Nghiên cứu triển khai mạng truy nhập vô tuyến trên nền hệ thống MAN Ethernet của Viễn thông Hà nội

Đề tài : Nghiên cứu triển khai mạng truy nhập vô tuyến trên nền hệ thống MAN Ethernet của Viễn thông Hà nội, đề tài luận văn thạc sỹ kỹ thuật dành cho các bạn học viên tham khảo trong quá trình học tập và nghiên cứu.

 Tại một số khu vực chung c, căn hộ cao cấp trên địa bàn Thành phố Hà nội

đã có hiện tợng các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông “nhanh tay” ký các hợp

đồng cung cấp dịch vụ với ban quản lý khu nhà và triển khai mạng cáp trongthời gian thi công công trình Điều đó dẫn đến hiện tợng độc quyền kinhdoanh dịch vụ viễn thông, ngăn cản các nhà cung cấp khác (do không triểnkhai đợc mạng cáp trong toà nhà)

 Bắt đầu xuất hiện nhu cầu truy nhập không dây tốc độ cao tại các địa điểmcông cộng tập trung đông ngời nh: Khu vực triển lãm, nhà ga hàng không,sân vận động, siêu thị v.v

Để giải quyết các vấn đề nói trên, việc nghiên cứu triển khai mạng truy nhậpbăng rộng vô tuyến là hớng nghiên cứu đang đợc Viễn thông Hà nội nói riêng vàTập đoàn BC-VT Việt nam tập trung đẩy mạnh trong thời gian tới

Hiện nay, việc triển khai thử nghiệm hệ thống truy nhập băng rộng vô tuyếnWiMAX trên trên nền MAN Ethernet mạng viễn thông Hà nội đã đợc lãnh đạo tập

đoàn VNPT, lãnh đạo Viễn thông Hà nội đặc biệt quan tâm, nhất là trong hoàn cảnhmột số nhà kinh doanh viễn thông khác cũng bắt đầu có sự quan tâm đến thị truờngmới này

Với thế mạnh đặc thù của mạng truy nhập vô tuyến nh: triển khai nhanhchóng, cấu hình mềm dẻo, hiệu quả đầu t cao, ít phụ thuộc vào việc thiết kế, quyhoạch đô thị, lại tận dụng đợc u việt của hệ thống truy nhập quang trên nền MANEthernet sẵn có nh dung lợng truyền dẫn, độ tin cậy cao, việc xây dựng hệ thốngtruy nhập băng rộng vô tuyến WiMAX trên trên nền MAN Ethernet có thể gópphần giải quyết các bài toán kinh doanh nói trên của Viễn thông Hà nội nói riêng vàVNPT nói chung

Chơng I.

truy nhập vô tuyến băng rộng và mạng lai quang-vô tuyến hfr 1.1 Tổng quan về truy cập băng rộng - mạng lai quang/vô tuyến:

Các dịch vụ băng rộng điện tử nh WWW, VoD, truyền hình số, dữ liệu cónhu cầu về băng thông ngày càng tăng Các đờng truyền vô tuyến là một trongnhững giải pháp cho phân đoạn cuối cùng, hứa hẹn hiệu quả trong việc sử dụng vốn

đồng thời sẽ phát triển nhanh và rẻ hơn so với triển khai dịch vụ tới tận nhà thôngqua cáp đồng và cáp quang Phụ thuộc vào các ứng dụng cụ thể, các hệ thống vôtuyến thờng khác nhau về phạm vi hoạt động, cơ chế phân bố, tần số sóngmang.v.v

Trong xu hớng hiện nay, với nhu cầu ngày càng cao về truy cập di động thìmạng truy nhập vô tuyến đã trở thành một giải pháp bổ sung hữu hiệu cho mạngtruy nhập quang cho dù mạng truy nhập quang vốn rất có u thế về độ tin cậy cũng

nh dung lợng, tốc độ đờng truyền nhng lại không thể là giải pháp khả thi cho vấn đềtruy nhập di động Tuy đã đợc nghiên cứu từ rất sớm nhng cho tới trớc khi chuẩnIEEE 802.11 thờng đợc biết đến với tên gọi Wi-Fi hay sau đó là 802.16 (WiMAX),LTE (chuẩn châu Âu) ra đời thì các hệ thống truy nhập vô tuyến thực sự cha thoảmãn đợc nhu cầu ngày càng cao về dung lợng, tốc độ cho các khách hàng Những

hệ thống cung cấp tính di động tốt nhất nh các hệ di động tế bào GSM/DSC1800(Châu Âu) hay D-AMPS, PHS (Nhật Bản) cũng chỉ cho phép cung cấp từ 9,6kbs tớihàng chục kbps hay thậm chí với tốc độ lý thuyết 171kbps của GPRS cũng không

