.1.6 Quản lý bảo mật trong chế độ Mesh 85

3.2 Lược đồ QoS cho WiMAX chế độ lưới 85

3.3 Thông lượng và trễ trong mạng WiMAX kiểu lưới 88

3.3.1 Bộ mô phỏng WiMAX 89

3.3.2 Tính toán hiệu năng 90

CHƯƠNG IV TỔNG KẾT 94

4.1 So sánh wimax và các công nghệ khác 94

4.2 Ưu điểm của Wimax 94

4.3 Nhược điểm của Wimax 96

4.4 Tình hình triển khai 96

KẾT LUẬN 97

TÀI LIỆU THAM KHẢO 99

DANH SÁCH HÌNH VẼ

MỤC LỤC 1

DANH SÁCH HÌNH VẼ 3

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 5

LỜI NÓI ĐẦU 12

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ WIMAX 14

1.1 Lịch sử ra đời của truy cập không dây 14

Hình 1.1: Xu hướng phát triển của mạng truy nhập vô tuyến 16

1.2 Các chuẩn công nghệ truy nhập không dây băng rộng của IEEE 19

Hình 1.2 Quy mô triển khai các chuẩn truy nhập băng rộng 20

1.3 Nguồn gốc và sự ra đời của chuẩn WIMAX 20

1.3.1 Tổ chức WIMAX FORUM 20

Hình 1.3 Các thành viên của tổ chức Wimax Forum 21

1.3.2 Lịch sử WIMAX 21

1.3.3 Khái niệm WIMAX 22

1.3.3.1 Khái niệm: 22

Hình 1.4 Các phân lớp giao thức của Wimax 23

1.3.4 Các chuẩn công nghệ của wimax 23

1.3.5 Băng tần cho WiMax 24

CHƯƠNG II LỚP TRUY NHẬP VÀ LỚP VẬT LÝ CỦA WIMAX 28

2.1 So sánh giữa PMP và Mesh 28

Hình 2.1: Cấu hình điểm-đa điểm (PMP) 29

Hình 2.2 So sánh mô hình các mô hình kết nối 29

2.2 Tổng quan về lớp Vật Lý và lớp MAC 29

2.2.1 Lớp vật lí: 29

2.2.1.1 Giới thiệu chung về lớp vật lý 29

2.2.1.2 Truyền lan LOS và NLOS 31

Hình 2.3 Mô hình LOS 32

Hình 2.4 Mô hình NLOS 33

2.2.1.3 Các kĩ thuật song công FDD và TDD 33

Hình 2.5 Kĩ thuật TDD và FDD 34

2.2.1.4 Cấu trúc khung lớp vật lí 35

Khung TDD 35

Hình 2.6 Khung TDD cho kiểu PMP 36

Hình 2.7 Khung FDD cho kiểu PMP 37

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

AAA Authentication, Nhận thực, cấp phép và tính cước

authorization and Account

AAS Adaptive Antenna System Hệ thống anten thích ứng

AES Advance Ecryption Standard Chuẩn mật mã nâng cao

AK Authorization Key Khóa nhận thực

ARQ Automatic Retransmission Request Yêu cầu truyền lại tự động

ASN Access Service Network Mạng dịch vụ truy nhập

ATM Asynchronous Transfer Mode Phương thức truyền

không đồng bộ

BE Best Effort dịch vụ nỗ lực tốt nhất

BPSK Binary Phase shift Keying Khóa chuyển pha nhị phân

BR Bandwidth Request Yêu cầu băng thông

BSN Block Sequence Number Số thứ tự khối

BTC Block Turbo Code Mã Turbo khối

BWA Broadband Wireless Access Truy nhập không dây băng rộng

CA Collision Avoidance Tránh xung đột

CBC Cipher Block Chaining Chuỗi khối mã hóa

CC Confirmation Code Mã xác nhận

CCI Co-Channel Interference Nhiễu kênh liên kết

CCK Complementary Coded Keying Khóa mã hóa bổ sung

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã

C/I Carrier to Interference Ratio Tỉ số tín hiệu/ nhiễu

CID Connection Identifier Nhận dạng kết nối

CP Cyclic Prefix Tiền tố tuần hoàn

CPE Customer Premises Equipment Thiết bị truyền thông cá nhân

CPS Common Part Sublayer Lớp con phần chung

CRC Cyclic Redundancy Check Kiểm tra độ dư vòng tuần hoàn

CS Convergence Sublayer Lớp con hội tụ

CSMA Carrier Sense Multiple Access Đa truy nhập cảm nhận

sóng mangCSN Connection Service Network Mạng dịch vụ kết nối

CTC Concatenated Turbo Code Mã Turbo xoắn

DAMA Demand Assigned Multiple Access Đa truy nhập ấn định

theo nhu cầuDCD Downlink Channel Descriptor Miêu tả kênh đường xuống

DCF Distributed Control Function Chức năng điều khiển phân tán

DES Data Encryption Standard Chuẩn mật mã hóa dữ liệu

DFS Dynamic Frequence Selecton Lựa chọn tần số động

DHCP Dynamic Host Configuration Protocol Giao thức cấu hình Host động

DLFP Downlink Frame Preamble Tiền tố khung đường xuống

DSA Dynamic Services Addition Bổ sung các dịch vụ động

DSC Dynamic Services Change Chuyển đổi các dịch vụ động

DSL Digital Subcriber Line Đường dây thuê bao số

EC Encryption Control Điều khiển mật mã hóa

ECB Electronic Code Book Sách mã điện tử

EDCA Enhanced Distributed Truy nhập điều khiển phân tán Control

EDGE Enhanced Data Rates Các tốc độ dữ liệu được nâng cấp cho

for GSM Evolution sự phát triển GSM

EV-DO Enhanced Version- Data Only Chỉ dữ liệu-phiên bản nâng cao

EKS Encryption Key Sequence Chuỗi khóa mật mã

ETSI European Telecommunications Viện các chuẩn viễn thông Standards

FBSS Fast Base Station Switch Chuyển mạch trạm gốc nhanh

FCH Frame Control Header Tiêu đề điều khiển khung

FDD Frequence Division Duplex Song công phân chia theo tần số

FDM Frequence Division Mutiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số

