Tìm hiểu hiệu năng mức liên kết của wimax

MỞ ĐẦU 1.Sự cần thiết của vấn đề nghiên cứu Công nghệ WiMAX, 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

NGUYỄN ĐỨC NGỮ

TÌM HIỂU HIỆU NĂNG MỨC LIÊN KẾT CỦA WIMAX

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

NGUYỄN ĐỨC NGỮ

TÌM HIỂU HIỆU NĂNG MỨC LIÊN KẾT CỦA WIMAX

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Mã ngành: 60480201

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Người hướng dẫn khoa học: TS, Lê Văn Minh

cám ơn quý Thầy, Cô giáo khoa công nghệ thông tin Trường Đại học Vinh Đặc biệt tác giả xin bày tỏ biết ơn chân thành và sâu sắc tới Thầy, Tiến

sỹ Lê Văn Minh – người trực tiếp hướng dẫn khoa học trong suốt quá trình thực hiện luận văn, đã chu đáo tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tác giả thực hiện hoàn thành luận văn này

Xin cảm ơn các bạn học viên lớp cao học K23 Đại học Vinh và gia đình

đã phối hợp hỗ trợ động viên và nhiệt tình giúp đỡ tác giả trong quá trình nghiên cứu, hoàn thành luận văn

Do hạn chế về thời gian và kinh nghiệm, sẽ có những thiếu sót về nội dung trong quá trình thực hiện luận văn Kính mong được sự chỉ dẫn và góp ý

từ phía quý Thầy, Cô để có thêm những đánh giá và nhận xét quý báu để hoàn thiện tốt hơn về phần nội dung luận văn

Vinh, ngày 10 tháng 05 năm 2017

Tác giả

Nguyễn Đức Ngữ

hỗ trợ tận tình của Thầy hướng dẫn TS Lê Văn Minh và những quý thầy cô, bạn bè Các nghiên cứu và kết quả trong đề tài này là trung thực và do tác giả dịch từ tài liệu nước ngoài

Vinh, ngày 10 tháng 05 năm 2017

Học viên

Nguyễn Đức Ngữ

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 4

MỤC CÁC CÁC BẢNG VÀ HÌNH 8

MỞ ĐẦU 11

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ WIMAX 13

1.1NỀNTẢNGCỦAIEEE802.16VÀWIMAX 17

1.2.CÁCĐẶCTÍNHNỔIBẬTCỦAWIMAX 21

1.3TẦNGVẬTLÝWIMAX 24

1.3.1 Cơ bản về OFDM 24

1.3.2 Các tham số OFDM trong WiMAX 25

1.3.3 Mã hóa và điều chế thích ứng trong WiMAX 27

1.3.4 Tốc độ dữ liệu tầng PHY 28

1.4TỔNGQUANVỀTẦNGMAC 29

1.4.1 Các cơ chế truy cập kênh 29

1.4.2 Chất lượng dịch vụ 30

1.4.3 Các đặc tính tiết kiệm năng lượng 33

1.4.4 Hỗ trợ di động 34

1.4.5 Các chức năng bảo mật 36

CHƯƠNG 2: GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO 38

2.1MÔĐUNĐASÓNGMANG 38

2.2CƠBẢNVỀOFDM 41

2.2.1 Truyền khối với khoảng thời gian bảo vệ 41

2.2.2 Chập tròn và DFT 42

2.2.3 Tiền tố tuần hoàn (CP) 43

2.2.4 Hiệu chỉnh tần số 46

2.2.5 Một biểu đồ khối OFDM 47

2.3MỘTVÍDỤ:OFDMTRONGWIMAX 48

2.4ĐỒNGBỘTHỜIGIANVÀTẦNSỐ 49

2.4.1 Đồng bộ thời gian 51

2.4.2 Đồng bộ tần số 52

2.4.3 Đạt được đồng bộ trong WiMAX 54

CHUONG 3 HIỆU SUẤT MỨC LIÊN KẾT CỦA WIMAX 56

3.1PHƯƠNGPHÁPMÔPHỎNGMỨCLIÊNKẾT 58

3.2HIỆUSUẤTKÊNHAWGNCỦAWIMAX 61

3.4LỢIÍCHCỦACÁCKỸTHUẬTĐAĂNGTENTRONGWIMAX 78

3.4.1 Phân tập phát và phân tập nhận 79 3.4.2 Vòng lặp mở và vòng lặp đóng MIMO 82

AAS Adaptive Antena System-Hệ thống anten thích nghi

AK Authorization Key-Khoá Cấp phép

B

BER Bit Error Ratio -Tỷ lệ lỗi bit

C

CDMA Code Division Multiple Access-Đa truy nhập chia mã

CP Cyclic Prefix-Tiền tố Tuần hoàn

CPE Customer Premise Equipment-Thiết bị đầu cuối thuê bao

D

DES Data Encryption Standard-Tiêu chuẩn mật mã dữ liệu

DFS Dynamic frequency selection-Lựa chọn tần số động

DHCP Dynamic host configuration protocol-Thủ tục cấu hình chủ

không cố định

E

EC Encryption control-Điều khiển mật mã

ECB Electronic code book-Bảng mật mã điện tử

EDE Encrypt-Decrypt-Encrypt-Mật mã-giải mã-mật mã

F

FEC Forward Error Correction-Mã hóa sử lỗi trước

FBSS Fast Base Station Switching -Chuyển đổi trạm gốc nhanh

FDMA Frequency Division Multiple Access-Đa truy nhập phân

chia tần số FDD Frequency division duplex-Song công chia tần số

FEC Forward error correction-Sửa lỗi hướng đi

FFT Fast Fourier transform-Biến đổi Fourier nhanh

FWA Fixed wireless access-Truy nhập không dây cố định

G

GPS Global positioning satellite -Vệ tinh định vị toàn cầu

H

I

IE Information element-Phần tử thông tin

IETF Internet Engineering Task Force-Tổ chức kỹ sư thiết kế

IP Internet Protocol-Thủ tục Internet

K

KEK Key encryption key-Khoá Mật mã Khoá

L

LAN Local area network-Mạng nội bộ

M

MAC Medium access control layer-Lớp điều khiển truy nhập môi trường MAN Metropolitan area network-Mạng khu vực thành phố

MDHO Macro Diversity Handover-Chuyển giao đa dạng riêng

MIMO Multi input Multi output-Đa đường vào đa đường ra

MMDS Multichannel multipoint distribution service-Dịch vụ phân

phối đa điểm đa kênh

PARP Peak-to Average Power Ratio-Công suất tương đối cực đại

PER Packet Error Rate-Tỷ lệ lỗi gói

PKM Privacy key management-Quản lý khoá riêng

PMP Point - to – multipoint-Điểm đa điểm

Q

QAM Quadrature Amplitude Modulation-Điều chế biên độ cầu

phương

QPSK Quadrature Phase-Shift Keying-Khoá dịch pha cầu phương

QoS Quality of Service-Chất lượng dịch vụ

R

RTPS Real-time polling service-Dịch vụ thăm dò thời gian thực

S

SA Security association-Tập hợp bảo mật

SAP Service access point-Điểm truy nhập dịch vụ

SAR Synthetic aperture radar-Radar khe hở nhân tạo

SDU Service data unit-Đơn vị dữ liệu dịch vụ

SS Subscriber Station-Trạm thuê bao

T TDD Time division duplex-Song công chia thời gian

TDM Time division multiplex-Ghép kênh chia thời gian

TDMA Time division multiple access-Đa truy nhập phân chia thời

MỤC CÁC CÁC BẢNG VÀ HÌNH

1 Hình 1.1: Mô hình mạng Wimax

2 Hình 1.2: Lộ trình công nghệ Wimax

3 Hình 2.1:Bộ phát đa sóng mang cơ bản:Dòng tốc độ cao Rbps

4 Hình 2.2: Một bộ thu song mang cơ bản

5 Hình 2.3:Tín hiệu đa sóng mang trải nghiệm kênh pha đinh thẳng trên mỗi kênh phụ, khi B/L << Bc mặc dù toàn bộ kênh chịu pha B > Bc

6 Hình 2.4 Tiền tố tuần hoàn OFDM

7 Hình 2.5 Chập tròn tạo bởi tiền tố tuần hoàn OFDM

8 Hình 2.6 Tiền tố số không OFDM cho phép kênh tuàn hoàn có thể được tạo ra ở bộ thu

9 Hình 2.7 Hệ thống ODFM trong ký hiệu véc tơ

10 Hình 2.8 Bộ chuyển dải tần cơ bản OFDM

11 Hình 2.9 Đồng bộ OFDM trong thời gian và tần số

12 Hình 2.10 Đồng bộ thời gian

13 Hình 2.11 Mất mát SNR như là một hàm của rìa tần số δ, tương ứng với khoảng cách các sóng mang

14 Hình 3.1a Bộ mô phỏng mức liên kết trong bộ phát

15 Hình 3.1b Bộ mô phỏng mức liên kết trong bộ thu

19 Hình 3.5 Hiệu quả quang phổ WiMAX

20 Hình 3.6 So sánh mã hóa Tubor trong chiều dài khối dài và ngắn với

mã hóa chập cho mô đun QPSK

21 Hình 3.7 BER với SNR cho dải tần AMC và các chế độ PUSC trong cách kênh Ped A và Ped B cho mô đun QPSK với mã hóa Tubor

22 Hình 3.8 BER và SNR cho dải tần AMC và các chế độ PUSC trong kênh Ped B cho mô đun 16 QAM với mã hóa Tubor

23 Hình 3.9 BER và SNR cho dải tần AMC và các chế độ PUSC trong kênh PeA cho mô đun QPSK với mã hóa Tubor

24 Hình 3.10 BER và SNR cho dải tần AMC và các chế độ PUSC trong kênh Ped A cho mô đun 16 QAM với mã hóa Tubor

25 Hình 3.11 BER và SNR cho dải tần AMC và các chế độ PUSC trong kênh phượng tiện A ở tốc độ 30km/giờ cho mô đun QPSK

26 Hình 3.13 Hiệu suất của PUSC ở kênh phương tiện A với tốc độ 30km/giờ chbộ thu thực tế và bộ thu với CSI hoàn hảo

27 Hình 3.14 Hiệu suất của PUSC ở kênh phương tiện A với tốc độ 120km/giờ cho bộ thu thực tế và bộ thu với CSI hoàn hảo

28 Hình 3.15 Ước lượng kênh và theo vết kênh trong các hệ thống OFDM

29 Hình 3.16 Số lượng các truyền dẫn trung bình cho mô đun QPSK trong chế độ PUSC trong kênh Ped B với dạng I và dạng II HARQ