đáp ứng đợc nhu cầu ngày càng cao của ngời sử dụng Các dịch vụ dữ liệu haymultimedia chất lợng cao vẫn đòi hỏi một băng thông lớn hơn nhiều vốn chỉ đợccung cấp bởi các dịch vụ cáp quang hay cáp đồng mang lại Việc ra đời củaWiMAX với băng thông từ 8Mbps tới hàng chục Mbps/sector hay từ hàng trămKbps tới 5Mbps tại đầu cuối kết hợp với mạng truyền dẫn quang sẵn có thực chất đã

là điểm đến của việc kết hợp tính năng truy nhập dữ liệu băng rộng IP với tính năng

di động, một trong những mục tiêu chính của 3G

1.2 HFR cho các ứng dụng truy nhập

1.2.1 W-LAN (IEEE 802.11) HFR

W-LAN (IEEE 802.11): mạng trong nhà dựa trên tiêu chuẩn W-LAN IEEE802.11, về lý thuyết có thể sử dụng các hệ thống HFR cho liên kết nối với các hệthống mặt đất Sơ đồ mạng phụ thuộc vào các đặc tính của các hệ thống HFR và khảnăng của các thiết bị E/O (quỹ công suất và băng tần) Kiến trúc truy nhập HFRtrong nhà có khả năng cho tế bào pico, W-LAN khi các trạm gốc đợc đặt ở trungtâm và các điểm truy nhập chỉ gồm các Anten đầu xa và chuyển đổi quang sang

điện

1.2.2 WiMAX (IEEE 802.16) trên HFR

WIMAX di động (IEEE 802.16e) cung cấp thông tin tốc độ cao (tới 5Mbps)giữa thiết bị vô tuyến khách hàng ở môi trờng trong nhà và cung cấp kết nối tốc độcao giữa thiết bị xách tay và IP, ATM băng rộng và các loại mạng lõi khác Tính di

động đợc hỗ trợ trong vùng dịch vụ cục bộ; tính di động vùng rộng (ví dụ roaming).WIMAX di động (IEEE 802.16e) với khả năng di động và roaming đã đợc chuẩnhoá, việc triển khai nhanh chóng rất thuận tiện cho các khu vực khó triển khai mạngtruy nhập quang cũng nh các hotspot nh trung tâm hội nghị, hội chợ, nhà ga v.v

Hiện nay băng tần 2.5GHz đã đợc cấp phép cho dịch vụ WiMAX (thửnghiệm tại Hà nội và TP Hồ Chí Minh Trong tơng lai là việc xem xét cấp phép chocác băng tần 2.3GHz, 3.5GHz và 5.8GHz

1.3 Mô hình kết nối Ethernet-WiMAX trong mạng MANE

Sơ đồ nguyên tắc tổ chức hệ thống truy nhập WiMAX trên MANE nh hình 1sau đây:

ISP

POST

CORE Lớp biờn

Lớp truy nhập

WiMAX core

Switch L3 /Router

Hình 1: Cấu trúc WiMAX trên MANE

Nh vậy trong sơ đồ tổ chức trên, WiMAX đóng vai trò của lớp truy nhập(Access) tơng ứng tại cấu hình 3 lớp của MANE Ngoài chức năng truyền tải lu l-ợng truy nhập, MANE còn đóng vai trò hệ thống truyền dẫn kết nối giữa các sitecủa WiMAX và giữa các site với WiMAX core Vai trò xác thực - tính cớc có thểthực hiện tại WiMAX core hoặc tại ISP, lúc này WiMAX thuần tuý đóng vai trò lớpAccess cho MANE Đây là kiểu kiến trúc tích hợp trạm gốc đa tế bào và HFR

Ưu điểm của kiến trúc này là :

 Giảm số lợng giao diện vật lý và logic tới mạng lõi

 Chức năng tập trung lu lợng giữa các tế bào khác nhau Kết hợp băngtần của nhiều tế bào có thể làm giảm tổng số lợng các băng tần

 Tích hợp cao hơn bằng cách chia sẻ tài nguyên (nguồn nuôi, phân bố

đồng bộ, khả năng các bộ vi điều khiển, bộ nhớ v.v )