FEC Forward Error Correction Hiệu chỉnh lỗi trước

FFT Fast Fourier Transform Chuyển đổi Fourier nhanh

FSH Fragmentation Subheader Tiêu đề con phân đoạn

GPC Grant Per Connection Cấp phát trên mỗi trạm gốc

GPRS Generalized Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói chung

GPSS Grant Per Subscriber Station Cấp phát trên mỗi trạm thuê bao

GSM Global System For Hệ thống toàn cầu cho truyền Mobile

Communicatons thông di động

HARQ Hybrid Automatic Yêu cầu truyền lại tự động kết

Retransmission Request hợp

HCS Header Check Sequence Thứ tự kiểm tra tiêu đề

HHO Hard HandOver Chuyển giao cứng

HMAC Hashed Message Mã nhận thực bản tin đã xáo trộn

Authentication Code

HSDPA High Speed Downlink Truy nhập gói đường xuống

HSUPA High Speed Uplink Packet Access Truy nhập gói đường lên tốc độ

cao

IEEE Institute of Electrical and Viện các kĩ sư điện và điện tử

Electronic Engineers

IMT International Mobile Viễn thông di động quốc tế

Telecommunications

IP Internet Protocol Giao thức liên mạng

ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu giữa các Symbol

ISM Industrial Scientific and Medical Công nghiệp khoa học và hóa học

ISP Internet Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ Internet

IV Initialization Vector Véc tơ khởi tạo

KEK Key Encryption Key Khóa mật mã khóa

LAN Local Area Network Mạng vùng cục bộ

LSB Least Significant Bit Bít ít ý nghĩa nhất

MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập phương tiện

MAN Metropolitan Area Network Mạng vùng thành thị

MBWA Mobile Broadband Truy nhập không dây

MDHO Marco Diversity Handover Chuyển giao đa dạng bằng Marco

MIMO Multiple Input Multiple Output Nhiều đầu vào nhiều đầu ra

MIP Mobile Internet Protocol Giao thức Internet di động

MISO Multiple Input Single Output Nhiều đầu vào một đầu ra

MRC Maximum Ratio Combining Kết hợp tỉ số cực đại

MS Mobile Station Trạm di động

MSB Most Significant Bit Bít ý nghĩa nhất

NAP Network Access Provider Nhà cung cấp truy nhập mạng

NLOS Non Line Of Sight Không tầm nhìn thẳng

OECD Organisation for Economic Tổ chức hợp tác và phát triển

Co-operation Tand Development kinh tế

OFDM Orthogonal Frequence Ghép kênh phân chia theo tần số

Division Multiplexing trực giao

OFDMA Orthogonal Frequence Division Đa truy nhập phân chia theo

Multiple Access tần số trực giao

PAN Personal Area Network Mạng cá nhân

PCF Point Control Function Chức năng điều khiển điểm

PDA Personal Digital Assistant Hỗ trợ cá nhân dùng kĩ thuật số

PDU Protocol Data Unit Đơn vị dữ liệu giao thức

PHS Payload Header Suppression Nén tiêu đề tải trọng

PKM Privacy Key Management Quản lí khóa bảo mật

PLMN Public Land Mobile Network Mạng di động mặt đất công cộng

PMP Point to Multipoint Điểm-đa điểm

PPP Point to Point Protocol Giao thức điểm-điểm

PS Physical Slot Khe vật lí

PSCN Packet Switched Core Network Mạng lõi chuyển mạch gói

PSH Packing Subheader Tiêu đề con gói

PSTN Public Swithched Mạng điện thoại chuyển

PTP Point to Point Điểm-điểm

QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phương

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

QPSK Quadratura Phase Shift Keying Khóa chuyển pha cầu phương

RAN Region Area Netwwork Mạng vùng địa phương

RLC Radio Link Controller Bộ điều khiển liên kết vô tuyến

RNG Ranging

RS Reed-Solomon

RTG Receive Transition Gap Khoảng trống chuyển giao đầu thu

Rx Receiver Đầu thu

SA Security Association Kết hợp bảo mật

SAID Security Association Identifier Nhận dạng kết hợp bảo mật

SAP Service Access Point Điểm truy nhập dịch vụ

SDU Service Data Unit Đơn vị dữ liệu dịch vụ

SHA Secure Hash Algorithm Thuật toán xáo trộn bảo mật

SNMP Simple Network management Giao thức quản lí mạng

SOFDMA Scalable Orthogonal Frequence Ghép kênh phân chia theo tần

Division Multiple Access số trực giao theo tỉ lệ

SOHO Small Office Home Office Văn phòng gia đình

văn phòng nhỏ

SS Subscriber Station Trạm thuê bao

SSCS Specify Services Lớp con hội tụ các dịch vụ riêng

Convergence Sublayer

STC Space Time Code Mã không gian thời gian

TDD Time Division Duplex Song công phân chia

theo thời gianTDM Time Division Multiplexing Ghép kênh phân chia

theo thời gianTDMA Time Division Đa truy nhập phân chia

Multiplexing Access theo thời gian

TEK Traffic Encryption Key Khóa mật mã lưu lượng

TFTP Trivial File Transfer Protocol Giao thức truyền tệp thông thường

TLV Type/Length/Value Loại/ Độ dài/ Giá trị

TTG Transmit Transition Gap Khoảng trống chuyển giao

đầu phát

UCD Uplink Channel Descriptor Miêu tả kênh đường lên

UGS Unsolicited Grant Service Dịch vụ cấp phát không kết hợp

UMTS Universal Mobile Hệ thống viễn thông

Telecommunication System di động toàn cầu

UTRA UMTS terrestrial Radio Access Truy nhập vô tuyến trên

mặt đất UMTSUTRAN UMTS terrestrial Radio Mạng truy nhập vô tuyến trên

Access Network mặt đất UMTS

VoIP Voice Over IP Thoại qua IP

WAN Wide Area Network mạng diện rộng

WEP Wired Equivalent Privacy Bảo mật đương lượng hữu tuyến

Wi-Fi Wireless Fidelity

WME Wi-Fi Mutlimedia Extensions Những mở rộng

đa phương tiện Wi-FiWPA Wi-Fi Protected Access Truy nhập được bảo vệ Wi-Fi

WSM Wi-Fi Scheduled Multimedia Đa phương tiện được lập

danh mục theo Wi-Fi

LỜI NÓI ĐẦU

Với sự phát triển chóng mặt của khoa học công nghệ, truyền thông băng rộng đangtrở thành nhu cầu thiết yếu mang lại nhiều lợi ích cho người sử dụng Bên cạnh việc cungcấp các dịch vụ như truy nhập Internet, các trò chơi tương tác, hội nghị truyền hình, thìtruyền thông băng rộng di động cũng đang được ứng dụng rộng rãi, cung cấp các kết nốitin cậy cho người sử dụng ngay cả khi di chuyển qua một phạm vi rộng lớn Trong đó,truy nhập băng rộng không dây là một lĩnh vực mang lại sự quan tâm đáng kể của các tổchức nghiên cứu cũng như các nhà cung cấp thiết bị, các nhà khai thác mạng Ngày naythế giới đang hướng tới tương tác toàn cầu trong truyền thông băng rộng không dây, điềunày không chỉ mang lại sự hội tụ về truyền thông toàn cầu mà con mang lại nhiều lợinhuận về mặt kinh tế, giúp cho việc phát triển khoa học, công nghệ, chính trị , văn hóa,…giữa các nước trên toàn thế giới

Mạng Internet đang trở thành phổ biến, chúng ta đã biết đến các công nghệ truynhập Internet hiện nay như quay số qua modem thoại, ADSL, hay các đường thuê kênhriêng hoặc sử dụng các hệ thoongs vô tuyến như điện thoại di động hay mạng Wi-Fi Mỗiphương pháp truy cập có một ưu điểm riêng Bên cạnh đó vẫn còn nhiều nhược điểm,chẳng hạn với Modem thoại thì tốc độ truy nhập quá thấp, ADSL thì tốc độ có thể lên đến8Mbps nhưng cần đường dây kết nối, các đường thuê kênh riêng thì giá thành thấp và khótriển khai, đặc biệt với các địa hình phức tạp Hệ thống thông tin di động hiện tại cungcấp tốc độ truyền 9,6Kbps quá thấp so với nhu cầu người sử dụng, ngay cả các mạng thế

hệ sau GSM như 2.5G cho phép tốc độ lên đến 171,2Kbps hay EDGE khoảng 400Kbps cũng chưa đủ đáp ứng nhu cầu và số lượng người sử dụng ngày càng tăng đốivới các dịch vụ mạng Internet Ở hệ thống di động thế hệ tiếp theo 3G thì tốc độ truynhập Internet không vượt quá 2Mbps Với mạng Wi-Fi chỉ có thể dáp dụng cho các máytính trao đổi thông tin khoảng cách ngắn

300-Đứng trước thực tế đó, Wimax ra đời nhằm cung cấp một phương tiện truy cậpInternet không dây tổng hợp có thể thay thế ADSL và Wi-Fi Hệ thống Wimax có khảnăng cung cấp đường truyền vô tuyến với tốc độ lên đến 70Mbps và với bán kính phủsóng lên đến 50km

Trong tài liệu này em xin giới thiệu những nét tổng quát của công nghệ Wimax vàứng dụng mô hình Mesh cho Wimax Nội dung cụ thể được chia làm ba chương như sau:Chương I: Giới thiệu chung về Wimax

Chương II: Lớp truy nhập và lớp vật lý của Wimax

Chương III: Mô hình Mesh trong Wimax

Chương IV: Tổng Kết

Wimax là một công nghệ mới, vì vậy đòi hỏi sự nghiên cứu và tìm tòi nếu các bạnmuốn tìm hiểu Những nội dung và kiến thức trong tài liệu này là sự tổng hợp nhữngnghiên cứu mà tem đã tìm hiểu và đúc rút trong thời gian làm đồ án Vì thời gian khôngcho phép và kiến thức còn nhiều hạn chế nên chắc rằng không tránh khỏi những thiếu sót.Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ thầy cô và các bạn

Cuối cùng em xin gửi lời cám ơn tới tất cả quý thầy cô Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông-Cơ sở tại Hà Đông đã tận tình cung cấp cho em những kiến thức cơ bản, cơ sở, chuyên ngành trong suốt thời gian học tập tại Học viện

Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Văn Đát đã nhiệt tình hướng dẫn, cung cấp tài liệu cần thiết giúp em hoàn thành luận văn và có tầm nhìn tổng quát khi tìm hiểu thực hiện đề tài

Ngoài ra, xin cám ơn tất cả bạn bè đồng môn đã cùng nhau học tập, thực hành, traođổi, cập nhật những thông tin, kiến thức bổ ích suốt 4 năm qua

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên

Vũ Việt CườngLớp D2004VT

Chương I Giới thiệu chung về WiMax

1.1 Lịch sử ra đời của truy cập không dây.

Các mạng truy nhập vô tuyến hiện nay phát triển theo hai hướng đó là công nghệ diđộng tế bào và các công nghệ khác như WLAN, WIMAX, Đó cũng là hai xu hướngcông nghệ phổ biến nhất hiện nay

Vào cuối những năm 1990, các hệ thống 2G được phát triển theo hai hướng Chúngđược chuyển đến các tần số cao hơn khi có nhiều băng rộng di động tế bào trở nên sẵn có