30 Hình 3.17 Số lượng các truyền dẫn trung bình cho mô đun 16 QAM ở chế độ PUSC trong kênh Ped B với dạng I và dạng II HQRQ

31 Hình 3.18 Trung bình BER QPSK R1/2 vởi dải tần AMC trong kênh

đa đường truyền Ped B với pha đinh liên hệ và không liên hệ

32 Hình 3.19 Trung bình BER QPSK R1/2 với dải tần AMC trong một kênh đa đường truyền Ped B với pha đinh liên hệ và không liên hệ

33

Hình 3.20 BER trung bình cho phân tập phát vòng lặp mở và đóng cho QPSK R1/2 với dải tần AMC của kênh đa đường truyền với pha đinh liên hệ và không liên hệ

34

Hình 3.21 BER trung bình cho phân tập phát vòng lặp mở và đóng cho QPSK R3/4 với dải tần AMC của kênh đa đường truyền với pha đinh liên hệ và không liên hệ

35 Hình 3.22 BER trung bình cho phân tập phát và thu cho QPSK R1/2 PUSC trong kênh đa đường truyền với pha đinh không liên hệ

36 Hình 3.23 BER trung bình cho phân tập phát và thu cho QPSK R3/4 PUSC trong kênh đa đường truyền với pha đinh không liên hệ

37 Hình 3.24 Tỷ lệ lỗi bit cho dải tần AMC QPSK R1/2 trong kênh Ped B với hai luồng (ma trận B) cho lược đồ MIMO vòng lặp mở

38 Hình 3.25 Tỷ lệ lỗi bit cho dải tần AMC QPSK R3/4 trong kênh Ped B với hai luồng (ma trận B) cho lược đồ MIMO vòng lặp mở

39 Hình 3.26 Tỉ lệ bít lỗi cho dải tần AMC QPSK R1/2 trong kênh Ped B với luồng kép (ma trận B) cho lược đồ MIMO vòng lặp đóng

40 Hình 3.29 Tỷ lệ lỗi bit cho QPSK R3/4 với PUSC trong một kênh Ped

B 2x2 MIMO cho nhiều kiến trúc bộ nhận MIMO

TÊN HÌNH

41 Bảng 1.1 Dữ liệu cơ bản các chuẩn 802.16 IEEE

42 Bảng 1.2: Các hồ sơ chứng nhận ban đầu cho Wimax cố định và di dộng

45 Bảng 1.5 Tốc độ dữ liệu PHY ở nhiều băng thông kênh

46 Bảng 1.6: Các luồng dịch vụ được hỗ trỡ trong Wimax

47 Bảng 3.1 Các tham số mô phỏng mức liên kết tải lên và tải xuống

48 Bảng 3.2 Kích thước khối FEC

49 Bảng 3.3 Độ tăng giảm cường độ âm ngụ ý một mất mất liên kết xảy

ra khi so sánh dải tần AMC với hoán vị sóng phụ PUSC

50 Bảng 3.4 Độ tăng giảm cường độ HARQ cho QPSK và mô đun 16 QAM

51 Bảng 3.5 Độ tăng giảm cường độ phân tập thu cho dải tần AMC trong kênh Ped B

52 Bảng 3.6 Độ tăng giảm cường độ phát vòng lặp mở và vòng lặp đóng liên quan đến SISO cho dải tần AMC trong kênh Ped B

55 Bảng 3.9 thể hiện độ tăng giảm cường độ cho nhiều kiến trúc bộ thu với bộ thu MMSE cơ bản

MỞ ĐẦU 1.Sự cần thiết của vấn đề nghiên cứu

Công nghệ WiMAX, 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

Tại sao WiMAX lại cần thiết? Tại sao WiMAX lại quan trọng cho vô tuyến băng rộng cố định và vô tuyến băng rộng di động ?

WiMAX cần thiết vì là một công nghệ độc lập cho phép truy cập băng rộng cố định và di động

Chuẩn WiMAX là cần thiết để đạt mục tiêu chi phí thấp hơn Đây là điều

mà các giải pháp vô tuyến độc quyền không thể đạt được do những hạn chế về

số lượng Các giải pháp WiMAX có khả năng tương thích cho phép giảm bớt chi phí sản xuất nhờ việc tích hợp các chip chuẩn, làm cho các sản phẩm được Diễn đàn WiMAX chứng nhận có chi phí hợp lý để cung cấp các dịch vụ băng rộng công suất cao ở những khoảng cách bao phủ lớn trong các môi trường Tầm nhìn thẳng (LOS) và không theo tầm nhìn thẳng (NLOS) Đây là điều khả thi đối với WiMAX nhờ có sự hỗ trợ mạnh mẽ của ngành công nghiệp thông qua Diễn đàn WiMAX với hơn 350 thành viên bao gồm các nhà cung cấp thiết bị, các nhà sản xuất chip và các nhà cung cấp dịch vụ hàng đầu WiMAX quan trọng vô tuyến băng rộng cố định để cung cấp truy cập băng rộng cần thiết tới các doanh nghiệp và người sử dụng là hộ gia đình như

là một sự thay thế cho các dịch vụ cáp và DSL đặc biệt là khi truy cập tới cáp đồng là rất khó khăn

WiMAX quan trọng trong vô tuyến băng rộng di động, vì nó bổ sung trọn vẹn cho 3G vì hiệu suất truyền dữ liệu luồng xuống cao hơn 1Mbit/s, cho

phép kết nối các máy laptop và PDA và bổ sung cho Wi-Fi nhờ độ bao phủ rộng hơn

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu tìm hiểu tổng quan về Wimax, các yếu tố ảnh hưởng đến

hiệu năng mức liên kết mức liên kết của Wimax

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Tìm hiểu về kiến trúc, cơ chế hoạt động, mô hình ứng dụng, băng tần sử dụng, các chuẩn, phương thức điều chế của mô hình cung cấp dịch vụ mạng không dây băng thông rộng Wimax Trình bày về sự phát triển của tiêu chuẩn IEEE 802.16 và nghiên cứu nội dung các phân lớp chính mà tiêu chuẩn IEEE 802.16 đưa ra như phân lớp vật lý (PHY) hay phân lớp kiểm soát truy nhập môi trường (MAC).Tìm hiểu về phân chia theo tần số trực giao.Tìm hiểu về

hiệu năng mức liên kết của wimax

4 Nội dung nghiên cứu

-Tổng quan về wimax, -Các kỹ thuật sử dụng trong wimax -Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao -Hiệu năng mức liên kết của wimax

5 Kết cấu của luận văn

Luận văn gồm có 3 chương:

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ WIMAX Chương 2 :GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO Chương 3: HIỆU NĂNG MỨC LIÊN KẾT CỦA WIMAX

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ WIMAX

WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) là một công nghệ không dây băng rộng, hỗ trợ khả năng kết nối băng thông rộng tốc

độ cao cho cả mạng cố định lẫn mạng không dây di động Hai phiên bản của WiMAX đã được IEEE đưa ra như sau:

Hình 1.1 Mô hình mạng WiMAX

Fixed WiMAX (WiMAX cố định): Dựa trên tiêu chuẩn IEEE

802.16-2004, được thiết kế thích hợp cho dạng truy nhập cố định Trong phiên bản này sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonnal Frequency Division Multiple) hoạt động trong cả môi trường nhìn thẳng – LOS (line-of-sight) và không nhìn thẳng – NLOS (Non-line-of-sight) Sản phẩm dựa trên tiêu chuẩn này hiện tại đã được cấp chứng chỉ và thương mại hóa

Mobile WiMAX (WiMAX di động): dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.16e, hỗ

trợ cho dạng di động, cung cấp khả năng chuyển vùng – handoff và chuyển mạng – roaming Tiêu chuẩn này sử dụng phương thức đa truy cập ghép kênh chia tần số trực giao OFDMA (Orthogonnal Frequency Division Multiple

Access) – là sự phối hợp của kỹ thuật ghép kênh và kỹ thuật phân chia tần số

có tính chất trực giao, rất phù hợp với môi trường truyền dẫn đa đường nhằm tăng thông lượng cũng như dung lượng mạng, tăng độ linh hoạt trong việc quản lý tài nguyên, tận dụng tối đa phổ tần, cải thiện khả năng phủ sóng với các loại địa hình đa dạng Phiên bản này đã được hợp chuẩn năm 2005

Lộ trình công nghệ WiMAX có thể hình dung qua hình vẽ sau:

cơ sở điểm – điểm Một BS trong một cấu hình điểm – điểm có thể sử dụng anten chùm hẹp hơn để bao phủ các khoảng cách xa hơn

Chất lượng dịch vụ QoS: WiMAX có thể được tối ưu động đối với hỗn hợp lưu lượng sẽ được mang Có 4 loại dịch vụ được hỗ trợ: dịch vụ cấp phát

Hình 1.2 Lộ trình công nghệ WiMAX

tự nguyện (UGS), dịch vụ hỏi vòng thời gian thực (rtPS), dịch vụ hỏi vòng không thời gian thực (nrtPS), nỗ lực tốt nhất (BE)

Triển khai nhanh, chi phí thấp: So sánh với triển khai các giải pháp có dây, WiMAX yêu cầu ít hoặc không có bất cứ sự xây dựng thiết lập bên ngoài Ví dụ, đào hố để tạo rãnh các đường cáp thì không yêu cầu Ngoài ra, dựa trên các chuẩn mở của WiMAX, sẽ không có sự độc quyền về tiêu chuẩn này, dẫn đến việc cạnh tranh của nhiều nhà sản xuất, làm cho chi phí đầu tư một hệ thống giảm đáng kể