 Tơng tác đơn giản giữa các trạm gốc đầu xa Thay vì các giao thức, hệthống có thể sử dụng các phần mềm để giải quyết các vấn đề thông tin

xử lý nội bộ

 Giảm giá thành khai thác và bảo dỡng

 Sử dụng các kỹ thuật vô tuyến mới, khi phần lớn hạ tầng HFR khôngphụ thuộc vào băng tần và phơng thức điều chế

Một vấn đề quan trọng khác của kiến trúc trạm gốc có liên quan tới tính kếtnối giữa các thiết bị đầu cuối đăng nhập vào cùng một trạm gốc Tính kết nối có thể

đợc cung cấp bên trong trạm gốc tuy nhiên trong trờng hợp này vấn đề tính cớc cần

Trong việc hỗ trợ tính di động, chuyển giao rất cần thiết để ngăn ngừa việcrớt cuộc gọi khi đi ra các vùng biên của tế bào Nhìn chung, việc chuyển giao đợcxem nh việc thay đổi các kênh vật lý để duy trì cuộc gọi Khái niệm chuyển giao tếbào bao gồm cả thuật ngữ intra (trong tế bào) và inter (giữa các tế bào) Thông th-ờng chuyển giao đợc coi nh hoạt động trong một hệ thống Tuy nhiên với việc xuấthiện chuyển giao các sản phẩm đa băng tần và đa nhiệm sẽ thực hiện tốt với các hệthống khác nhau

1.4 Kết luận

Mặc dù có rất nhiều các hoạt động nghiên cứu về công nghệ HFR tuy nhiêncác tiêu chuẩn hay khuyến nghị cho các hệ thống HFR cho tới nay còn rất ít Hiệnnay mới chỉ có ITU đa ra một khuyến nghị cho tín hiệu RF truyền qua sợi quang

Đó là khuyến nghị ITU-R F.1332-1 đợc đợc nhóm nghiên cứu thông tin vô tuyến số

8 và nhóm nghiên cứu chuẩn hoá viễn thông số 15 đa ra vào năm 1999

Khuyến nghị này tập trung vào các tín hiệu vô tuyến truyền tải trong sợiquang thông thờng ứng dụng cho các tuyến truy nhập tới trạm gốc vô tuyến và một

số các hệ thống HFR Các hệ thống HFR này có u điểm là:

 Triển khai các bộ điều chế/giải điều chế và một số chức năng thiết bịOLT ở phía mạng phân bố để đơn giản hoá RAU từ đó giảm giá thành vàbảo dỡng

 Tối u hiệu quả băng tần của đờng truyền vô tuyến

HFR có thể tích hợp đợc với những hệ thống vô tuyến sau:

 Truy nhập vô tuyến cố định: WLL, HIPERACCESS, LMDS

 Các hệ thống đi động: GSM-900, DCS-1800, IS-95, WCDMA,

 W-LAN trong nhà: HIPERLAN/2, IEEE802.11, IEEE802.16

 Các hệ thống truy nhập vệ tinh

Các ứng dụng hiện thời của HFR chủ yếu tập trung vào giải quyết vấn đề phủsóng cho các khu vực rất khó thực thi các giải pháp truy nhập khác Tuy nhiên,HFR có thể tìm đợc thị trờng lớn hơn đó là cung cấp cho các điểm hotspot tại cácmiền micro và pico, ví dụ nh trung tâm thành thị, nhờ việc tập trung hoá tại trạmtrung tâm

hệ thống end-to-end cho WiMAX di động.

Giao diện không gian WiMAX di động đợc dựa trên chuẩn giao diện vôtuyến IEEE 802.16-2004 (I) và bản sửa IEEE 802.16e di động (II) so với chuẩn.Profile hệ thống WiMAX di động quy định những đặc điểm bắt buộc và những tuỳchọn của chuẩn IEEE cần thiết để xây dựng một giao diện không gian MobileWiMAX tuân thủ do diễn đàn WiMAX chứng nhận Profile hệ thống WiMAX di

động cho phép định cấu hình các hệ thống di động dựa trên một bộ chức năng cơbản chung