ở Châu Âu và Mĩ, và được sửa đổi để hỗ trợ các dịch vụ dữ liệu thêm vào thoại Đặc biệtvào năm 1994, Ủy ban truyền thông liên bang (FCC) bắt đầu bán đấu giá phổ trong băngtần các hệ thống truyền thông cá nhân (PCS) 1.9GHz cho các hệ thống di động tế bào.Các nhà khai thác mua được phổ trong băng này có thể thông qua bất kì chuẩn nào Cácnhà khai thác khác nhau chọn các chuẩn khác nhau, vì thế GSM, IS-136 và IS-95 đã đượctriển khai ở băng 1900MHz trong các khu vực khác nhau làm cho việc Roaming trongnước gặp nhiều khó khăn Thực tế có nhiều điện thoại di động tế bào số xuất hiện Các hệthống GSM hoạt động trong băng tần PCS được xem như các hệ thống PCS 1900 Cácchuẩn IS-136 và IS-95 (CDMAOne) được chuyển sang băng PCS với tên gọi giữ nguyên.Châu Âu cấp phát thêm phổ di động tế bào trong băng 1.8GHz Chuẩn cho băng tần nàyđược gọi là GSM 1800 hay DCS 1800 ( Hệ thống di động tế bào số), sử dụng GSM nhưchuẩn cơ bản với một số thay đổi để cho phép chồng lấn giữa các tế bào vi mô và vĩ mô.Các điện thoại không dây thế hệ hai như DECT, hệ thống truyền thông truy nhập cá nhân(PACS) và hệ thống điện thoại cầm tay cá nhân (PHS) cũng hoạt động trong băng tần1.9GHz nhưng các hệ thống này hầu hết chỉ hỗ trợ các dịch vụ tổng tài nhánh riêng(PBX)

Các hệ thống 2G thêm khả năng về dữ liệu được gọi là các hệ thống 2.5G Các hệthống GSM theo các cách nâng cấp khác nhau để cung cấp các dịch vụ dữ liệu Đơn giảnnhất được gọi là dữ liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao (HSCSD), cho phép đến 4 khe thờigian liên tiếp được gán cho một người dùng và cung cấp tốc độ truyền dẫn cực đại là57.6Kbps Chuyển mạch kênh khá bất lợi cho dữ liệu, vì thế sự nâng cấp hoàn thiện hơncung cấp cho dữ liệu chuyển mạch gói được phân lớp ở phần đầu của thoại chuyển mạchkênh Sự nâng cấp này được xem như dịch vụ vô tuyến gói chung (GPRS) Tốc độ dữ liệucực đại là 171.2Kbps có thể đạt được với GPRS khi 8 khe thời gian của khung GSMđược cấp cho một người dùng Tốc độ dữ liệu của GPRS được nâng cấp lên thông qua

điều chế và mã hóa tỉ lệ thay đổi, gọi là tốc độ dữ liệu được nâng cấp cho sự phát triểncủa GSM (EDGE) EDGE cung cấp tốc độ dữ liệu lên đến 384Kbps với tốc độ bit 48-69.2Kbps trên mỗi khe thời gian GPRS và EDGE tương thích với IS-136 cũng nhưGSM, và do đó cung cấp hướng nâng cấp hội tụ của cả hai hệ thống này Hệ thống IS-136được nâng cấp lện tốc độ dữ liệu 40-60Kbps bằng cách gộp chung các khe thời gian và sửdụng điều chế ở mức cao, sự phát triển này được gọi là IS-136HS (tốc độ cao).

Chuẩn IS-95 đã được sửa đổi để cung cấp các dịch vụ dữ liệu bằng cách gán nhiềuchức năng trải phổ trực giao cho một người dùng Tốc độ dữ liệu cực đại là 115.2Kbps,mặc dù trong thực tế chỉ đạt khoảng 64Kbps Sự phát triển này được xem như IS-95b

Sự phân đoạn của các chuẩn và các băng tần trong hệ thống 2G đã dẫn đến việcLiên Minh viễn thông quốc tế vào cuối 1996 đã làm thành công kế hoạch cho một băngtần toàn cầu và chuẩn hóa cho hệ thống di động tế bào số hóa thế hệ ba (3G) Chuẩn nàyđược đặt tên là viễn thông di động quốc tế 2000 (IMT-2000) Thêm vào các dịch vụ thoại,IMT-2000 đã cung cấp tốc độ dữ liệu Mbps theo yêu cầu các ứng dụng như truy nhậpInternet băng rộng, trò chơi tương tác, và giải trí hình ảnh và tiếng chất lượng cao Thỏathuận về một chuẩn duy nhất không trở thành hiện thực, với hầu hết các quốc gia hỗ trợmột trong hai chuẩn cạnh tranh nhau là CDMA2000 (tiếp theo tích hợp với CDMA One)được hỗ trợ bởi dự án cộng tác thế hệ ba thứ hai (3GPP2) và CDMA băng rộng(WCDMA, tiếp theo tích hợp với GSM và IS-136) được hỗ trợ bởi dự án cộng tác thế hệ

ba (3GPP) Cả hai chuẩn này đều sử dụng CDMA với điều khiển công suất và các đầuthu RAKE nhưng tốc độ chip và chi tiết các đặc điểm khác là khác nhau Cụ thể,CDMA2000 và WCDMA là các chuẩn không tương thích, vì thế điện thoại phải có haichế độ để hoạt động với cả hai hệ thống

Nhằm nâng cao tốc độ truyền và nhận dữ liệu giải pháp 4G được mong đợi để cungcấp lên đến 100Mbps Giải pháp này sẽ dựa trên sự kết hợp của định dạng tín hiệu khônggian- thời gian đa sóng mang Các kiến trúc mạng bao gồm các mạng vi mô- vĩ mô vàsiêu nhỏ và các mạng vùng gia đình HAN và mạng vùng cá nhân PAN

Mạng truy nhập không dây băng rộng (BWA) miêu tả một phạm trù khác của mạngkhông dây Mạng BWA điển hình hoạt động trong trải phổ vô tuyến có cấp phép Nó làthế hệ ngay trước khi Wimax (Sự tương tác toàn cầu đối với truy nhập vi ba) đi vào thực

tế Các mạng không dây băng rộng đầu tiên là WLAN được xây dựng trên cơ sở họ cácchuẩn IEEE 802.11 Chuẩn 802.11 đầu tiên được phát hành vào 1997, chiếm 83.5MHzbăng thông trong băng tần 2.4GHz không cấp phép Nó sử dụng điều chế PSK với trải

phổ nhảy tần FHSS và trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS Tốc độ dữ liệu lên đến 2Mbps được

hỗ trợ với CSMA/CA được sử dụng cho truy nhập ngẫu nhiên

Hình 1.1: Xu hướng phát triển của mạng truy nhập vô tuyến

Một đối thủ của các chuẩn 802.11 cũng như hệ thống di động tế bào là chuẩn IEEE802.16 được gọi là Wimax Chuẩn này đảm bảo truy nhập không dây băng rộng với tốc

độ dữ liệu được đề nghị 40Mbps cho người dùng cố định và 15Mbps cho người dùng diđộng với một phạm vi vài kilomet

Một phạm trù khác của công nghệ không dây là di động không dây Mạng di độngkhông dây đã được phát triển rộng rãi khắp thế giới, chúng đã thay thế cho PSTN là dịch

vụ điện thoại cơ bản trong nhiều quốc gia Có nhiều hơn một tỉ thuê bao di động khắp thếgiới Ban đầu được thiết kế như một sự mở rộng không dây cho các mạng thoại, ngày naymạng di động không dây đưa ra truy nhập Internet và các dịch vụ đa phương tiện đầucuối tốc độ cao Mặc dù tốc độ dữ liệu được đề nghị bởi mạng di động không dây về cơbản thấp hơn WLAN, sự bao phủ rộng của chúng đã làm cho chúng phù hợp với hoạtđộng kinh doanh và những người dùng làm thương mại Mạng di động không dây hoạtđộng theo trải phổ vô tuyến có cấp phép

WiMax PHS

Trong những ngày đầu của truyền thông dữ liệu, lập nên mạng giữa các máy tính đãđược thực hiện bằng cách kết nối một số thiết bị đầu cuối đến một khung chính đắt tiền

để chia sẻ thông tin và xử lí công suất trong một tổ chức Trong những năm 1990 với sựxuất hiện của Internet và việc triển khai rộng rãi các mạng truyền thông di động, đến thờiđại của máy tính cá nhân và các truyền thông cá nhân trong đó các cá thể có thể trao đổithông tin bởi các máy tính cá nhân và các điện thoại di động Ngày nay chúng ta bướcvào thời đại của truyền thông được hội tụ và máy tính trong cả các điện thoại di động vàcác thiết bị máy tính cá nhân trở nên tích hợp