Dịch vụ đa mức: Cách thức nơi mà QoS được phân phát nói chung dựa vào sự thỏa thuận mức dịch vụ (SLA - Service-Level Agreement) giữa nhà cung cấp dịch vụ và người sử dụng cuối cùng Chi tiết hơn, một nhà cung cấp dịch vụ có thể cung cấp các SLA khác nhau tới các thuê bao khác nhau, thậm chí tới những người dùng khác nhau sử dụng cùng MS Cung cấp truy nhập băng rộng cố định trong những khu vực đô thị và ngoại ô, nơi chất lượng cáp đồng thì kém hoặc đưa vào khó khăn, khắc phục thiết bị số trong những vùng mật độ thấp nơi mà các nhân tố công nghệ và kinh tế thực hiện phát triển băng rộng rất thách thức

Tính tương thích: WiMAX được xây dựng để trở thành một chuẩn quốc

tế, tạo ra sự dễ dàng đối với người dùng cuối cùng để truyền tải và sử dụng

MS của họ ở các vị trí khác nhau, hoặc với các nhà cung cấp dịch vụ khác nhau Tính tương thích bảo vệ sự đầu tư của một nhà vận hành ban đầu vì nó

có thể chọn lựa thiết bị từ các nhà đại lý thiết bị

Di động: IEEE 802.16e bổ sung thêm các đặc điểm chính hỗ trợ khả năng di động Những cải tiến lớp vật lý OFDM (ghép kênh phân chia tần số trực giao) và OFDMA (đa truy nhập phân chia tần số trực giao) để hỗ trợ các thiết bị và các dịch vụ trong một môi trường di động Những cải tiến này, bao

gồm OFDMA mở rộng được, MIMO (Multi In Multi Out - nhiều đầu vào nhiều đầu ra), và hỗ trợ đối với chế độ idle/sleep và handoff, sẽ cho phép khả năng di động đầy đủ ở tốc độ tới 160 km/h Mạng WiMAX di động cho phép người sử dụng có thể truy cập Internet không dây băng thông rộng tại bất cứ đâu có phủ sóng WiMAX

Hoạt động NLOS: Khả năng hoạt động của mạng WiMAX mà không đòi hỏi tầm nhìn thẳng giữa BS và MS Khả năng này của nó giúp các sản phẩm WiMAX phân phát dải thông rộng trong một môi trường NLOS

Phủ sóng rộng hơn: WiMAX hỗ trợ động nhiều mức điều chế, bao gồm BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM Khi yêu cầu với bộ khuếch đại công suất cao và hoạt động với điều chế mức thấp (ví dụ BPSK hoặc QPSK) Các hệ thống WiMAX có thể phủ sóng một vùng địa lý rộng khi đường truyền giữa

BS và MS không bị cản trở Mở rộng phạm vi bị giới hạn hiện tại của WLAN công cộng (hotspot) đến phạm vi rộng (hotzone) Ở những điều kiện tốt nhất

có thể đạt được phạm vi phủ sóng 50 km với tốc độ dữ liệu bị hạ thấp (một vài Mbit/s), phạm vi phủ sóng điển hình là gần 5 km với CPE (NLOS) trong nhà và gần 15km với một CPE được nối với một anten bên ngoài (LOS) Dung lượng cao: Có thể đạt được dung lượng 75 Mbit/s cho các trạm gốc với một kênh 20 MHz trong các điều kiện truyền sóng tốt nhất

Tính mở rộng: Chuẩn 802.16 -2004 hỗ trợ các dải thông kênh tần số vô tuyến (RF) mềm dẻo và sử dụng lại các kênh tần số này như là một cách để tăng dung lượng mạng Chuẩn cũng định rõ hỗ trợ đối với TPC (điều khiển công suất phát) và các phép đo chất lượng kênh như các công cụ thêm vào để

hỗ trợ sử dụng phổ hiệu quả Chuẩn đã được thiết kế để đạt tỷ lệ lên tới hàng trăm thậm chí hàng nghìn người sử dụng trong một kênh RF Hỗ trợ nhiều kênh cho phép các nhà chế tạo thiết bị cung cấp một phương tiện để chú trọng

vào phạm vi sử dụng phổ và những quy định cấp phát được nói rõ bởi các nhà vận hành trong các thị trường quốc tế thay đổi khác nhau

Bảo mật: Bằng cách mã hóa các liên kết vô tuyến giữa BS và MS, sử dụng chuẩn mã hóa tiên tiến AES, đảm bảo sự toàn vẹn của dữ liệu trao đổi qua giao diện vô tuyến Cung cấp cho các nhà vận hành với sự bảo vệ mạnh chống lại những hành vi đánh cắp dịch vụ

Sau nhiều năm phát triển và thay đổi, các giải pháp cùng hoạt động dựa chuẩn đã hội tụ cho băng thông rộng không dây Một tập đoàn công nghiệp lớn, cùng hoạt động trên toàn thế giới cho truy cập sóng vi ba, diễn đàn WiMAX bắt đầu chứng nhận các sản phẩm không dây băng thông rộng cho tương tác và tuân thủ chuẩn WiMAX dựa trên các chuẩn mạng vùng đô thị không dây (WMAN) phát triển bởi nhóm IEEE 802.16 và được chấp nhận cả

ở IEEE và ETSI HIPERMAN Trong chương này, chúng ta trình bày ngắn gọn khía cạnh kỹ thuật mới nổi của giải pháp WiMAX cho không dây băng thông rộng Mục đích là cung cấp tóm tắt thực thi trước khi cung cấp chi tiết hơn về WiMAX

Chúng ta bắt đầu chương này bằng cách tổng kết các hoạt động của nhóm IEEE 802.16 và quan hệ của chúng với WiMAX Tiếp theo, chúng ta thảo luận các tính năng nổi bật của WiMAX và mô tả ngắn gọn đặc tính tầng vật lý và tầng MAC của WiMAX Các khía cạnh dịch vụ như chất lượng dịch

vụ, bảo mật, tính di động cũng được thảo luận và trình bày kiến trúc mạng tham chiếu Chương này kết thúc với thảo luận ngắn gọn về hiệu suất mong đợi của WiMAX

1.1 Nền tảng của IEEE 802.16 và WiMAX

Nhóm IEEE 802.16 được thành lập vào năm 1998 để phát triển một tiêu chuẩn cho băng thông rộng không dây Nhóm ban đầu tập trung vào phát triển

hệ thống băng thông rộng không dây dựa LOS điểm tới đa điểm cho hoạt động ở dải tần 10GHz – 66GHz Chuẩn kết quả, chuẩn 802.16 ban đầu hoàn thành vào tháng 12 năm 2001 – dựa trên lớp vật lý (PHY) sóng mang đơn với ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM) tầng MAC Nhiều khái niệm liên quan đến tầng MAC được chấp nhận cho không dây từ chuẩn mo đem cáp phổ thông (DOCSIS)

Nhóm IEEE 802.16 sau đó giới thiệu IEEE 802.16a, là chuẩn sửa đổi bao gồm các ứng dụng NLOS trong dải tần 2GHz – 11GHz, sử dụng tầng vật

lý dựa trên OFDM (ghếp kênh phân chia theo tần số trực giao) Phiên bản sửa đổi sau này như là chuẩn mới được giới thiệu năm 2004 gọi là IEEE 802.16-

2004 thay thế tất cả chuẩn trước đó là nền tảng cho các giải pháp WiMAX đầu tiên Các giải pháp WiMAX sau này dựa trên IEEE 802.16-2004 tập trung vào các ứng dụng cố định, và được xem là WiMAX cố định Vào tháng

12 năm 2005, nhóm IEEE hoàn thành và phê chuẩn IEEE 802.16e-2005, và

bổ sung cho chuẩn IEEE 802.16-2004 để hỗ trợ tính di động Chuẩn IEEE 802.16e-2005 là nền tảng cho các giải pháp WiMAX hỗ trợ các ứng dụng bộ hành và di động và được xem là WiMAX di động

Đặc điểm cơ bản của các tiêu chuẩn IEEE 802.16 được tóm tắt trong bảng 1.1 Lưu ý rằng, các chuẩn này cung cấp nhiều tùy chọn thiết kế khác nhau cơ bản Ví dụ, có lựa chọn nhiều tầng vật lý: tầng vật lý dựa trên sóng mang đơn gọi là không dây MAN-Sca, tầng vật lý dựa OFDM gọi là không dây MAN-OFDM và tầng vật lý dựa OFDMA gọi là không dây – OFDMA Tương tự, có nhiều lựa chọn cho kiến trúc MAC, ghép kênh, dải tần số hoạt động… Những chuẩn này được phát triển để phù hợp với nhiều ứng dụng và hoàn cảnh triển khai, vì vậy cung cấp các lựa chọn thiết kế thừa thãi cho nhà phát triển hệ thống Trong thực tế, có thể nói IEEE 802.16 là tập hợp các chuẩn, không phải là một chuẩn tương tác đơn lẻ

Với các lý do thực tế của tính tương tác, phạm vi của chuẩn cần giảm xuống, và một tập nhỏ hơn các lựa chọn thiết kế để thi hành cần được định danh Diễn đàn WiMAX làm điều đó bằng cách định nghĩa một số lượng giới hạn các hồ sơ hệ thống và hồ sơ chứng thực Một hồ sơ hệ thống định nghĩa một tập phụ các đặc tính tùy chọn và bắt buộc của tầng MAC và tầng vật lý được lấy từ các chuẩn IEEE 802.16-2004 và IEEE 802.16e-2005 Cần lưu ý rằng, các trạng thái tùy chọn và bắt buộc của đặc tính cụ thể trong hồ sơ hệ thống WiMAX có thể khác với chuẩn IEEE ban đầu: một dựa trên IEEE 802.16-2004, OFDM PHY gọi là hồ sơ hệ thống cố định; cái khác dựa trên IEEE 802.16e-2005 với OFDMA PHY gọi là hồ sơ hệ thống di động Hồ sơ chứng nhận được định nghĩa là thuyết minh của hồ sơ hệ thống cho tần số hoạt động, băng thông, chế độ ghép kênh Thiết bị WiMAX được chứng nhận cho khả năng tương tác cùng với hồ sơ chứng nhận cụ thể