Công nghệ WiMAX, đợc dựa trên chuẩn giao diện vô tuyến IEEE

802.16-2004 đang chứng tỏ đợc rằng nó là một công nghệ đóng vai trò quan trọng trongmạng MAN vô tuyến băng rộng cố định Phòng lab cấp chứng chỉ đầu tiên đợc thiếtlập tại Cetecom, Malaga, Tây Ban Nha đang hoạt động với hơn 150 thử nghiệm vềsản phẩm WiMAX từ các khu vực Châu Âu, Châu á, Châu Phi, Bắc và Nam Mỹ.Không còn nghi ngờ gì nữa, WiMAX cố định, đợc dựa trên chuẩn giao diện vôtuyến IEEE 802.16-2004 đang chứng tỏ là một giải pháp vô tuyến cố định hiệu quả

về mặt giá thành khi so với các dịch vụ khác nh dịch vụ cáp và DSL Tháng 10, năm

2005 IEEE thông qua bản bổ sung 802.16e để thành chuẩn 802.16 Bản bổ xungnày đa ra các đặc điểm và thuộc tính để có thể hộ trợ đợc tính di động Diễn đànWiMAX đang xác định năng lực của hệ thống và profile chứng chỉ đợc dựa trênIEEE802.16e, và sau đó, diễn đàn WiMAX xác định các yếu tố kỹ thuật cũng nhcấu hình cần thiết cho kiến trúc mạng WiMAX di động end-end Profile hệ thốngphiên bản 1 đợc hoàn thành vào đầu năm 2006

WiMAX di động sẽ là một giải pháp vô tuyến băng rộng cho phép hội tụmạng băng rộng cố định và di động thông qua công nghệ truy nhập vô tuyến băngrộng trên diện rộng và kiến trúc mạng mềm dẻo Nhóm kỹ thuật di động (MTG)trong diễn đàn WiMAX đang phát triển profile hệ thống WiMAX di động với việcxác định các đặc điểm bắt buộc và tuỳ chọn của chuẩn IEEE để xây dựng các giaodiện vô tuyến tuân theo WiMAX di động mà có thể đợc cấp chứng chỉ bởi diễn đàn

WiMAX Profile WiMAX di động sẽ bao gồm độ rộng kênh 5, 6, 8,75 và

10 Mhz trong băng tần số 2,3 Ghz, 2,5 Ghz và 3,5 Ghz

Hình 2: Profile WIMAX di độngCác profile hệ thống Mobile WiMAX đợc thiết kế để đảm bảo chức năng cơbản trên thiết bị kết cuối và các trạm gốc hoàn toàn tơng thích Một vài thành phầncủa trạm gốc đợc quy định là tuỳ chọn để cung cấp thêm độ mềm dẻo khi triển khaidựa trên các viễn cảnh triển khai đặc thù có thể yêu cầu các cấu hình khác nhau đ ợctối u hoá dung lợng hoặc tối u hoá vùng phủ sóng

Nhóm làm việc mạng của diễn đàn WiMAX (NWG) đang phát triển các tiêuchuẩn kỹ thuật mạng “mức cao” cho hệ thống WiMAX di động mà trong chuẩnIEEE 802.16 mới chỉ giải quyết các vấn đề đơn giản của các phần giao diện vôtuyến Sự nỗ lực kết hợp giữa IEEE 802.16 và diễn đàn WiMAX đã xác định đ ợccác giải pháp cho hệ thống WiMAX di động end-to-end

Các hệ thống WiMAX di động đợc dựa trên phơng thức đa truy nhập chiatheo tần số trực giao (OFDMA) để cải thiện vấn đề đa đờng và hoạt động trong điềukiện NLOS (không nhìn thẳng) Phơng thức OFDMA mềm dẻo (SOFDMA) đợc sửdụng trong bản bổ xung IEEE 802.16e để hỗ trợ băng thông của kênh thay đổi Mặc

dù chuẩn 802.16 hỗ trợ băng thông kênh từ 1.25 tới 20 Mhz, Profile WiMAX di

động đầu tiên sẽ bao gồm băng thông kênh 5MHz, 6MHz, 8,75MHz và 10 Mhztrong băng tần sẽ đợc cấp phép của diễn đàn 2,3 Ghz, 2,5 Ghz và 3,5 Ghz Diễn đànWiMAX đã phát triển các đặc điểm kỹ thuật cho Profile WiMAX và cấu trúc mạng

và hoàn thành trong năm 2006 Những profile đầu tiên sẽ đợc hoàn thành trongProfile phiên bản 1 đã đợc hoàn thành sớm trong đầu năm 2006