Trong tương lai, được mong đợi là cơ sở hạ tầng truyền thông di động sẽ trở nênphổ biến, và các loại mạng khác nhau sẽ được hợp nhất hoàn toàn Các mạng thoại và dữliệu sẽ được hội tụ đến một mạng dữ liệu chung dựa trên IP Các thiết bị đầu cuối di động

sẽ trở thành các thiết bị thông tin mạng lưới mà bao gồm tất cả hoặc một phần của cácchức năng điện thoại di động, các máy tính, các máy trợ lí cá nhân dùng kĩ thuật số(PDA), truyền hình số, máy ghi âm video số và trò chơi giao tiếp người- máy Các thiết bịđầu cuối thông tin sẽ đưa ra chức năng của các bộ cảm biến thông minh mà hỗ trợ cuộcsống hàng ngày của người dùng cả ở nhà và nơi làm việc Điều này sẽ được thực hiện bởimột nhóm lớn các thiết bị được đặt ở nhiều vị trí khác nhau trong môi trường nơi màchúng tự động cảm nhận các điều kiện trong thế giới thực, trao đổi thông tin được tậphợp, làm một số hành động kết hợp và gửi thông tin được tập hợp đến một bộ điều khiển

từ xa nếu cần thiết Yêu cầu của các mạng phổ biến trên cơ sở hạ tầng mạng được thảoluận và sự hội tụ của các loại mạng khác nhau của các mạng truyền thông di động đượckhảo sát Cụ thể, chúng ta sẽ nghiên cứu hai phương pháp song song để hội tụ mạng,chúng được đưa ra bởi công nghệ di động tế bào và các nhóm làm việc IEEE 802

Đến thời điểm này, hầu hết các mạng tế bào bao gồm cả các hệ thống thế hệ hai vàmột phần của thế hệ ba, là các hệ thống chuyển mạch kênh dựa trên giao thức báo hiệuSS7 Các mạng dựa trên SS7 hoàn toàn tối ưu cho các người dùng di động về nhận thực,cấp phép và thanh toán (AAA), quản lí tính di động và cung cấp dịch vụ Do các loạimạng truy nhập này tập trung vào thoại, chúng được thêm các yếu tố bởi các dịch vụ góinhư là GPRS và EDGE cho GSM, 1xEV-DO và 1xEV-DV cho CDMA 2000 và HSDPAcho UTRAN Trong các mạng này, không may các gói của các thuê bao phải qua nhiềuđường biên môi trường, vì thế chất lượng dịch vụ QoS có thể không đáp ứng được mongđợi của khách hàng Ngoài ra, chi phí đắt đỏ để duy trì hai mạng riêng biệt cho dữ liệu vàthoại Hiện nay, các mạng 3GPP được nâng cấp theo hướng hoàn toàn IP và hợp nhất vớicác mạng dựa trên IP khoảng cách ngắn tốc độ cao như các mạng LAN không dây(WLAN) Mục tiêu được dự định trong tương lai là để cung cấp cho các mạng phổ biến

sử dụng IP như công nghệ mạng duy nhất và sử dụng các hệ thống nhận thực, cấp phép

và thanh toán hợp nhất được điều khiển bởi các nhà khai thác mạng tế bào Hình dưới chothấy kiến trúc của hệ thống WLAN trên thực tế, trong đó các thiết bị đầu cuối WLANtruy nhập mạng thông qua điểm truy nhập AP Các điểm truy nhập khác nhau được kếtnối bởi một mạng phân phối lớp 2, mạng này được kết nối đến mạng đường trục IP quamột router truy nhập AR Profile người dùng được lưu trong cơ sở dữ liệu người dùng(DB) và các chức năng nhận thực, cấp phép và thanh toán được phục vụ bởi máy chủAAA Máy chủ AAA theo tiêu chuẩn dựa trên giao thức RADIUS, một giao thức nổitiếng được sử dụng trong các mạng truy nhập Internet

Các nhà khai thác mạng tế bào có nền tảng khách hàng lớn, bảo mật đã được kiểmtra, các báo cáo chăm sóc khách hàng đúng đắn và các hệ thống hóa đơn và tính cước tincậy Do đó, nhóm tương tác mạng 3GPP-WLAN hiện nay tập trung vào phục phụ cácngười dùng WLAN với máy chủ UTRA AAA và các máy chủ nhà thuê bao HSS Khimột đầu cuối WLAN truy nhập mạng WLAN, nó có thể chọn mạng tế bào nhà của nógiữa một danh sách các mạng di động mặt đất công cộng ảo (PLMN) mà có thỏa thuậnRoaming với nhà khai thác WLAN Phương pháp hợp nhất này có thuận lợi của việc bảo

vệ vốn đầu tư của các nhà khai thác 3G Do các mạng UTRA cung cấp truy nhập IP quamiền mạng lõi chuyển mạch gói (PSCN), nó hiệu quả về chi phí và có thể dễ dàng mởrộng để hợp nhất các mạng tế bào với các mạng dữ liệu dựa trên nền IP khác như là cácmạng cá nhân không dây WPAN Không may, mặc dù phương pháp này đề nghị một dịch

vụ hóa đơn và các Profile thuê bao thống nhất, nó không bảo đảm tính liên tục của phiênqua các ranh giới mạng giữa WLAN và UTRAN

Một phương pháp tương tác 3G-WLAN khác được đề xuất cho CDMA 2000 1x, tậndụng IP di động để cho phép chuyển giao không ngắt quãng giữa các mạng để duy trì cácphiên đang xẩy ra Mạng lõi CDMA 1x hỗ trợ IP di động Do đó, nó có thể trực tiếp đượchợp nhất với một mạng WLAN qua một cổng WLAN Cổng WLAN được yêu cầu để hỗtrợ IP di động để điều khiển tính di động và các dịch vụ AAA để tương tác với các máychủ AAA trong mạng nhà CDMA 2000 Điều này sẽ cho phép các nhà khai thác CDMA

2000 1x tập hợp các báo cáo thanh toán WLAN và tạo ra các khai báo hóa đơn thống nhấtcho các thuê bao

Các phương pháp ở trên cho sự tương tác 3G-WLAN được gọi là “cặp lỏng lẻo” khicác mạng WLAN có thể được kết nối trực tiếp đến mạng Internet Một cách khác củaviệc hợp nhất các mạng 3G với các mạng WLAN được gọi là “cặp tương tác chặt chẽ”.Khái niệm của nó là để làm cho WLAN xuất hiện tới mạng lõi 3G như một mạng truy

nhập vô tuyến khác Trong trường hợp này, cổng WLAN ẩn đi các chi tiết của mạngWLAN đến lõi 3G, và bổ sung tất cả giao thức 3G được yêu cầu trong mạng truy nhập vôtuyến 3G như quản lí tính di động và nhận thực Các đầu cuối di động trong phương phápnày được yêu cầu để bổ sung chồng giao thức 3G tương ứng vào đỉnh của chồng giaothức WLAN và chuyển mạch từ một lớp vật lí đến lớp khác nếu cần thiết Trong thực tế,tất cả lưu lượng được tạo ra bởi các máy khách trong mạng WLAN được xen vào mạnglõi 3G sử dụng chồng giao thức 3G Khó khăn của phương pháp này là nó yêu cầu nhữngthay đổi đáng kể cho các thiết bị đầu cuối WLAN và cần kết nối vật lí rõ ràng đến mạnglõi CDMA 2000 1x Do đó cặp tương tác lỏng lẻo được ưa thích hơn.

Trái ngược với hướng được đưa ra bởi 3GPP và hầu hết các nhà khai thác mạng tếbào ở Châu Âu và Nhật bản, một phương pháp hoàn toàn IP trực tiếp để hội tụ mạngđược đưa ra bởi các nhóm làm việc IEEE 802 Phương pháp này không cố gắng để bảo vệvốn hay phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng chuyển mạch kênh hiện có Để thay thế, nó cố gắngxây dựng những mở rộng không dây phổ biến cho Internet

Trong các nhóm làm việc IEEE 802 một họ các hệ thống không dây được phát triển

để cung cấp các nhu cầu cho các hệ thống khác nhau của truyền thông không dây baogồm các mạng vùng cục bộ không dây (WLAN) và các mang cá nhân không dây(WPAN) Gần đây họ IEEE 802 đã mở rộng cho truy nhập không dây băng rộng cố định(FBWA) (WIMAX), truy nhập không dây băng rộng di động và tương tác của các hệthống họ 802 Các hệ thống này phục vụ các ứng dụng khác nhau và đưa ra các mạngthành phần cần thiết cho các mạng phổ biến

Ngày nay các mạng Wimax đã bắt đầu được chào đón như các mạng BWA củatương lai Không như các mạng BWA ban đầu, Wimax tạo ra các chuẩn dựa trên phươngpháp để cung cấp truy nhập không dây băng rộng Điều này nhằm tiết kiệm không gian