Diễn đàn WiMAX đã định danh năm hồ sơ chứng nhận cố định và mười bốn hồ sơ chúng nhận di động (xem bảng 1.2) Đến nay, có hai hồ sơ WiMAX cố định với các thiết bị được chứng nhận Đó là các hệ thống 3.5GHz qua một kênh 3.5MHz, sử dụng hồ sơ hệ thống cố định dựa trên IEEE 802.16-2004 tầng vật lý OFDM với điểm tới đa điểm MAC Một trong các hồ sơ này sử dụng ghép kênh phân chia theo thời gian (FDD) và một ghép kênh phân chia theo thời gian (TDD)

Bảng 1.1 Dữ liệu cơ bản của các chuẩn 802.16 IEEE

di động Kiến trúc MAC Điểm tới đa điểm;

tổng

32Mbps - 134.4Mbps 1Mbps - 75Mbps 1Mbps - 75Mbps

Burst TDM/TDMA / OFDMA

TDM/TDMA / OFDMA

Băng thông kênh 20MHz, 25MHz,

28MHz

1,75 MHz, 3.5 MHz, 7 MHz, 14 MHz, 1,25 MHz,

5 MHz, 10MHz, 15MHz, 8,75 MHz

1,75 MHz, 3.5 MHz, 7 MHz, 14 MHz, 1,25 MHz, 5 MHz, 10MHz, 15MHz, 8,75 MHz

Thiết kế giao diện Không dây

MAN-SC

Không dây MAN-SCa ; Khong dây MAN-OFDM;

Không dây MAN-OFDMA

Không dây SCa ; Khong dây MAN-OFDM; Không dây MAN-OFDMA

256 OFDM như

là WiMAX cố định

Mở rộng OFDM như là WiMAX di

Kích thước FFT OFDM

2.345 GHz- 2.360GHz

sử dụng OFDMA mở rộng như là tầng vật lý Ở bước ban đầu, tất cả hồ sơ di động sẽ sử dụng MAC điểm tới đa điểm Lưu ý rằng, tất cả các hồ sơ chứng nhận tính di động ứng viên hiện nay đều dựa TDD Mặc dù TDD được ưa thích hơn, nhưng hồ sơ FDD cũng cần trong tương lai để tuân thủ các quy định quản lý ở các dải tần nhất định

Chúng ta tập trung hoàn toàn vào WiMAX, vì vậy chỉ thảo luận các khía cạnh của các chuẩn 802.16 liên quan đến chứng nhận WiMAX hiện nay và tương lai Lưu ý rằng các chi tiết kỹ thuật của IEEE 802.16e-2004 và 802.16-

2005 giới hạn các khía cạnh điều khiển và dữ liệu ở giao diện Vài khía cạnh quản lý mạng được định danh trong IEEE 802.16g Để hoàn thành hệ thống cuối đến cuối, cụ thể với tính di động, vài khía cạnh quản lý dịch vụ cuối tới cuối thêm vào cần được đặc tả Nhiệm vụ này được giao cho diễn đàn WiMAX NWG WiMAX NWG đang phát triển kiến trúc mạng cuối tới cuối

và phủ đầy các mảnh còn thiếu Chúng ta xem xét kiến trúc cuối tới cuối ở phần 2.6

1.2 Các đặc tính nổi bật của WiMAX

WiMax là giải pháp không dây băng thông rộng cung cấp đặt tính phong phú và linh hoạt trong tiềm năng và tùy chọn triển khai dịch vụ Một số đặc tính đáng lưu ý là:

Tầng vậy lý dựa OFDM: Tầng vậy lý WiMAX dựa trên ghép kênh phân chia theo tần số trực giao, cung cấp khả năng tốt trong môi trường đa đường truyền, và hoạt động trong các điều kiện NLOS OFDM hiện nay được chấp nhận rộng rãi để giảm lỗi đa đường truyền

Tốc độ dữ liệu đỉnh rất cao: WiMAX có khả năng hỗ trợ tốc độ dữ liệu đỉnh rất cao Trong thực tế, tốc độ dữ liệu đỉnh có thể đạt 74Mbps khi hoạt

động ở quang phổ rộng 20MHz Khi sử dụng lược đồ TDD với tỷ lệ 3:1 cho tốc độ dữ liệu đỉnh tương ứng là 25Mbps và 6.7 Mbps cho liên kết tải xuống

và liên kết tải lên tương ứng Những tốc độ dữ liệu đỉnh này đạt được bằng cách sử dụng điều chế 64 QAM với tỷ lệ mã hóa sửa lỗi là 5/6 Với các điều kiện tín hiệu rất tốt, thậm chí có thể đạt tốc độ dữ liệu cao hơn bằng cách sử dụng nhiều ăng ten và ghép kênh theo không gian

Hỗ trợ mở rộng băng thông và tốc độ dữ liệu: WiMAX có kiến trúc tầng vật lý với khả năng mở rộng cho phép mở rộng tốc độ dữ liệu với băng thông kênh có sẵn Khả năng mở rộng này được hỗ trợ trong chế độ OFDM, khi kích thước FFT (biến đối Fourier nhanh) có thể thay đổi theo băng thông kênh

có sẵn Ví dụ, một hệ thống WiMAX có thể sử dụng 128, 512, 1048 bit FFT dựa trên các băng thông kênh 1.25MHz, 5MHz hay 10MHz tương ứng Khả năng mở rộng được thực hiện động để hỗ trợ chuyển vùng giữa các mạng khác nhau với phân bổ băng thông khác nhau

Điều chế và mã hóa thích ứng (AMC): WiMAX hỗ trợ một lượng các điều chế và lược đồ mã hóa sửa lỗi cho phép các lược đồ này thay đổi trên mỗi người dùng và mỗi khung dựa trên các điều kiện kênh AMC là cơ chế hiệu quả để tối đa thông lượng trong các kênh thay đổi theo thời gian Thuật toán thích ứng điển hình sử dụng các lược đồ điều chế và mã hóa hỗ trợ tín hiệu đến nhiễu và tỷ lệ giao thoa ở bộ thu mà mỗi người dùng được cung cấp tốc độ cao nhất có thể với các liên kết của họ

Tầng liên kết truyền lại: Cho các kết nối yêu cầu tính tin cậy nâng cao, WiMAX hỗ trợ các yêu cầu truyền lại tự động (ARQ) ở tầng liên kết Các kết nối cho phép ARQ yêu cầu mỗi gói được truyền được nhận biết bởi bộ thu, các gói không biết được cho là thất lạc và được truyền lại WiMAX cũng hỗ trợ ARQ lai, là lai hiệu quả giữa FEC và ARQ

Hỗ trợ TDD và FDD: Cả IEEE 802.16-2004 và 802.16e-2005 hỗ trợ cả ghép kênh theo thời gian và ghép kênh theo tần số, cũng như ghép kênh FDD, cho phép triển khai với chi phí thấp TDD nhận được quan tâm nhất trong thực thi chính bởi các thuận lợi: (1) linh động trong chọn lựa tỷ lệ tốc độ dữ liệu của liên kết tải lên đến liên kết tải xuống, (2) khả năng khai thác hoán chuyển kênh, (3) khả năng thi hành trên quang phổ không ghép cặp, và (4) thiết kế bộ phát ít phức tạp Tất cả các hồ sơ WiMAX ban đầu dựa trên TDD ngoại trừ hai hồ sơ WiMAX cố định trong tần số 3.5GHz

Đa truy cập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA): WiMAX di động

sử dụng OFDM như là kỹ thuật đa truy cập, trong đó các người dùng khác nhau được phân bổ các tập con OFDM OFDMA khai thác khác biệt tần số và khác biệt đa người dùng để cải thiện đáng kể khả năng hệ thống

Phân bổ linh hoạt và động tài nguyên cho mỗi người dùng: Cả phân bổ tài nguyên liên kết tải lên và liên kết tải xuống được điều khiển bởi lịch biểu ở trạm mặt đất Khả năng được chia sẻ giữa nhiều người dùng trên các nhu cầu

cơ bản, sử dụng lược đồ TDM Khi sử dụng chế độ OFDMA-PHY, ghép kênh được thực hiện trong chiều tần số, bằng cách phân bổ các tập con sóng mang phụ khác nhau cho các người dùng khác nhau Tài nguyên có thể được phân

bổ trong miền không gian khi sử dụng các hệ thống ăng ten nâng cao (AAS) Chuẩn cho phép tài nguyên băng thông được phân bổ trong thời gian, tần số, không gian và có cơ chế linh hoạt để chuyển thông tin phân bổ tài nguyên trên các khung

Hỗ trợ chất lượng dịch vụ: Tầng MAC WiMAX có kiến trúc hướng kết nối và được thiết kế để hỗ trợ nhiều loại ứng dụng, bao gồm thoại và các dịch

vụ đa phương tiện Hệ thống cung cấp hỗ trợ cho tốc độ bit không đổi, tốc độ bit thay đổi, thời gian thực, và luồng không thời gian thực, thêm vào giao thông dữ liệu nỗ lực nhất MAC WiMAX được thiết kế để hỗ trợ lượng lớn người dùng, với nhiều kết nối mỗi thiết bị cuối, mỗi có yêu cầu QoS riêng Bảo mật mạnh mẽ: WiMAX hỗ trợ mã hóa mạnh mẽ, sử dụng chuẩn mã hóa nâng cao (AES), có tính riêng tư mạnh mẽ và giao thức quản lý chìa khóa Hệ thống cũng cung cấp kiến trúc xác thực linh động dựa trên giao thức xác thực mở rộng (EAP), cho phép ủy nhiệm người dùng, gồm tên người dùng/mật khẩu, chứng thực số và thẻ thông minh