Hệ thống WiMAX di động cung cấp tính mềm dẻo “scalability” (khả năng

mở rộng) cho cả công nghệ truy nhập vô tuyến và kiến trúc mạng, do đó mang đến

độ mềm dẻo lớn trong tuỳ chọn triển khai mạng và cung cấp dịch vụ Chức năngquan trọng nhất đợc hỗ trợ bởi các lớp vật lý và lớp MAC cảa WiMAX di động làtốc độ số liệu cao: kỹ thuật an ten MIMO cùng với hệ thống kênh con hoá mềmdẻo, khung MAC lớn hơn, mã hoá cải tiến và điều chế đã cho phép công nghệ

và option

Profile WIMAX di

động phiên bản 1

WiMAX di động hỗ trợ tốc độ kênh DL lên tới 63 Mpbs trên một sector và tốc độ

số liệu UL cao nhất lên tới 39Mbps trên một sector đối với kênh 10 Mhz

2.1.2 Chất lợng dịch vụ QoS:

Tiền đề cơ bản của cấu trúc IEEE 802.16 MAC là QoS Nó xác định cácluồng dịch vụ có thể đợc ánh xạ tới các điểm mã DiffServ hoặc nhãn luồng MPLScho phép IP end-to-end dựa trên QoS Hơn nữa, kênh con hoá và sơ đồ báo hiệu dựatrên MAP cung cấp cơ chế mềm dẻo cho việc sắp xếp tối u dựa trên không gian, tần

số và các khe thời gian truy cập gói trong giao diện không gian có thể đợc sắp xếpkhác nhau cho mỗi khung Sự mềm dẻo này đảm bảo tính chắc chắn đợc duy trìcùng với các kỹ thuật mã hoá điều chế

2.1.3 Scalability (khả năng mở rộng):

Mặc dù xu hớng toàn cầu hoá ngày càng tăng, nguồn tài nguyên phổ chobăng rộng vô tuyến vẫn có những đặc điểm riêng theo vị trí địa lý Do đó công nghệWiMAX di động đợc thiết kế để cho phép làm việc linh hoạt với các độ phân kênhkhác nhau từ 1,25 Mhz tới 20 Mhz để tuân thủ với các yêu cầu khác nhau khi cốgắng đạt đợc sự hài hoà lâu dài về phổ tần số Điều này cho phép thay đổi hệ thốngkinh tế để nhận ra lợi ích nhiều mặt của công nghệ WiMAX di động cho những nhucầu địa lý đặc biệt của họ ví dụ nh cung cấp truy cập Internet ở những vùng nôngthôn thay vì tăng cờng dung lợng của truy cập băng rộng vô tuyến ở Metro vànhững khu vực ngoại ô

2.1.4 Security (An ninh):

Các đặc điểm cho khía cạnh an ninh WiMAX di động thuộc loại tốt nhất vớinhận thực dựa trên EAP, mã hoã nhận thực dựa trên AES-CCM, và sơ đồ bảo vệ bảntin điều khiển dựa trên CMAC và HMAC Hỗ trợ cho tập đa dạng của ngời sử dụngbao gồm SIM/USIM, thẻ thông minh, chứng chỉ số, sơ đồ tên/mật khẩu đợc dựa trênphơng pháp EAP cho mỗi loại

2.1.5 Mobility (di động):

WiMAX di động hỗ trợ sơ đồ handover (chuyển giao) tối u với độ trễ nhỏhơn 50ms để đảm bảo cho các ứng dụng thời gian thực nh VoIP không làm suy biếndịch vụ Sơ đồ quản lý mềm dẻo đảm bảo cho thuộc tính an ninh (security) đợc duytrì khi chuyển vùng

Bản sửa 802.16e đợc IEEE phê duyệt vào tháng 12 năm 2005 Với việc hoànthành phê chuẩn của IEEE, diễn đàn WiMAX có thể tiếp tục việc quy định hệ thống

và chứng chỉ profile dựa trên bản sửa 802.16e theo đó thêm di động băng rộng vàocác dịch vụ do công nghệ WiMAX hỗ trợ Trong khi các hoạt động chuẩn hoá đang

đợc tiến hành, các nhà cung cấp thiết bị đã năng động phát triển các thiết bị sẽ tuânthủ WiMAX/802.16e

2.2 Mô tả lớp vật lý:

2.2.1 Các khái niệm cơ bản về OFDMA:

Ghép kênh chia theo tần số trực giao là một kỹ thuật ghép kênh trong đó chiabăng thông thành các sóng mang phụ đa tần số nh đợc chỉ ra trong hình 3 Trong hệthống OFDM, luồng số liệu đầu vào đợc chia ra thành các luồng phụ song song vớitốc độ số liệu đợc giảm xuống (do đó quá trình mẫu đợc tăng lên) và mỗi luồng phụ