để góp phần hỗ trợ tương tác và phạm vi rộng lớn của các thiết bị và các dịch vụ

Wimax là một thuật ngữ thương mại được dùng để nghiên cứu về một giải phápbăng rộng không dây đã được chuẩn hóa, Wimax là Worldwide Interoperability forMicrowave Access Wimax đã khởi đầu như một dịch vụ sóng vi ba tương đương, sau đó

nó phát triển vào việc giao dịch buôn bán với các mạng BWA cố định Cuối cùng Wimaxnổi lên như một lựa chọn cạnh tranh với các mạng di động không dây

1.2 Các chuẩn công nghệ truy nhập không dây băng rộng của IEEE

Hình 1.2 Quy mô triển khai các chuẩn truy nhập băng rộng

1.3 Nguồn gốc và sự ra đời của chuẩn WIMAX

1.3.1 Tổ chức WIMAX FORUM

Wimax Forum là một tổ chức phi lợi nhuận được thành lập bởi sự liên hiệp của cáccông ty nhằm mục đích tạo điều kiện cho việc triển khai và phát triển mạng truy cậpkhông dây băng rộng dựa trên 802.16

Cuộc họp đầu tiên vào 04/2001 ở Antibe, Pháp Với sự tham gia của các hãng sau:Nokia, Harris Cross Span, và Ensemble

Tới 10/2005 thì tổ chức này đã có hơn 230 thành viên và có trong nhiều hãng nổitiếng như: Microsoft, Intel, Alvarion, Fujitsu Microeletronics Americal,…

Chủ tịch hiện nay là Non Resnick (Intel)

Tổ chức này sẽ quyết định và chỉ đạo việc kiểm tra tính tương tác và trao cho cácnhà sản xuất thiết bị nhãn chứng nhận Wimax (Wimax Certified) Mục đích cuối cùng làmang lại lợi ích cho người dùng đầu cuối, họ có thể mua sản phẩm theo chọn lựa của

IEEE 802.15.3 UWB, Bluetooth Wi-Media, BTSIG, MBOA

IEEE 802.11 Wi-Fi Alliance

ETSI-BRAN HiperLAN2

IEEE 802.16d WiMAX

ETSI HiperMAN &

HIPERACCESS

IEEE 802.20 IEEE 802.16e

3GPP (GPRS/UMTS) 3GPP2 (1X /CDMA2000) GSMA, OMA

RAN

IEEE 802.22

mình mà đảm bảo chắc chắn sản phẩm đó sẽ tương thích với các sản phẩm đã đượcchứng nhận khác.

+Airspan Networks +Intel +RF Magic

+Andrew Corporation +LCC +SiWorks

+Aperto Networks +NEWS IQ +Stratex Networks

+China Motion Telecom +OFDM Forum +The Telnecity Group

+Compliance +Powerwave +TurboConcept

Certification Services Technologies +Wavesat Wireless

Hình 1.3 Các thành viên của tổ chức Wimax Forum

1.3.2 Lịch sử WIMAX

Nhóm công tác IEEE 802.16 là nhóm đầu tiên chịu trách nhiệm phát triển chuẩn802.16 bao gồm giao diện không gian cho truy nhập không dây băng rộng Hoạt độngcủa nhóm khởi đầu trong một cuộc họp vào 08/1998 được gọi là kiểm tra hệ thống điện

tử không dây quốc gia( N-WEST), đây là một bộ phận của viện nghiên cứu công nghệ vàchuẩn hóa quốc gia Mĩ Ban đầu nhóm tập trung vào việc phát triển các chuẩn và giaodiện không dây cho băng tần 10-676GHz Sau đó dự án sửa đổi dẫn đến việc tán thànhchuẩn IEEE 802.16a tập trung vào băng tần 2-11GHz Sự phê chuẩn cuối cùng chi tiết kĩthuật giao diện không gian 802.16a là vào 01/2003

ETST đã tạo ra chuẩn MAN không dây cho băng tần 2-11GHz Chuẩn ETSIHiperMAN đã được đưa ra vào 10/2003 ETST làm việc gần gũi với nhóm IEEE 802.16

và chuẩn HiperMAN về cơ bản là theo chỉ dẫn 802.16 Chuẩn HiperMAN cung cấp việctruyền thông cho mạng không dây trong các băng tần 2-11GHz ở Châu Âu Nhóm làm

việc HiperMAN tận dụng lược đồ điều chế OFDM FFT 256 điểm Là một trong nhữnglược đồ điều chế được định nghĩa trong chuẩn IEEE 802.16a.

Wimax Forum giữ vai trò tương tự liên minh W-Fi trong WLAN, hỗ trợ phát triểncác sản phẩm MAN không dây dựa trên các chuẩn của Viện nghiên cứu của các kĩ sưđiện và điện tử (IEEE) và viện nghiên cứu các chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI) WimaxForum tin rằng một chuẩn chung cho truy nhập không dây băng rộng BWA sẽ làm giảmchi phí thiết bị và thúc đẩy việc cải thiện hiệu năng Bên cạnh đó, các nhà khai thác BWA

sẽ không bị ràng buộc trong một nhà cung cấp duy nhất do các trạm gốc BS sẽ tươngthích với thiết bị truyền thông cá nhân CPE của nhiều nhà cung cấp Ban đầu tập trungvào truyền thông cố định cho dải tần 10-66GHz, việc mở rộng quy mô lớn bắt đầu vào01/2003 và chuyển sang cả lĩnh vực di động

1.3.3 Khái niệm WIMAX

Wimax dựa trên cơ sở tương thích toàn cầu được kết hợp bởi các chuẩn IEEE802.16-2004 và IEEE 802.16e của IEEE và ETSI HiperMAN của ETSI Trong đóIEEE802.16-2004 cho cố định và 802.16e cho dữ liệu di động tốc độ cao Các chuẩn cốđịnh và di động đều được sử dụng trong băng tần cấp phép và không cấp phép

Tuy nhiên miền tần số cho chuẩn cố định là 2-11GHz trong khi chuẩn di động làdưới 6GHz

Wimax hỗ trợ cả tầm nhìn thẳng LOS ở phạm vi lên đến 50km và ở tầm nhìn khôngthẳng NLOS khoảng từ 6-10km cho thiết bị truyền thông cá nhân CPE cố định.z

Tốc độ dữ liệu đỉnh cho chuẩn cố định sẽ hỗ trợ lên đến 70Mbps mỗi thuê bao,trong phổ 20MHz, nhưng tốc độ dữ liệu tiêu chuẩn sẽ hơn 20-30Mbps Các ứng dụng di

động sẽ cũng được hỗ trợ tốc độ dữ liệu đỉnh 30Mbps mỗi thuê bao trong phổ 10MHz,tốc độ tiêu chuẩn 3-5Mbps Các trạm gốc sẽ hỗ trợ 280Mbps để đáp ứng nhu cầu củanhiều người dùng cùng một lúc.

Trong đó chuẩn IEEE 802.16-2004 được phê chuẩn vào 24/06/2004 là sự kết hợpcủa các chuẩn IEEE 802.16 (06/12/2001) IEEE 802.16a (29/01/2003) và IEEE 802.16c(12/12/2002)

Hình vẽ sau miêu tả phân lớp giao thức WIMAX cho hai lớp cuối cùng

Hình 1.4 Các phân lớp giao thức của Wimax

1.3.4 Các chuẩn công nghệ của wimax

IEEE 802.16 (06/12/2001)

Giao diện không gian cho các chi tiết kĩ thuật PHY và MAC của hệ thống truy nhậpkhông dây băng rộng cố định đối với dải tần 10-66GHz (LOS)

Một lớp PHY: Sóng mang đơn

Hướng kết nối, TDM/TDMA MAC, QoS, bảo mật

Truyền tải

IP Lớp con hội tụ dịch vụ đặc biệt

CCCS Lớp con phần chung MAC

MAC-CPS Lớp con bảo mật PS Lớp vật lí (PHY)

M

A

C

IEEE 802.16a (29/01/2003)

Bổ sung 802.16, các sửa đổi MAC và các chi tiết kĩ thuật PHY bổ sung cho dải tần2-11GHz

Có 3 lớp PHY: OFDM, OFDMA và sóng mang đơn

Các chức năng MAC bổ sung: Hỗ trợ OFDMA PHY và OFDM, hỗ trợ cấu hìnhmạng mắt luới, ARQ

Là tiêu chuẩn IEEE cho lớp MAC bổ xung thêm bridges

1.3.5 Băng tần cho WiMax

Các băng được WiMax Forum tập trung xem xét và vận động cơ quan quản lý tần

số các nước phân bổ cho WiMax là: 3600-3800MHz, 3400-3600MHz (băng 3.5GHz),3300-3400MHz (băng 3.3GHz), 2500-2690MHz (băng 2.5GHz), 2300-2400MHz (băng2.3GHz), 5725-5850MHz (băng 5.8GHz) và băng 700-800MHz (dưới 1GHz)