Hỗ trợ tính di động: Sự khác biệt của hệ thống WiMAX di động là cơ chế là hỗ trợ bàn giao liên tục an toàn cho các ứng dụng di động hoàn toàn không trễ, như VoIP Hệ thống cũng có hỗ trợ xây dựng bên trong cho cơ chế tiết kiệm năng lượng mở rộng tuổi thọ pin của các thiết bị thuê bao cầm tay Tầng vật lý được cải tiến, như ước lượng kênh thường xuyên hơn, phụ hóa kênh liên kết tải lên, và điều khiển năng lượng được dành cho hỗ trợ các ứng dụng di động

Kiến trúc dựa IP: Diễn đàn WiMAX đã định danh kiến trúc mạng tham chiếu dựa trên IP Các dịch vụ cuối đến cuối phân phối qua kiến trúc IP tin

cậy vào các giao thức dựa IP cho truyền tải cuối đến cuối, QoS, quản lý phiên, bảo mật, và di động Dựa vào IP cho phép WiMAX giảm đường cong chi phí của xử lý IP, hội tụ với các mạng khác, và khai thác tính kinh tế cho phát triển ứng dụng đã tồn tại cho IP

1.3 Tầng vật lý WiMAX

Tầng vậy lý WiMAX dựa trên ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM là lược đồ truyền tải được lựa chọn cho dữ liệu tốc độ cao, video, và các truyền thông đa phương tiện và được sử dụng trong nhiều hệ thống băng thông rộng thương mại, gồm DSL, Wi-Fi, quảng bá video cầm tay (DVB-H), MediaFLO bên cạnh WiMAX OFDM là lược đồ tinh tế và hiệu quả cho truyền tải tốc độ dữ liệu cao trong không gian bị chắn hay môi trường sóng vô tuyến đa đường truyền Trong phần này, chúng ta xem xét các đặc tính cơ bản của OFDM và cung cấp tổng quan tầng vật lý WiMAX

1.3.1 Cơ bản về OFDM

OFDM thuộc về họ các lược đồ truyền tải gọi là điều biến đa sóng mang, dựa trên ý tưởng phân chi luồng dữ liệu tốc độ bit cao cho trước thành các luồng tốc độ bit thấp song song và điều biến mỗi luồng trên các sóng mang riêng biệt – thường gọi là sóng mang phụ Lược đồ điều biến đa sóng mang loại trừ và làm tối thiểu giao thoa nội ký hiệu (ISI) bằng cách làm cho thời gian ký hiệu lớn vừa đủ để cho các độ trễ kèm kênh – sự mở rộng độ trễ là một đo lượng tốt trong các kênh không dây – và là phần không đáng kể của chu kỳ ký hiệu Vì vậy, trong các hệ thống tốc độ dữ liệu cao mà chu kỳ mỗi

ký hiệu là nhỏ, bằng cách nghịch đảo tốc độ dữ liệu, chia luồng dữ liệu vào các luồng song song làm tăng chu kỳ ký hiệu của mỗi luồng và làm cho sự mở rộng độ trễ là phần nhỏ của chu kỳ ký hiệu

OFDM là phiên bản hiệu quả quang phổ của điều biến đa sóng mang, khi các sóng mang phụ được chọn tất cả chúng trực giao với một sóng mang khác trong chu kỳ ký hiệu, ngăn ngừa nhu cầu có các sóng mang phụ không chồng chéo để loại trừ giao thoa nội sóng mang Bằng cách chọn sóng mang phụ đầu tiên có tần số là số nguyên của chu kỳ trong thời gian ký hiệu, và đặt khoảng

cách giữa các sóng mang phụ liền kề (băng thông sóng mang phụ) là B SC = B/L, trong đó B là băng thông không đáng kể (bằng với tốc độ dữ liệu) và L là

số lượng các sóng mang phụ, đảm bảo tất cả các sóng mang phụ trực giao với nhau trong thời gian ký hiệu Có thể thấy rằng, tín hiệu OFDM là biến đổi

Fourier rời rạc nghịch đảo (IDFT) của khối chuỗi dữ liệu L trong thời gian Điều này khiến việc thực thi OFDM cực kỳ dễ dàng ở bộ phát và bộ thu trong thời gian rời rạc sử dụng IFFT (biến đổi Fourier nhanh nghịch đảo) và FFT tương ứng

Để hoàn toàn loại bỏ ISI, chu kỳ bảo vệ được sử dụng giữa các ký hiệu OFDM, bằng cách để thời gian bảo vệ lớn hơn sự mở rộng độ trễ đa đường truyền, ISI có thể hoàn toàn được loại bỏ Thêm vào chu kỳ bảo vệ, dù sao, ảnh hưởng đến lãng phí năng lượng và giảm hiệu quả băng thông Lượng năng lượng lãng phí phụ thuộc vào độ lớn của phần thời gian ký hiệu mà thời gian bảo vệ thực hiện Vì vậy, thời gian ký hiệu lớn hơn cho tốc độ dữ liệu cho trước, nghĩa là nhiều sóng mang phụ hơn sẽ làm giảm đi năng lượng mất mát và hiệu quả băng thông

Kích thước của FFT trong thiết kế OFDM phải được chọn cẩn thận để cân bằng sự bảo vệ đa đường truyền , dịch chuyển Doppler, và độ phức tạp/chi phí thiết kế Với băng thông cho trước, chọn kích thước FFT lớn làm giảm khoảng cách các sóng mang phụ và tăng thời gian ký hiệu Điều này làm

dễ dàng hơn việc bảo vệ trước sự mở rộng độ trễ đa đường truyền Giảm khoảng cách sóng mang phụ, dù sao, làm cho hệ thống dễ tổn thương với giao thoa nội sóng mang do sự mở rộng Doppler trong các ứng dụng di động Ảnh hưởng cạnh tranh của trễ và sự mở rộng Doppler trong yêu cầu thiết kế OFDM cần được cân bằng cẩn thận

1.3.2 Các tham số OFDM trong WiMAX

Như đã đề cập ở trước, phiên bản di động và cố định WiMAX có sự thực thi khá khác nhau của tầng vật lý OFDM WiMAX cố định dựa trên IEEE 802.16-2004, sử dụng 256 FFT tầng vật lý OFDM WiMAX di động dựa trên IEEE 802.16e-2005, sử dụng tầng vật lý dựa trên OFDM với khả năng mở rộng Trong trường hợp của WiMAX di động, kích thước FFT thay đổi từ 128 bit đến 2048 bit

Bảng 1.3 Thể hiện các tham số liên quan đến OFDM ở cả PHY và OFDMA-PHY Các tham số ở đây chỉ là tập giới hạn của các hồ

OFDM-sơ và được mong đợi triển khai và không lấy cạn kiệt các giá trị của tập hợp

OFDM-PHY

WiMAX di động OFDMA-PHY

Tiền tố tuần hoàn của

Tỷ lệ lấy mẫu

Phụ thuộc vào băng thông: 7/6 cho 256 OFDM, 8/7 cho nhiều 1.75MHz, và 28/25 cho nhiều 1.25MHz, 1.5MHz, 2MHz, hoặc 2.75MHz

WiMAX cố định OFDM-PHY: với phiên bản này, kích thước FFT cố định ở 256 với 192 sóng mang phụ mang dữ liệu, 8 cho các sóng mang phụ hướng dẫn để cho mục đích đồng bộ và ước lượng kênh, và phần còn lại sử dụng như là các sóng mang phụ dản bảo vệ Khi kích thước FFT là cố định, khoảng cách của các sóng mang phụ thay đổi theo băng thông kênh Khi băng thông lớn hơn được sử dụng, khoảng cách các sóng mang phụ tăng lên, và thời gian ký hiệu giảm xuống Giảm thời gian ký hiệu nghĩa là một phần lớn hơn cần được phân bổ cho thời gian bảo vệ để vượt qua sự mở rộng độ trễ Như thể hiện trong bảng 2.3, WiMAX cho phép phạm vi lớn của các lần bảo

vệ để người thiết kế hệ thống trao đổi giữa hiệu quả quang phổ và sự mạnh

mẽ mở rộng độ trễ Để tối đa sự mạnh mẽ mở rộng độ trễ, 25% thời gian bảo

vệ có thể được sử dụng, đặt mở rộng độ trễ lên tới 16 𝜇𝑠 khi hoạt động ở kênh

3.5MHz và tới 8 𝜇𝑠 trong kênh 7MHz Với các kênh đa đường truyền ban đầu, thời gian bảo vệ được giảm 3%

WiMAX di động OFDMA-PHY: trong WiMAX di động, kích thước FFT thay đổi từ 128 đến 2048 Ở đây, khi băng thông sẵn có tăng lên, kích thước FFT cũng tăng lên với khoảng cách các sóng mang phụ luôn là 10.94kHZ Điều này giữ khoảng thời gian ký hiệu OFDM, là đơn vị tài nguyên cơ bản, cố định và vì vậy làm cho thay đổi có ảnh hưởng tối thiểu trong các tầng cao hơn Thiết kế có thể thay đổi cũng được giữ ở chi phí thấp Khoảng cách sóng mang là 10.94kHz được chọn là cân bằng tốt để thỏa mãn

sự mở rộng độ trễ và các yêu cầu mở rộng Doppler cho hoạt động ở các môi trường di động hoặc cố định Khoảng cách sóng mang phụ này hỗ trợ các giá trị mở rộng độ trễ lên tới 20 𝜇𝑠 và di động phương tiện ở vận tốc 125 kmps khi hoạt động ở tần số 3.5GHz Khoảng cách 10.94 ngụ ý rằng, khi 128, 512,

1024, 2048 FFT được sử dụng khi băng thông kênh là 1.25MHz, 5MHz, 10MHz, 20MHz tương ứng Dù sao cũng cần lưu ý rằng, WiMAX di động cũng có hồ sơ băng thông thêm vào Ví dụ, một hồ sơ tương thích với WiBro

sẽ sử dụng kênh 8.75MHz và 1024 FFT Điều này rõ ràng yêu cầu khoảng cách sóng mang phụ khác và sẽ không có đặc tính thay đổi