đợc điều chế và truyền trên một sóng mang phụ trực giao riêng biệt Hơn nữa, việc

sử dụng tiền tố tuần hoàn (CP) có thể hoàn toàn loại trừ xuyên nhiễu ký hiệu vì chutrình CP dài hơn độ trễ kênh CP là sự lập lại của các mẫu cuối cùng của phần dữliệu của khối đợc gắn vào phần đầu của luồng dữ liệu nh nêu trong hình 3

Hình 3: Ghép kênh OFDMA

CP chống lại xuyên nhiễu giữa các khối và cho phép cân bằng miền tần số có

độ phức tạp thấp Những nhợc điểm có thể thấy của CP là nó sử dụng overhead(mào đầu) làm giảm đáng kể hiệu quả của băng thông Trong khi CP làm giảm hiệuquả sử dụng băng thông đi một phần nào đó, ảnh hởng của CP tơng tự nh “roll offfactor” trong hệ thống mang đơn lẻ đã đợc qua bộ lọc Raised-cosine Do phổ

OFDM có hình rất nhọn giống nh phổ “brick-wall", do đó một phần lớn băng thông

kênh đợc sử dụng cho truyền số liệu nên giúp giảm ảnh hởng trong việc sử dụng

tiền tố tuần hoàn.

OFDM khai thác sự thay đổi tần số của kênh đa đờng bằng cách sử dụng mãhoá và chen thông tin qua các sóng mang phụ trớc khi vào truyền dẫn Điều chếOFDM có thể đợc thực hiện với chuyển đổi Fourier ngợc nhanh hiệu quả, cho phéptruyền một số lợng lớn các sóng mang phụ (2048) với độ phức tạp thấp Trong một

hệ thống OFDM, các tài nguyên nguồn đều sẵn có trong miền thời gian dới hìnhthức các ký hiệu OFDM và trong miền tần số là các sóng mang phụ Nguồn tàinguyên “tần số” và “thời gian” có thể đợc tổ chức thành các kênh con dùng cho việc

phân bổ tới từng ngời sử dụng cá nhân OFDMA là một sơ đồ đa truy nhập / ghépkênh cung cấp hoạt động ghép kênh các luồng số liệu từ nhiều user (multiple users)vào các kênh con downlink và đa truy nhập uplink bằng phơng tiện kênh conuplink.

2.2.2 Cấu trúc ký hiệu OFDMA và kênh con hóa

Cấu trúc ký hiệu OFDMA bao gồm 3 kiểu sóng mang phụ nh đợc chỉ ratrong hình 4:

 Sóng mang con số liệu cho truyền dẫn số liệu

 Sóng mang con pilot cho mục đích ớc lợng và đồng bộ hoá

 Sóng mang con Null cho không có truyền dẫn, đợc sử dụng cho phầnbăng thông an toàn và tải mang DC

Hình 4: Cấu trúc sóng mang phụ OFDMASóng mang con tích cực (số liệu và pilot), đợc nhóm thành từng nhóm sóngmang con đợc gọi là kênh con WiMAX OFDMA PHY hỗ trợ kênh con hoá trongcả DL và UL Đơn vị nguồn tài nguyên thời gian-tần số nhỏ nhất cho kênh con hoá

là một khe, bằng 48 tone số liệu

Có 2 kiểu hoán vị sóng mang con cho kênh con hoá: phân tập (diversity) và

kế tiếp (contiguous) Sự hoán vị phân tập lôi cuốn các sóng mang con giả ngẫunhiên để hình thành một kênh con Sự hoán vị này tạo ra phân tập tần số và mứctrung bình xuyên nhiễu giữa các cell Sự hoán vị phân tập bao gồm DL FUSC (FullyUsed Sub-Carrier), DL PUSC (Partially Used Sub-Carrier) và UL PUSC và các hoán

vị tuỳ chọn thêm Với DL PUSC, mỗi cặp ký hiệu OFDM, các sóng mang con sẵn

có hoặc khả dụng đợc nhóm thành các nhóm (clusters) gồm 14 sóng mang liền kề/

ký hiệu, với sự phân bổ pilot và số liệu trên mỗi nhóm thành các ký hiệu chẵn và lẻ

nh hình 5

Một sơ đồ tái sắp xếp đợc sử dụng để hình thành các nhóm cluster mà mỗinhóm đợc tạo thành bởi các cluster đợc phân bố qua độ rộng của sóng mang phụ