Băng3400-3600MHz(băng3.5GHz)Băng 3.5Ghz là băng tần đó được nhiều nước phân bổ

cho hệ thống truy cập không dây định (Fixed Wireless Access – FWA) hoặc cho hệ thốngtruy cập không dây băng rộng (WBA) WiMax cũng được xem là một công nghệ WBA

nên có thể sử dụng băng tần này cho WiMax Vì vậy, WiMax Forum đó thống nhất lựachọn băng tần này cho WiMax Các hệ thống WiMax ở băng tần này sử dụng chuẩn802.16-2004 để cung cấp các ứng dụng cố định và nomadic, độ rộng phân kênh là3.5MHz hoặc 7MHz, chế độ song công TDDorFDD Một số nước quy định băng tần nàychỉ dành cho các hệ thống cung cấp các dịch vụ cố định, không có ứng dụng nomadic,nên để triển khai được WiMax cần thiết phải sửa đổi lại quy định này.Đối với Việt Nam, do băng tần này được ưu tiên dành cho hệ thống vệ tinh Vinasat nênhiện tại không thể triển khai cho WiMax

Băng3600-3800MHz Băng 3600-3800MHz được một số nước châu Âu xem xét để cấp

cho WBA Tuy nhiên, do một phần băng tần này (từ 3.7-3.8GHz) đang được nhiều hệthống vệ tinh viễn thông sử dụng (đường xuống băng C), đặc biệt là ở khu vực châu Á,nên ít khả năng băng tần này sẽ được chấp nhận cho WiMax ở châu Á

Băng 3300-3400MHz (băng 3.3 GHz)Băng tần này đó được phân bổ ở Ấn Độ, Trung

Quốc và Việt Nam đang xem xét phân bổ chính thức Do Ấn Độ và Trung Quốc là hai thịtrường lớn, nên dù chưa có nhiều nước cấp băng tần này cho WBA, nhưng thiết bịWiMAX cũng đã được sản xuất.Chuẩn WiMax áp dụng ở băng tần này tương tự như vớibăng 3.5GHz, đó là WiMax cố định, chế độ song công FDD hoặc TDD, độ rộngkênh.5MHz hoặc 7MHz.Do Ấn Độ chỉ cho phép sử dụng đoạn băng tần 3316-3400MHz,nên các thiết bị WiMax hiện tại cũng chỉ làm việc trong đoạn này với tối đa 2x9 kênh3.5MHz Vì vậy, nếu cú 4 nhà khai thác sử dụng băng tần này thì thường mỗi nhà khaithác chỉ được cấp sử dụng 2x2 kênh 3.5MHz Trong khi đó, theo ý kiến của các chuyêngia Alvarion, một trong những hãng cung cấp thiết bị WiMax, thì để khai thác hiệu quả,mỗi nhà khai thác nên được cấp ít nhất 2x3 kênh 3.5MHz

Băng 2500-2690MHz (băng 2.5 GHz)Băng tần này là băng tần được WiMax Forum ưu

tiên lựa chọn cho WiMax di động theo chuẩn 802.16-2005 Có hai lý do cho sự lựa chọnnày Thứ nhất, so với các băng trên 3GHz điều kiện truyền sóng của băng tần này thíchhợp cho các ứng dụng di động Thứ hai là khả năng băng tần này sẽ được nhiều nước chophép sử dụng WBA bao gồm cả WiMax WiMax ở băng tần này có độ rộng kênh là Hz,chế độ song công TDD, FDD.Băng tần này trước đây được sử dụng phổ biến cho các hệthống truyền hình MMDS trên thế giới, nhưng do MMDS không phát triển nên Hội nghịThông tin Vô tuyến thế giới năm 2000 (WRC-2000) đã xác định có thể sử dụng băng tầnnày cho hệ thống di động thế hệ 3 (3G hay IMT-2000 theo cách đặt tên của ITU) Tuynhiên, khi nào IMT-2000 được triển khai ở băng tần này cũng chưa có câu trả lời rõ ràng

Vì vậy, hiện đã có một số nước như Mỹ, Brazil, Mexico, Singapore, Canada, Liên hiệp

Anh (UK), Australia cho phép sử dụng một phần băng tần tần này cho WBA TrungQuốc và Ân Độ cũng đang xem xét.Ví dụ, Singapore đã chia băng 2.5GHz thành 15 khối

6 MHz cho WBA để đấu thầu, theo đó nhà khai thác được cung cấp các dịch vụ cố định,nomadic và di động, không yêu cầu phải sử dụng một công nghệ cụ thể nào Các nhà khaithác trúng thầu có trách nhiệm tự phối hợp với nhau và với các nhà khai thác của cácnước láng giềng để tránh can nhiễu Tại Mỹ, Ủy ban Truyền thông Liên bang (FCC) chiabăng 2.5GHz thành 8 khối, mỗi nhà khai thác có thể được cấp 22.5MHz, gồm một khốiphổ có độ rộng 16.5MHz kết hợp với khối 6MHz.Do ITU xác định băng tần này choIMT-2000, nên WiMax Forum đang có kế hoạch tham gia vào các nhóm nghiên cứu củaITU để thúc đẩy việc đưa chuẩn 802.16 thành một nhánh của họ tiêu chuẩn IMT-2000

Với Việt Nam, Quy hoạch phổ vô tuyến điện quốc gia được Thủ tướng Chính phủ phêduyệt cuối năm 2005 đã quy định băng tần 2500-2690 MHz sẽ được sử dụng cho các hệthống di động thế hệ mới, không triển khai thêm các thiết bị khác trong băng tần này Vìvậy, có thể hiểu công nghệ WiMax di động cũng là một đối tượng của quy định này,nhưng băng tần này sẽ được sử dụng cho loại hình công nghệ cụ thể nào vẫn còn để mở

Băng 2300-2400MHz (băng 2.3 GHz)Băng 2.3GHz cũng có đặc tính truyền sóng tương

tự như băng 2.5GHz nên là băng tần được WiMax Forum xem xét cho WiMax di động

Hiện có một số nước phân bổ băng tần này cho WBA như Hàn Quốc (triển khai WiBro),

Úc, Mỹ, Canada, Singapore Singapore đã cho đấu thầu 10 khối 5MHz trong dải 2350MHz để sử dụng cho WBA với các điều kiện tương tự như với băng 2.5GHz Úcchia băng tần này thành các khối 7MHz, không qui định cụ thể về công nghệ hay độ rộngkênh, ưu tiên cho ứng dụng cố định Mỹ chia thành 5 khối 10MHz, không qui định cụ thể

2300-về độ rộng kênh, cho phép triển khai cả TDD và FDD.Đối với Việt Nam, đây cũng là mộtbăng tần có khả năng sẽ được sử dụng để triển khai WBA/WiMax

Băng 5725-5850MHz (băng 5.8 GHz)Băng tần này được WiMax Forum quan tâm vì đây

là băng tần được nhiều nước cho phép sử dụng không cần cấp phép và với công suất tớicao hơn so với các đoạn băng tần khác trong dải 5GHz (5125-5250MHz, 5250-5350MHz), vốn thường được sử dụng cho các ứng dụng trong nhà.Theo WiMax Forum thì băng tần này thích hợp để triển khai WiMax cố định, độ rộngphân kênh là 10MHz, phương thức song công được sử dụng là TDD, không có FDD

Băng dưới 1GHzVới các tần số càng thấp, sóng vô tuyến truyền lan càng xa, số trạm gốc

cần sử dụng càng ít, tức mức đầu tư cho hệ thống thấp đi Vì vậy, WiMax Forum cũngđang xem xét khả năng sử dụng các băng tần dưới 1GHz, đặc biệt là băng 700-800MHz

Hiện nay, một số nước đang thực hiện việc chuyển đổi từ truyền hình tương tự sangtruyền hình số, nên sẽ giải phúng được một phần phổ tần sử dụng cho WBA/WiMax Ví

dụ, Mỹ đó cấp đoạn băng tần 699-741MHz trước đây dùng cho kênh 52-59 UHF truyềnhỡnh và xem xét cấp tiếp băng 747-801MHz (kênh 60-69 UHF truyền hình)

Với Việt Nam, do đặc điểm có rất nhiều đài truyền hình địa phương nên các kênh tronggiải 470-806MHz dành cho truyền hình được sử dụng dày đặc cho các hệ thống truyềnhình tương tự Hiện chưa có lộ trình cụ thể nào để chuyển đổi các hệ thống truyền hìnhtương tự này sang truyền hình số, nên chưa thấy có khả năng có băng tần để cấp choWBA/WiMax ở đây