1.3.3 Mã hóa và điều chế thích ứng trong WiMAX

WiMAX hỗ trợ nhiều lược đồ mã hóa và điều chế và cho phép lược đồ thay đổi từ bùng nổ sang bùng nổ mỗi liên kết, phụ thuộc vào các điều kiện kênh Sử dụng chỉ mục phản hồi chất lượng kênh, di động có thể cung cấp cho trạm mặt đất với phản hồi về chất lượng kênh liên kết tải xuống Với liên kết tải lên, trạm mặt đất có thể ước lượng chất lượng kênh, dựa trên chất lượng tín hiệu nhận được Lịch biểu trạm mặt đất có thể xem xét chất lượng kênh liên kết tải xuống và liên kết tải lên của mỗi người dùng và cấp phát lược đồ mã hóa và điều chế để tối đa thông lượng cho tỷ lệ tín hiệu đến nhiễu sẵn có Mã hóa và điều chế thích ứng làm tăng đáng kể khả năng toàn hệ thống, cho phép trao đổi thời gian thực giữa thông lượng và tính mạnh mẽ trên mỗi liên kết

Bảng 1.4 liệt kê danh sách nhiều lược đồ mã hóa và điều chế hỗ trợ bởi WiMAX Trong liên kết tải xuống, QPSK, 16 QAM, 64 QAM là bắt buộc cho

cả WiMAX cố định và di động; 64 QAM là tùy chọn trong liên kết tải lên Mã hóa FEC sử dụng mã chập là bắt buộc Mã chập được kết hợp với mã Reed-

Solomon phía ngoài trong liên kết tải xuống cho OFDM-PHY Chuẩn tùy chọn hỗ trợ mã turbo và mã kiểm tra tương đương mật độ thấp (LDPC) ở nhiều tỷ lệ mã Tổng số 52 kết hợp các lược đồ mã hóa và điều chế được định nghĩa trong WiMAX như là hồ sơ bùng nổ

1.3.4 Tốc độ dữ liệu tầng PHY

Bởi vì tầng vật lý của WiMAX khá linh động, hiệu suất tốc độ dữ liệu thay đổi theo các tham số hoạt động Các tham số có ảnh hưởng quan trọng trong tốc độ dữ liệu tầng vật lý là băng thông kênh và lược đồ mã hóa và điều chế được sử dụng Các tham số khác, như số lượng các kênh phụ, thời gian bảo vệ OFDM, tỷ lệ lấy mẫu, cũng có ảnh hưởng

Bảng 1.5 liệt kê danh sách các tốc độ dữ liệu tầng PHY ở nhiều băng thông kênh, cũng như ở các lược đồ mã hóa và điều chế Tốc độ ở đây là tập hợp tốc độ dữ liệu tầng vật lý chia sẻ giữa các người dùng trong phân vùng cho trường hợp TDD, giả sử ở tỷ lệ băng thông 3:1 cho liên kết tải xuống đến liên kết tải lên Tính toán ở đây với giả thiết kích thước khung 5ms, 12.5%

chu kỳ bảo vệ OFDM bị vượt qua, và lược đồ sắp xếp sóng mang phụ PUSC

Nó cũng giả thiết rằng, tất cả ký hiệu dữ liệu OFDM sử dụng là có sẵn cho giao thông người dùng ngoại trừ một ký hiệu sử dụng cho phía đầu khung liên kết tải xuống Các số ở đây không có ghép kênh theo không gian sử dụng nhiều ăng ten ở bộ phát và bộ thu, nếu sử dụng có thể làm tăng tốc độ đỉnh trong các kênh đa đường truyền giàu có

1.4 Tổng quan về tầng MAC

Nhiệm vụ chính của tầng MAC WiMAX là cung cấp giao diện giữa tầng vận tải phía trên và tầng vật lý Tầng MAC lấy các gói từ tầng trên – những gói này gọi là các đơn vị dữ liệu dịch vụ MAC (MSDUs) – và sắp xếp chúng trong các đơn vị giao thức MAC (MPDUs) cho truyền tải trong không gian Cho tín hiệu nhận được, tầng MAC làm ngược lại Thiết kế IEEE 802.16-

2004 và 802.16e-2005 bao gồm tầng phụ hội tụ có thể giao tiếp với nhiều giao thức tầng cao hơn, như ATM, thoại TDM, Ethernet, IP và các giao thức bất

kỳ trong tương lai Với ưu thế của IP và Ethernet trong ngành công nghiệp, diễn đàn WiMAX quyết định hỗ trợ chỉ IP và Ethernet ở thời điểm hiện tại Bên cạnh cung cấp ánh xạ tới và từ các tầng cao hơn, tầng phụ hội tụ ngăn chặn đầu đề MSDU để giảm quá tải tầng trên trong mỗi gói

WiMAX MAC được thiết kế từ cơ bản để hỗ trợ các tốc độ bit đỉnh cao trong khi phân phối chất lượng dịch vụ tương tự như ATM và DOCSIS WiMAX MAC sử dụng MPDU chiều dài thay đổi và cung cấp nhiều sự linh hoạt cho phép truyền tải hiệu quả Ví dụ, nhiều MPDUs với cùng chiều dài hay khác chiều dài có thể kết hợp trong một bùng nổ đơn để giữ PHY không quá tải Tương tự, nhiều MSDUs từ cùng một dịch vụ tầng trên có thể kết nối trong một MPDU để giữ cho đầu đề MAC không quá tải Tiếp theo, MSDUs lớn có thể phân mảnh vào các MPDU nhỏ hơn và gửi qua nhiều khung

Hình 1.2 thể hiện các ví dụ của nhiều khung MAC PDU (đơn vị dữ liệu gói) Mỗi khung MAC có tiền tố là đầu đề MAC chứa định danh kết nối (CID), chiều dài khung, và các bit để lượng hóa sự hiện diện CRC, đầu đề phụ, và tải trọng được mã hóa và chìa khóa của nó Tải trọng MAC có thể là thông báo quản lý hay vận tải Bên cạnh MSDUs, tải trọng vận tải có thể chứa các yêu cầu băng thông hay yêu cầu truyền tải lại Tải trọng vận tải này được xác định bởi đầu đề phụ đến trước Các ví dụ của đầu đề phụ là các đầu đề phụ gói lại và đầu đề phụ phân mảnh WiMAX MAC cũng hỗ trợ ARQ, có thể sử dụng để yêu cầu truyền tải lên các MSDUs chưa phân mảnh và phân mảnh Chiều dài khung tối đa là 2047 byte, biểu diễn bởi 11 bit trong GMH

1.4.1 Các cơ chế truy cập kênh

Trong WiMAX, tầng MAC ở trạm mặt đất chịu trách nhiệm hoàn toàn phân bổ băng thông cho tất cả người dùng, ở cả liên kết tải lên và liên kết tải xuống Chỉ ở thời điểm MS có vài điều khiển phân bổ băng thông khi có

nhiều phiên làm việc và kết nối với BS Trong trường hợp này, BS phân bổ băng thông tới MS một cách kết hợp, và chia cho MS giữa nhiều kết nối Tất

cả lịch biểu trên liên kết tải xuống và liên kết tải lên được thực hiện bởi BS Cho liên kết tải xuống, BS có thể phân bổ băng thông cho mỗi MS, dựa trên yêu cầu của giao thông đến, mà không liên quan đến MS Với liên kết tải lên, phân bổ dựa trên các yêu cầu từ MS

Chuẩn WiMAX hỗ trợ vài cơ chế mà MS có thể yêu cầu và nhận được băng thông liên kết tải lên Phụ thuộc vào QoS cụ thể và các tham số giao thông liên hệ với dịch vụ, một hay nhiều cơ chế này có thể sử dụng bởi MS

BS phân bổ dành riêng hay chia sẻ tài nguyên tới MS khi MS yêu cầu băng thông Quá trình này gọi là bỏ phiếu (polling) Polling có thể được thực hiện riêng lẻ hay thành nhóm Polling đa quảng bá được thực hiện khi không đủ băng thông để phân bổ cho mỗi MS một cách riêng lẻ Khi Polling thực hiện

đa quảng bá, khe phân bổ cho các yêu cầu băng thông là khe chia sẻ, khi tất cả

cố gắng bỏ phiếu MS được sử dụng WiMAX định nghĩa các cơ chế phân giải

và truy cập ganh đua trong trường hợp nhiều MS cố gắng sử dụng khe chia sẻ Nếu đã có phân bổ cho giao thông được gửi, MS sẽ không bỏ phiếu Thay vào

đó, nó cho phép yêu cầu thêm băng thông bằng cách (1) truyền đi yêu cầu băng thông MPDU riêng biệt, (2) gửi đi yêu cầu băng thông sử dụng kênh phạm vi và (3) lùi lại yêu cầu băng thông cho gói MAC dùng chung

1.4.2 Chất lượng dịch vụ

Hỗ trợ QoS là phần cơ bản của thiết kế tầng MAC WiMAX WiMAX mượn nhiều ý tưởng cơ bản đằng sau thiết kế QoS từ chuẩn Modem cáp DOCSIS Điều khiển QoS mạnh mẽ được đạt tới bằng cách sử dụng kiến trúc MAC hướng kết nối, trong đó tất cả kết nối liên kết tải lên và liên kết tải xuống được điều khiển bởi BS phục vụ Trước khi bất kỳ truyền tải dữ liệu nào xảy ra, BS và MS thiết lập liên kết lô gic vô hướng, gọi là kết nối, giữa hai lớp MAC ngang hàng Mỗi kết nối xác định bởi định danh kết nối (CID), phục vụ như là địa chỉ tạm thời cho truyền tải dữ liệu trên liên kết cụ thể Thêm vào các kết nối cho truyền tải dữ liệu người dùng, WiMAX MAC định nghĩa ba kết nối quản lý – cơ bản, chính, và phụ - sử dụng với chứng năng thay đổi phạm vi

WiMAX cũng định nghĩa một khái niệm của luồng dịch vụ Một luồng dịch vụ là luồng vô hướng các gói với một tập xác định các tham số QoS