Sóng mang phụ truyền dẫn số liệu Sóng mang phụDC

Sóng mang phụ Pilot

Sóng mang phụ guard band

Một kênh con trong một nhóm chứa 2 cluster và bao gồm 48 sóng mang con số liệu

và 8 sóng mang con pilot

Tơng tự với các cấu trúc cluster cho DL, một cấu trúc tile đợc xác định cho

UL PUSC có định dạng nh hình 6

Độ rộng sóng mang con sẵn có đợc chia thành các tile, và 6 tile đợc chọn từtoàn bộ phổ bằng sơ đồ hoán vị/ tái sắp xếp, đợc nhóm cùng nhau để hình thành mộtkhe Khe bao gồm 48 sóng mang số liệu và 24 sóng mang pilot trong 3 ký hiệuOFDM

Hoán vị kế tiếp nhóm một khối các sóng mang con kế tiếp để hình thànhkênh con Hoán vị kế tiếp bao gồm DL AMC và UL AMC, và có cùng một cấu trúc.Một bin bao gồm 9 sóng mang con kế tiếp trong một ký hiệu, với 8 đợc gán cho sốliệu và một đợc gán cho pilot Một khe (slot) trong AMC đợc xác định nh là một tậphợp các bin với kiểu (N*M=6), trong đó N là bin kế tiếp và M là số ký hiệu kế tiếp

Do đó, các kiểu kết hợp có thể là [(6 bin, 1 ký hiệu), (3 bin, 2 ký hiệu), (1 bin 6 kýhiệu)] Hoán vị AMC cho phép phân tập multi-user bằng cách chọn kênh con với sựphản hồi tần số tốt nhất

Nói chung, kiểu hoán vị sóng mang con phân tập thể hiện tốt trong các ứngdụng di động trong khi đó hoán vị sóng mang con kế tiếp lại phù hợp tốt cho môi tr-ờng cố định, lu động hoặc có thể là môi trờng chuyển động chậm Những tuỳ chọnnày cho phép ngời thiết kế hệ thống cân bằng độ di chuyển cho dung lợng

Hình 5: Phân tập tần số kênh con luồng xuống DL

Ký tự chẵn

Ký tự lẻ

Sóng mang phụ Data Sóng mang phụ Pilot

Hình 6: Cấu trúc hoán vị kế tiếp luồng xuống DL

Hình 7: Chèn mã mào đầu Cyclic

2.2.3 Scalable OFDMA

Phơng thức của IEEE 802.16e vô tuyến MAN OFDMA dựa trên khái niệmscalable OFDMA (S-OFDMA) S-OFDMA hỗ trợ một khoảng rộng băng thông đểxác định một cách mềm dẻo nhu cầu phân chia phổ và model sử dụng khác nhau.Scalability đợc hỗ trợ bằng cách điều chỉnh kích thớc FFT trong khi vẫn cố địnhkhoảng cách tần số cho một sóng mang là 10.94 kHz Do băng thông sóng mangcon và độ dài của ký tự là cố định, tác động tới lớp cao hơn là nhỏ nhất khi thay đổibăng tần Các tham số S-OFDMA đợc mô tả trong bảng 1 Băng tần hệ thống củaprofile ban đầu đợc phát triển bởi nhóm làm việc về kỹ thuật của diễn đàn WiMAXvới phiên bản 1 là 5 và 10 Mhz (đợc tô sáng trong bảng)

đầu

đợc các cơ hội kinh doanh đặc biệt có các yêu cầu về phổ nội hạt hoặc là cấm TDDhoặc là phù hợp với triển khai FDD hơn Đối với vấn đề xuyên nhiễu, TDD yêu cầu

sự đồng bộ trên toàn hệ thống, tuy nhiên TDD là chế độ song công đợc a dùng hơnvì những lý do sau:

 TDD cho phép điều chỉnh tỷ số downlink/uplink để hỗ trợ có hiệu quả lulợng downlink/uplink không đồng bộ, trong khi đó với FDD, downlink vàuplink luôn luôn có băng thông cố định và nói chung là băng thông DL

và UL bằng nhau

 TDD đảm bảo sự đảo ngợc kênh để hỗ trợ tốt hơn cho thích ứng đờngtruyền, MIMO và các công nghệ an ten tiên tiến vòng kín khác