Chương II Lớp Truy nhập và Lớp Vật Lý của WiMax

2.1 So sánh giữa PMP và Mesh

Hinh dưới so sánh topo mạng giữa PMP và Mesh

PMP là một mạng truy nhập với một hoặc nhiều BS có công suất lớn và nhiều SSnhỏ hơn Người dùng có thể ngay lập tức truy nhập mạng chỉ sau khi lắp đặt thiết bịngười dùng SS có thể sử dụng các anten tính hướng đến các BS, ở các BS có thể cónhiều anten có hướng tác dụng theo mọi hướng hay một cung

Với cấu hình này trạm gốc BS là điểm trung tâm cho các trạm thuê bao SS Ởhướng DL có thể là quảng bá, đa điểm hay đơn điểm Kết nối của một SS đến BS đượcđặc trưng qua nhận dạng kết nối CID

Hình 2.1: Cấu hình điểm-đa điểm (PMP)

Hình 2.2 So sánh mô hình các mô hình kết nối

Khác với mô hình PMP ở mô hình mắt lưới khống có sự khác biệt giữa DL và UL Mọi

SS có thể liên lạc trục tiếp với hàng xóm của nó mà khống cần sự giúp đỡ của BS Trongcấu hình đặc trưng của Mesh một hoặc một vài node có vai trò của một BS để kết nối tớimạng Mesh để mở rộng các liên két backhaul, … như là mạng internet hay các mạng viễnthông Những node như thế này được gọi là Mesh BS trong khi những node khác đượcgọi là mesh SS

2.2 Tổng quan về lớp Vật Lý và lớp MAC

802.16 định nghĩa ba lớp vật lý đặc biệt cho hệ thống mạng điểm- đa điểm ở băngtần từ 2-11 Ghz/ mỗi một giao diện có thể làm việc cùng với nhau với lớp MAC để cungcấp một kết nối end to end đáng tin cậy

2.2.1 Lớp vật lí:

2.2.1.1 Giới thiệu chung về lớp vật lý

Đầu tiên là Wireless Metropolitan Area Network- Single carrier physical layer dựatrên tập chuẩn 802.16c, hoạt động ở băng tần 11-66GHz Trạm gốc (Base Station-BS) chỉ

cần một anten đẳng hướng, truyền dữ liệu hướng xuống các user đã có mã số nhận dạngkết nối (Connection Identifer- CID) Các máy thu (Subcriber Station- SS) với các antenđịnh hướng, hướng về phía các BS Tín hiệu xử lí phía máy phát bao gồm: ngẫu nhiênhoá, mã hoá sửa lỗi, sắp xếp các kí hiệu, sửa dạng xung (pulse shaping) truớc khi truyền

đi Ngẫu nhiên hoá để bảo đảm khôi phục tín hiệu phía đầu thu vì nếu tín hiệu khôngđược mã hoá giả ngẫu nhiên thì năng lượng sẽ tập trung tại một số tần số nào đó như phổvạch, điều này tạo ra nguy hiểm cho máy thu, bộ dao động VCO của máy thu có thể khoápha tại các tần số này thay vì tại tần số sóng mang sẽ dẫn đến không giải điều chế được

và sẽ mất thông tin của luồng dữ liệu Bộ mã hoá sửa lỗi FEC bao gồm mã ReedSolomon, mã chập (mã xoắn) , có thể có thêm mã kiểm tra chẳn lẻ hay mã xoắn turbo(Convolution turbo code- CTC) Tỉ lệ mã phụ thuộc vào điều kiện của kênh truyền và tỉ

số bít lỗi (Bit error rate- BER) Các kĩ thuật điều chế thường là QPSK, 16-QAM, đôi khi

sử dụng 64- QAM Chuẩn này áp dụng cho kết nối vi ba điểm - điểm (point to PPP) và điểm –đa điểm (point to multi point- PMP); giúp tiết kiệm thời gian, chi phí hơn

point-so với việc lắp đặt cáp

Ngoài ra, tập chuẩn 802.16a cũng hỗ trợ WirelessMAN Sca PHY nhưng dành hcobăng tần dưới 11GHZ và hoạt động trong NLOS SS có thể là một mày tính với vớmodem gắn ngoài nối với một anten đẳng hướng Tập chuẩn này cũng hỗ trợ song côngTDD và FDD, như 802.16c, sử dụng thêm các kĩ thuật cân bằng và uớc lượng kênh đểkhắc phục hiệu ứng đa đường, và để nâng chất lượng tín hiệu vẫn phải sử dụngTCM( trellis coded modulation), FEC, ghép xen, hệ thống anten thích ứng ( AdaptiveAntenna System- AAS), mã hoá không gian thời gian (Space Time coding- STC)

WirelessMAN 256 sóng mang dựa trên tập chuẩn 802.16d, cung cấp dịch vụ kếtnối băng rộng trong nhà Các SS là các thiết bị anten dùng trong nhà và có thể di chuyểnvới tốc độ thấp ( portable) Nhờ sử dụng OFDM nên cho phép kết nối NLOS dưới11GHz, và làm bỏ bớt khối cân bằng trong bộ thu Các kĩ thuật hỗ trợ cũng gồm: FECvới Reed-Solomon, AAS, STC, ghép xen; thời gian kí hiệu và số điểm FFT có thể thayđổi phù hợp cho phù hợp với băng thông tương ứng

Với WirelessMAN OFDMA 2048 sóng mang: tương tự như WirelessMAN 256sóng mang nhưng có nhiều ưu điểm hơn Dựa trên tập chuẩn 802.16e (2005), với sự hỗtrợ của OFDMA ở lớp vật lý, cho phép các user (SS) di chuyển với tốc độ cao, khoảnggần 125km/s, sử dụng mã hoá kênh là mã xoắn, mã xoắn turbo, mã khối, mã kiểm trachẳn lẻ mật độ thấp (Low Density Parity Check- LDPC); dữ liệu được ngẫu nhiên hoá,ghép xen để tránh tổn thất khi khôi phục và lỗi cụm Ngoài kĩ thuật AAS, STC còn sửdụng thêm phân tập thu phát (Multi In Multi Out –MIMO)

2.2.1.2 Truyền lan LOS và NLOS

Kênh vô tuyến của một hệ thống truyền thông không dây thường được miêu tả làLOS hoặc NLOS

Trong liên kết LOS, một tín hiệu di chuyển qua một đường truyền thẳng và không

có vật cản từ đầu phát đến đầu thu Một liên kết LOS yêu cầu hầu hết miền Fresnel không

có vật cản nào như hình vẽ Nếu tiêu chuẩn này không đáp ứng thì sẽ có sự suy giảmđáng kể về độ lớn tín hiệu Độ mở Fresnel được yêu cầu tùy thuộc vào tần số hoạt động

và khoảng cách giữa vị trí đầu phát và đầu thu

Trong một liên kết NLOS, một tín hiệu đến đầu thu thông qua phản xạ, tán xạ vànhiễu xạ Tín hiệu đến tại đầu thu bao gồm các thành phần từ đường truyền thẳng, cácđường truyền phản xạ, năng lượng tán xạ và các đường truyền lan nhiễu xạ Các tín hiệunày khác nhau về khoảng rộng trễ, độ suy giảm, độ phân cực, và độ ổn định liên quan đếnđường truyền thẳng

Hiện tượng đa đường có thể gây ra sự thay đổi phân cực tín hiệu Do đó sử dụngphân cực như một phương pháp để tái sử dụng tần số, điều đó là thông dụng trong triểnkhai LOS nhưng có thể gặp nhiều khóa khăn trong các ứng dụng NLOS

Làm cách nào để hệ thống vô tuyến biến các tín hiệu đa đường thành một lợi ích làmột mấu chốt để cung cấp dịch vụ trong các điều kiện NLOS Một sản phẩm mà chỉ đơnthuần tăng công suất để xuyên qua các vật cản không phải là công nghệ của NLOS bởi vìphương pháp này vẫn còn dựa vào một đường truyền thẳng mạnh mẽ mà không sử dụngnăng lượng có trong các tín hiệu gián tiếp Cả hai kiểu LOS và NLOS đều bị chi phối bởicác đặc tính truyền lan của môi trường, suy hao đường truyền và nhiễu liên kết vô tuyến

Hình 2.3 Mô hình LOS

Có nhiều lợi ích khiến truyền lan NLOS trở nên hấp dẫn Ví dụ, các yêu cầu quyhoạch khắt khe, và những hạn chế về chiều cao của anten thường không cho phép antenđược đặt trong môt trường LOS Với các hệ thống cell quy mô lớn cạnh nhau thì việc tái

sử dụng tần số là không phù hợp, làm giảm anten là thuận lợi để giảm nhiễu kênh liên kếtgiữa các vị trí cell gần nhau Điều này thường áp dụng cho các BS hoạt động trong điềukiện NLOS Các hệ thống LOS không thể giảm chiều cao anten bởi vì nếu làm thế có thểtạo ra tác động đến đường truyền tầm nhìn thẳng được yêu cầu từ CPE đến BS

Công nghệ NLOS cũng giảm chi phí lắp đặt bằng cách lắp đặt CPE dưới mái hiên

an toàn, làm giảm những khó khăn trong việc định vị các vị trí thích hợp của khunganten Công nghệ này cũng làm giảm nhu cầu về khảo sát vị trí trước khi lắp đặt và cảithiện độ chính xác của các công cụ quy hoạch NLOS

Công nghệ NLOS và các đặc điểm nổi bật trong Wimax làm cho nó có thể sử dụngcác CPE trong nhà Có hai thách thức chủ yếu là, đầu tiên phải khắc phục được các suyhao khi xuyên qua tòa nhà , thứ hai là khoảng cách bao phủ phù hợp với công suất phát

Độ mở miền Fresnel

0.6

Mọi chướng ngại phải

ở ngoài 0.6 của miền

mở Fresnel đầu tiên

Vị trí đặt trạm

gốc Wimax

Vị trí đặt CPE Wimax

và độ khuếch đại anten gắn với CPE phải thấp hơn Wimax đã khắc phục được điều nàybằng cách thêm một số khả năng tùy chọn cho nó.