được định nghĩa bởi định danh luồng dịch vụ (SFID) Các tham số QoS có thể bao gồm ưu tiên giao thông, tốc độ giao thông lớn nhất, tốc độ bùng nổ lớn nhất, tỷ lệ dung nhỏ nhất, kiểu lịch biểu, kiểu ARQ, trễ lớn nhất Các luồng dịch vụ có thể được dự liệu qua một hệ thống quản lý mạng hoặc tạo ra động

từ cơ chế tín hiệu được định nghĩa trong chuẩn Trạm mặt đất chịu trách nhiệm phát hành SFID và ánh xạ nó vào CIDs duy nhất Các luồng dịch vụ có thể được ánh xạ tới điểm mã số DiffServ hay nhãn luồng MPLS để cho phép QoS dựa IP cuối đến cuối

Để hỗ trợ nhiều ứng dụng, WiMAX định nghĩa năm dịch vụ lịch biểu (bảng 2.6) có thể được hỗ trợ bởi bộ lịch MAC trạm mặt đất cho truyền tải qua một kết nối:

1.Các dịch vụ trợ cấp tự nguyện (UGS): nó được thiết kế để hỗ trợ gói

dữ liệu kích thước cố định ở tốc độ bit không đổi (CBR) Các ứng dụng có thể

sử dụng dịch vụ này là thi đua E1/T1, VoIP không ngăn cấm thầm lặng Các tham số luồng dịch vụ bắt buộc định nghĩa dịch vụ này là: tốc độ giao thông phải chịu lớn nhất, tiềm năng lớn nhất, biến động dung thứ, và chính sách yêu cầu/truyền tải

2.Dịch vụ bỏ phiếu thời gian thực (rtPS): dịch vụ này thiết kế để hỗ trợ các luồng dịch vụ thời gian thực; như video MPEG, khi tạo ra các gói dữ liệu kích thước thay đổi trên nền tảng định kỳ Các tham số luồng dịch vụ bắt buộc định nghĩa dịch vụ này là tốc độ giao thông dự trữ nhỏ nhất, tốc độ giao thông phải chịu lớn nhất, tiềm năng lớn nhất, và chính sách yêu cầu/truyền tải

3.Dịch vụ bỏ phiếu không thời gian thực (nrtPS): Dịch vụ này thiết kế để

hỗ trợ dòng dữ liệu dung thứ trễ, như FTP, yêu cầu dữ liệu kích thước thay đổi trợ cấp ở tỷ lệ bảo đảm nhỏ nhất Các tham số luồng dịch vụ bắt buộc định nghĩa dịch vụ này là tốc độ giao thông dự trữ nhỏ nhất, tốc độ giao thông phải chịu lớn nhất, ưu tiên giao thông, và chính sách yêu cầu/truyền tải

4.Dịch vụ nỗ lực tốt nhất (BE): dịch vụ này thiết kế để hỗ trợ dòng dữ liệu, như duyệt Web, không yêu cầu bảo đảm mức dịch vụ Các tham số luồng dịch vụ bắt buộc định nghĩa dịch vụ này là tốc độ giao thông phải chịu lớn nhất, ưu tiên giao thông, chính sách yêu cầu/truyền tải

5.Dịch vụ tốc độ thay đổi thời gian thực mở rộng (ERT-VR): dịch vụ này được thiết kế để hỗ trợ các ứng dụng thời gian thực, như VoIP với ngăn ngừa thầm lặng, có tốc độ dữ liệu thay đổi nhưng yêu cầu bảo đảm tốc độ dữ liệu

và trễ Dịch vụ này chỉ được định nghĩa trong IEEE 802.16e-2005, không trong IEEE 802.16-2004 Được định nghĩa như là dịch vụ bỏ phiếu thời gian thực mở rộng (ErtPS)

Mặc dù không định nghĩa lịch biểu mỗi phiên, WiMAX đã định nghĩa nhiều tham số và đặc tính để thuận tiện cho thực thi hiệu quả lịch biểu:

Hỗ trợ định nghĩa tham số chi tiết các yêu cầu QoS và các cơ chế hiệu quả trong các điều kiện giao thông tín hiệu và các yêu cầu QoS chi tiết trong liên kết tải lên

Hỗ trợ phân bổ tài nguyên động ba chiều trong tầng MAC Tài nguyên

có thể được phân bổ trong thời gian (khe thời gian), tần số (sóng mang phụ),

và không gian (nhiều ăng ten) trên nền tảng khung tiếp khung

Hỗ trợ phản hồi thông tin chất lượng kênh nhanh cho phép lịch biểu được chọn thích hợp với mã hóa và điều chế (hồ sơ bùng nổ) cho mỗi phân

bổ

Hỗ trợ sắp xếp sóng mang phụ liên tục, như AMC, cho phép lịch biểu khai thác khác biệt nhiều người dùng bằng cách phân bổ mỗi sóng mang phụ tương ứng với kênh phụ mạnh nhất

Cần lưu ý rằng, thực thi lịch biểu hiệu quả là thiết yếu cho khả năng và hiệu suất toàn hệ thống WiMAX

Bảng 1.6 Các luồng dịch vụ được hỗ trợ trong WiMAX

Thiết kế luồng dịch vụ Các tham số QoS Ứng dụng mẫu

Các dịch vụ trợ cấp tự nguyện

Tốc độ giao thông phải chịu lớn nhất, tiềm năng lớn nhất, biến động dung thứ, và chính sách yêu cầu/truyền tải

VoIP không ngăn cấm thầm lặng

Dịch vụ bỏ phiếu thời gian thực

Tốc độ giao thông dự trữ nhỏ nhất, tốc độ giao thông phải chịu lớn nhất, tiềm năng lớn nhất, và chính sách yêu cầu/truyền tải

Dòng âm thanh và hình ảnh MPEG

Dịch vụ bỏ phiếu không thời gian thực

Tốc độ giao thông dự trữ nhỏ nhất, tốc độ giao thông phải chịu lớn

Giao thức truyền tệp (FTP)

nhất, ưu tiên giao thông,

và chính sách yêu cầu/truyền tải Dịch vụ nỗ lực tốt nhất

Tốc độ giao thông phải chịu lớn nhất, ưu tiên giao thông, chính sách yêu cầu/truyền tải

Truyền dữ liệu, duyệt Web

Dịch vụ tốc độ thay đổi thời gian thực mở rộng

Tốc độ giao thông dự trữ nhỏ nhất, tốc độ giao thông phải chịu lớn nhất, dung thứ tiềm năng lớn nhất, dung thứ biến động, ưu tiên giao thông

VoIP với ngăn ngừa thầm lặng,

1.4.3 Các đặc tính tiết kiệm năng lượng

Để hỗ trợ các thiết bị di động dùng pin, WiMAX di động có các đặc tính tiết kiệm năng lượng cho phép các trạm thuê bao di động hoạt động trong các khoảng thời gian dài hơn mà không phải xạc lại pin Tiết kiệm năng lượng đạt được bằng cách tắt các phần của MS trong hành vi được điều khiển khi nó không chủ động truyền hay nhận dữ liệu WiMAX di động các phương pháp tín hiệu cho phép MS lùi về chế độ ngủ hay chế độ nhàn rỗi khi không tích cực Chế độ ngủ là trạng thái MS chủ động tắt nó và không sẵn sàng cho các khoảng thời gian định trước Các khoảng thời gian vắng mặt được thỏa thuận với BS phục vụ WiMAX định nghĩa ba lớp tiết kiệm năng lượng dựa trên hành vi mà chế độ ngủ thực hiện Khi trong chế độ tiết kiệm năng lượng lớp

1, cửa sổ ngủ tăng theo số mũ từ giá trị nhỏ nhất đến giá trị lớn nhất Điều này thường được thực hiện khi MS làm nỗ lực tốt nhất và giao thông không thời gian thực Tiết kiệm năng lượng lớp 2 có cửa sổ ngủ chiều dài cố định và được sử dụng cho dịch vụ UGS Tiết kiệm năng lượng lớp 3 cho phép cửa sổ ngủ một thời gian và thường sử dụng cho giao thông đa quảng bá hoặc giao thông quản lý khi MS biết khi nào giao thông kế tiếp xảy ra Để tối thiểu tiêu thụ năng lượng MS, chế độ ngủ bảo tồn tài nguyên vô tuyến BS Để dễ dàng bàn giao khi trong chế độ ngủ, MS được cho phép quét các trạm mặt đất khác

để thu thập các thông tin liên quan đến bàn giao

Chế độ nhàn rỗi cho phép thậm chí tiết kiệm năng lượng lớn hơn, và hỗ trợ nó là tùy chọn trong WiMAX Chế độ nhàn rỗi cho phép MS hoàn toàn tắt

và không đăng ký với bất kỳ BS cho đến khi nhận giao thông quảng bá liên kết tải xuống Khi giao thông liên kết tải xuống đến cho chế độ nhàn rỗi MS,

MS phân trang bằng một sưu tập các trạm mặt đất cấu thành một nhóm phân trang MS được cấp phát cho nhóm phân trang bởi BS trước khi vào chế độ nhàn rỗi, và MS định kỳ thức dậy để cập nhật nhóm phân trang Chế độ nhàn rỗi tiết kiệm nhiều năng lượng hơn chế độ ngủ, khi MS thậm chí không đăng

ký hay bàn giao Chế độ nhàn rỗi gây lợi cho mạng và BS bằng cách loại bỏ giao thông bàn giao từ MS không tích cực

2.Bỏ túi: Truy cập du mục được cung cấp cho các thiết bị bỏ túi, như thẻ

PC, với mong đợi bàn giao nỗ lực tốt nhất 3.Tính di động đơn giản: thuê bao có thể di chuyển với vận tốc tới 60kmph với đứt quãng ngắn (nhỏ hơn 1 giây) trong quá trình bàn giao

4.Tính di động đầy đủ: di chuyển đến 120kmph và bàn giao liên tục( trễ nhỏ hơn 50ms và <1% gói mất mát) được hỗ trợ

Mạng WiMAX ban đầu được triển khai cho các ứng dụng cố định và du mục và sau đó đổi mới để hỗ trợ tính bỏ túi tới tính di động đầy đủ qua thời gian