Hình 2.4 Mô hình NLOS

2.2.1.3 Các kĩ thuật song công FDD và TDD

Trong các băng tần được cấp phép, phương pháp song công có thể là TDD hoặcFDD Các SS FDD có thể là FDD bán song công Trong các băng tần không cấp phép thìphương pháp song công là TDD

Ở lớp vật lí, luồng các bít được kết cấu như một chuỗi các khung có độ dài bằngnhau Có một khung con đường xuống và một khung con đường lên theo 2 chế độ hoạtđộng Ghép kênh phân chia theo thời gian TDD và ghép kênh phân chia theo tần số FDD

Trạm gốc Wimax (BS) Thiết bị

Trong kiểu FDD, khung con đường xuống và khung con đường lên là đồng thờinhưng không gây cản trở bởi vì chúng được gửi trên các tần số khác nhau.

Trong hoạt động FDD, các kênh truyền đường lên và đường xuống là dựa trên cáctần số tách biệt Dung lượng đường xuống được truyền trong các burst thuận tiện cho việc

sử dụng nhiều loại điều chế khác nhau và cho phép hệ thống hỗ trợ đồng thời các SS songcông toàn phần( có thể phát và thu đồng thời) và SS bán song công

Hình 2.5 Kĩ thuật TDD và FDD

Trong kiểu TDD, truyền dẫn đường lên và đường xuống chia sẻ cùng một tần sốnhưng được tách biệt về thời gian Khung con đường xuống và khung con đường lên làliên tiếp nhau Một khoảng thời gian có thể được dùng của khung là 0.5, 1 hoặc 2 ms.Các khung có độ dài bằng nhau Trong TDD, phần được chỉ định cho khung con đườngxuống và đường lên có thể biến đổi Đường lên là đa truy nhập phân chia theo thời gianTDMA điều này có nghĩa là độ rộng băng tần được chia thành nhiều khe thời gian Mỗikhe thời gian được ấn định cho một MS cụ thể đang được BS phục vụ

Khung con đường xuống

Khung con đường lên TDMA

thời gian

2.2.1.4 Cấu trúc khung lớp vật lí

Ta xét cấu trúc khung điểm- đa điểm ( cấu trúc khung Mesh là tùy chọn) Khoảngthời gian một khung chứa các PHY PDU của BS và các SS, các khoảng trống và cáckhoảng bảo vệ

OFDM PHY hỗ trợ truyền dẫn theo khung Một khung bao gồm một khung conđường xuống và một khung con đường lên Một khung con đường xuống chỉ gồm mộtPHY PDU đường xuống Một khung con đường lên gồm các khoảng thời gian được lậpchương trình cho dải tần ban đầu và các yêu cầu băng tần và một hay nhiều PHY PDUđường lên, mỗi PDU được phát từ một SS khác nhau

Một PDY PDU đường xuống bắt đầu với một đầu đề dài được sử dụng để đồng bộPHY Theo sau đầu đề là một burst FCH Một FCH là một độ dài symbol OFDM và đượcphát sử dụng BPSK tỉ lệ 1/2 với kiểu mã hóa bắt buộc FCH chứa tiền tố khung DL(DLFP) để cho biết trạng thái burst và độ dài của burst đường xuống theo ngay sau FCH.Một bản tin DL-MAP nếu được phát trong khung hiện tại sẽ là MAC PDU đầu tiên trongburst theo sau FCH Một bản tin UL-MAP sẽ theo sau DL-MAP nếu nó đã được pháthoặc DLFP Nếu các bản tin UCD và DCD được phát trong khung, chúng sẽ nằm ngaysau các bản tin DL-MAP và UL-MAP

Khung TDD.

Burst đầu tiên ở đường xuống chứa các ánh xạ đường xuống và đường lên (DLMAP và UL MAP) và các kí hiệu miêu tả kênh đường xuống và đường lên (DCD vàUCD) Những thông số này được chứa trong MAC PDU đầu tiên của burst này Burstnày có thể chứa thêm các MAC PDU khác

Ánh xạ đường xuống DL MAP cho biết thời điểm bắt đầu của các burst đườngxuống

Ánh xạ đường lên UL MAP cho biết thời điểm bắt đầu của các burst đường lên

Kí hiệu miêu tả kênh DL (DCD) miêu tả trạng thái burst đường xuống ( như sự kếthợp điều chế và mã hóa) cho mỗi burst đường xuống

Kí hiệu miêu tả đường lên (UCD) miêu tả trạng thái burst đường lên ( như sự kếthợp điều chế và mã hóa) và độ dài đầu đề cho mỗi burst UL

Hình 2.6 Khung TDD cho kiểu PMP

Mặc dù burst#1 chứa các bản tin giám sát MAC quảng bá, nhưng nó không cầnthiết sử dụng điều chế/ mã hóa mạnh nhất một kiểu điều chế /mã hóa hiệu quả hơn có thểđược dùng nếiu nó được hỗ trợ và áp dụng cho tất cả các SS của một BS

Theo sau FCH là một hay nhiều burst đường xuống, mỗi burst được phát với mộttrạng thái burst khác nhau Mỗi burst được phát theo một lược đồ điều chế và một loạihiệu chỉnh lỗi trước Các burst được truyền theo nguyên tắc giảm độ mạnh Ví dụ, vớiviệc sử dụng một loại FEC cùng các tham số cố định, dữ liệu bắt đầu với QPSK, theo sau

là 16-QAM và 64-QAM

Hay nói cách khác các burst được gửi theo mức tăng dần độ khó điều chế lần lượt làQPSK, 16-QAM, 64-QAM Mỗi burst đường xuống chứa một số nguyên các symbolOFDM Vị trí và trạng thái của burst đường xuống đầu tiên được chỉ ra trong DLFP Với OFDM PHY, một burst PHY là burst PHY đường xuống hoặc đường lên baogồm một số nguyên các symbol OFDM, mang các bản tin MAC ví dụ MAC PDU Để tạothành một số nguyên các symbol OFDM, các byte chưa sử dụng trong tải trọng burst có

Các

MAC PDU

Mào đầu FCH

MAC PDU #1

DL burst

#2

Mào đầu

MAC PDU #k Đệm

DL burst #m

Hình 2.7 Khung FDD cho kiểu PMP

thể được đệm bởi các byte 0xFF Sau đó tải trọng được ngẫu nhiên hóa, mã hóa và điềuchế

Trong khung TDD, TTG và RTG sẽ được chèn vào giữa khung con đường xuống vàđường lên và vào cuối mỗi khung theo thứ tự để cho phép BS tách ra

TTG

TTG là một khoảng trống giữa burst đường xuống và burst đường lên tiếp theo.Khoảng trống này cho phép thời gian dành cho BS để chuyển mạch từ chế độ phát đếnchế độ thu và các SS chuyển mạch từ chế độ thu đến chế độ phát Trong khoảng thời giannày BS và SS không phát dữ liệu đã điều chế nhưng đơn giản cho phép sóng mang máyphát BS giảm xuống, anten phát/thu ( Tx/Rx) chuyển mạch để khởi động và bộ phận máythu BS hoạt động Sau khoảng trống, máy thu BS sẽ tìm kiếm những kí tự đầu tiên của

Khung con DL

DL-PHY PDU Tranh chấp Initial

Ranging

Tranh chấp BW Request

MAC PDU #1

DL burst

#2

Mào đầu

MAC PDU #k

Đệm

DL burst

#m

CRC (tùy chọn)

Tải trọng MAC (tùy chọn) Header

6 byte