Chuẩn IEEE 802.16e-2005 định nghĩa khung làm việc để quản lý tính di động Cụ thể, chuẩn định nghĩa cơ chế tín hiệu cho theo vết trạm thuê bao khi

họ di chuyển từ vùng phủ sóng của một trạm mặt đất tới trạm khác khi tích cực hoặc họ di chuyển từ một nhóm phân trang tới nhóm khác khi nhàn rỗi Chuẩn cũng có các giao thức cho phép bàn giao liên tục của các kết nối đang chạy từ một trạm mặt đất tới trạm khác Diễn đàn WiMAX đã sử dụng khung làm việc định nghĩa trong IEEE 802.16e-2005 để phát triển sâu hơn quản lý tính di động trong khung làm việc kiến trúc mạng cuối tới cuối Kiến trúc này cũng hỗ trợ tính di động lớp IP sử dụng IP di động

Ba phương pháp bàn giao được hỗ trợ trong IEEE 802.16e-2005; một là bắt buộc và hai còn lại là tùy chọn Phương pháp bàn giao bắt buộc gọi là bàn giao cứng (HHO) là loại duy nhất yêu cầu thực thi bởi WiMAX di động ban đầu HHO ngụ ý truyền tải đột ngột của kết nối từ một BS đến BS khác Các quyết định bàn giao được tạo bởi BS, MS hay thực thể khác, dựa trên các kết quả đo lường báo cáo bởi MS MS định kỳ quét tần số vô tuyến và đo chất lượng tín hiệu của các trạm mặt đất bên cạnh Việc quét được thực hiện trong khoảng thời gian quét phân bổ bởi BS Trong khoảng thời gian này, MS cho phép tùy chọn thực hiện phạm vi hóa ban đầu và liên hệ với một hoặc hơn các trạm mặt đất bên cạnh Một khi quyết định bàn giao được tạo ra, MS bắt đầu đồng bộ với truyền tải liên kết tải xuống của BS mục tiêu, thực hiện phạm vi hóa nếu nó không được làm xong trong khi quét, và kết thúc kết nối với BS trước Bất kỳ MPDUs chưa phân phối ở BS được giữ lại cho đến khi hết hạn thời gian

Hai phương pháp bàn giao tùy chọn hỗ trợ trong IEEE 802.16e-2005 là chuyển mạch trạm mặt đất nhanh (FBSS) và bàn giao khác biệt vĩ mô (MDHO) Trong hai phương pháp này, MS bảo trì kết nối hiệu lực đồng thời với nhiều BS Trong trường hợp FBSS, MS bảo trì danh sách các BS liên quan, gọi là tập hợp tích cực MS tiếp tục theo dõi tập tích cực, thực hiện phạm vi hóa, và bảo trì ID kết nối hiệu lực với mỗi trong số chúng MS, dù sao truyền thông với chỉ một BS, gội là BS mỏ neo Khi thay đổi BS mỏ neo được yêu cầu, kết nối được chuyển mạch từ một trạm mặt đất sang trạm khác

mà không thực hiện rõ ràng tín hiệu bàn giao MS đơn giản thông báo BS được lựa chọn trên CQICH

Bàn giao khác biệt vĩ mô tương tự như FBSS, ngoại trừ MS truyền thông trên liên kết tải xuống và liên kết tải lên với tất cả trạm mặt đất trong tập hợp tích cực – gọi là tập khác biệt – một cách đồng thời Trong liên kết tải xuống, nhiều bản sao chép nhận được ở MS được kết hợp lại sử dụng kỹ thuật kết hợp khác biệt Trong liên kết tải lên, khi MS gửi dữ liệu tới nhiều trạm mặt đất, khác biệt lựa chọn được thực hiện để lấy liên kết tải lên tốt nhất

Cả FBSS và MDHO cung cấp hiệu suất vượt trội , nhưng chúng yêu cầu các trạm mặt đất trong các tập tích cực và khác biệt phải được đồng bộ, sử dụng cùng tần số sóng man, và chia sẻ đầu vào mạng – các thông tin liên quan Hỗ trợ cho FBSS và MDHO trong các mạng WiMAX không được phát

triển đầy đủ cho đến nay, và không nằm trong đặc tả mạng diễn đàn WiMAX phát hành 1

1.4.5 Các chức năng bảo mật

Không giống Wi-Fi, các hệ thống WiMAX được thiết kế từ đầu với bảo mật mạnh mẽ Chuẩn gồm cả các phương pháp trạng thái nghệ thuật để đảm bảo riêng tư dữ liệu người dùng và ngăn chặn truy cập không xác thực, với tối

ưu giao thức thêm vào cho tính di động Bảo mật được quản lý bởi lớp phụ riêng tư trong WiMAX MAC Các khía cạnh chìa khóa của bảo mật WiMAX như sau

Hỗ trợ tính riêng tư: Dữ liệu người dùng được mã hóa sử dụng các lược

đồ mã hóa đồ họa mạnh mẽ để cung cấp tính riêng tư Cả AES (chuẩn mã hóa nâng cao) và 3DES (chuẩn mã hóa dữ liệu bộ ba) đều được hỗ trợ Hầu hết các thực thi có xu hướng sử dụng AES, khi nó là chuẩn mã hóa được chuẩn y như là chấp thuận với chuẩn xử lý thông tin liên bang (FIPS) và dễ dàng hơn

để thi hành Chìa khóa 128 bit hoặc 256 bit được sử dụng để nhận được mã hóa được tạo ra trong pha xác thực và định kỳ làm tươi để thêm vào sự bảo

vệ

Xác thực người dùng, thiết bị: WiMAX cung cấp sự linh động cho xác thực trạm thuê bao và người dùng để ngăn chặn sử dụng không xác thực Khung làm việc xác thực dựa trên IETF EAP, và các thẻ thông minh Các thiết bị đầu cuối WiMAX đến với chứng nhận số X.509 chứa chìa khóa công cộng và địa chỉ MAC Nhà mạng WiMAX có thể sử dụng chứng nhận cho xác thực thiết bị và xác thực tên người dùng/mật khẩu hoặc thẻ thông minh ở trên cùng của xác thực người dùng

Giao thức quản lý chìa khóa linh động: Giao thức quản lý chìa khóa và riêng tư phiên bản 2 (PKM v2) được sử dụng cho chìa khóa truyền tải an toàn

từ trạm mặt đất đến trạm di động, định kỳ xác thực lại và làm tươi chìa khóa PKM là giao thức khách – chủ: MS hành động như khách; BS là máy chủ PKM sử dụng chứng nhận số X.509 và thuật toán mã hóa chìa khóa công cộng RSA để thực hiện an toàn trao đổi giữa BS và MS

Bảo vệ các thông báo điều khiển: Sự toàn vẹn của các thông báo điều khiển qua không gian được bảo vệ bằng cách sử dụng các lược đồ thông báo sâu nhất như CMAC dựa trên AES hoặc HMAC dựa trên MD5

Hỗ trợ bàn giao nhanh: Để hỗ trợ bàn giao nhanh, WiMAX cho phép MS

sử dụng xác thực trước với BS mục tiêu cụ thể để dễ dàng tăng tốc thu về Một lược đồ bắt tay ba cách được hỗ trợ để tối ưu cơ chế xác thực lại để hỗ trợ bàn giao nhanh, trong khi đồng thời ngăn chặn bất kỳ tấn công ở giữa nào

CHƯƠNG 2: GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) là kỹ thuật mô đun

đa sóng mang được chấp nhận một cách rộng rãi trong thời gian gần đây cho các hệ thống truyền thông tốc độ dữ liệu cao, bao gồm đường thuê bao số, LAN không dây (802.11/a/g/n), quảng bá phim số, và hiện nay được sử dụng trong WiMAX và các hệ thống băng thông rộng không dây độc quyền như Flash-OFDM phát triển bởi Flarion, 3G LTE và hệ thống di động thế hệ thứ

tư Sự phổ biến của OFDM cho các ứng dụng tốc độ dữ liệu cao đến từ sự hiệu quả và sự quản lý linh động của nhiễu liên ký hiệu (ISI) và các kênh phân tán

Nếu như sự mở rộng độ trễ kênh τ tăng theo cấp số nhân của thời gian

ký hiệu Ts, ISI trở nên rất gay gắt Theo định nghĩa, các hệ thống tốc độ dữ liệu cao thường có τ >> Ts, từ đó số lượng các ký hiệu gửi trong mỗi giây là cao Trong các hệ thống bị chắn (NLOS), như WiMAX, phải truyền đi với khoảng cách trung bình hay rất dài, sự mở rộng độ trễ thường lớn Tóm lại, tất

cả các loại hệ thống băng thông rộng không dây luôn bị ảnh hưởng bởi ISI và

do đó, luôn cần các kỹ thuật truyền và nhận để vượt qua ISI Mặc dù các chuẩn 802.16 bao gồm các kỹ thuật mô đun mang đơn, nhưng chủ yếu, các hệ thống tương thích 802.16 sẽ sử dụng mô hình OFDM, đã được chọn bởi diễn đàn WiMAX

2.1 Mô đun đa sóng mang

Ý tưởng cơ bản của mô đun đa sóng mang khá đơn giản và tự nhiên đến

từ ước muốn cạnh tranh cho tốc độ dữ liệu cao và cách kênh không ISI Để có được các kênh mà không có ISI, thời gian ký hiếu Ts phải lớn hơn, thường lớn hơn đáng kể so với sự mở rộng độ trễ kênh Các hệ thống truyền thông số đơn giản không thể hoạt động nếu có ISI; và trần lỗi nhanh chóng phát triển và các tiệm cận Ts hoặc xuống dưới τ, tốc độ lỗi bit trở nên không thể dung hòa Như

đã lưu ý trước đây, cho các kênh băng thông rộng cung cấp tốc độ dữ liệu cao cần thiết cho các ứng dụng ngày nay, thời gian ký hiệu mong muốn thường nhỏ hơn rất nhiều so với sự mở rộng độ trễ, vì vậy nhiễu liên ký hiệu trở nên rất gay gắt

Để vượt qua vấn đề này, mô đun đa sóng mang chia dòng bit được truyền ở tốc độ cao thành L dòng phụ tốc độ thấp, mỗi dòng có Ts/L >> τ và