 Không giống nh FDD yêu cầu một cặp kênh, TDD chỉ yêu cầu một kênh

đơn cho cả đờng xuống và đờng lên, nên mềm dẻo hơn khi thích ứng vớicác phổ khác nhau trên thế giới

 Thiết kế bộ thu phát vô tuyến cho TDD ít phức tạp hơn và do đó sẽ ít tốnkém hơn

2.2.5 Các đặc điểm khác của lớp PHY cải tiến

Adaptive modulation and coding (AMC), Hybrid Automatic Repeat Request(HARQ), và phản hồi kênh nhanh (CQICH) đợc giới thiệu cùng với WiMAX di

động để tăng cờng vùng phủ và dung lợng của WiMAX trong các ứng dụng di

động

Hỗ trợ cho QPSK, 16 QAM và 64 QAM là bắt buộc trong DL với WiMAX

di động Trong UL, 64 QAM là tuỳ chọn Cả mã xoắn (Convolutional Code) và mãTurbo xoắn (Convolutional Turbo Code) với tỷ lệ mã khác nhau và lặp lại việc mãhoá đều đợc hỗ trợ Mã hoá nhắc lại đợc móc nối vào nhau bằng CC hoặc CTC Tỷ

lệ mã hiệu quả là tỷ lệ mã CC tơng ứng hoặc tỷ lệ CTC bị chia bởi yếu tố lặp BlockTurbo Code và Low Density Parity Check Code (LDPC) mã kiểm tra chẵn lẻ mật độthấp là đặc điểm tuỳ chọn hỗ trợ Bảng sau tổng kết sơ đồ điều chế và mã hoá đ ợc

hỗ trợ trong profile WiMAX di dộng với mã và điều chế UL tuỳ chọn đợc chỉ ra vớichữ in nghiêng.

đa kênh HARQ cũng đợc hỗ trợ ARQ đa kênh Stop-and-wait hợp cùng với một sốlợng nhỏ các kênh thành giao thức đơn giản, có hiệu quả, sẽ làm tối thiểu hoá bộnhớ cần cho HARQ và stalling WiMAX cung cấp tín hiệu cho phép hoạt độngkhông đồng bộ hoàn toàn Hoạt động không đồng bộ cho phép nhiều loại delay (trễ)giữa các lần truyền lại, làm cho ngời lập trình mềm dẻo hơn khi định giá cho mỗitiêu đề thêm vào mỗi phân định truyền lại HARQ kết hợp với CQICH và AMCcung cấp sự tơng thích liên kết thô trong môi trờng di động với tốc độ phơng tiệnquá 120Km/giờ

có thể thay đổi từ một khe thời gian đơn tới toàn bộ khung, do đó cung cấp mộtkhoảng động rất lớn của thông lợng tới một thiết bị kết cuối cụ thể tại bất cứ thời

điểm nào Hơn nữa, do thông tin phân bổ nguồn tài nguyên đợc truyền trong mộtbản tin MAP tại điểm bắt đầu của mỗi khung, lập trình có thể thay đổi hiệu quả sựphân bổ nguồn tài nguyên trên cơ sở frame-by-frame để thích ứng với bản chấtbùng nổ của lu lợng

2.3.1 Hỗ trợ QoS.

Với sự liên kết nhanh trong không gian, dung lợng uplink/ downlink đốixứng, chi tiết hoá nguồn tài nguyên tốt và cơ chế phân bổ nguồn tài nguyên mềmdẻo, WiMAX di động có thể thoả mãn đợc các yêu cầu QoS trong một loạt các dịch

vụ dữ liệu và các ứng dụng

Trong lớp MAC của WiMAX di động, QoS đợc cung cấp qua luồng dịch vụ.

Đây là luồng gói có một hớng duy nhất đợc cung cấp với một tập các tham số QoS

cụ thể Trớc khi cung cấp một loại dịch vụ số liệu cụ thể, đầu tiên trạm gốc và thiết

bị kết cuối thiết lập một đờng liên kết logic một hớng duy nhất giữa các MAC đồng

đẳng gọi là kết nối Sau đó, MAC ra ngoài kết hợp các gói ngang qua giao diệnMAC vào một luồng dịch vụ để đợc phân phát qua kết nối Tham số QoS đợc gắnkết với luồng dịch vụ xác định thứ tự và lịch trình truyền dẫn trong giao diện vôtuyến Do đó, QoS định hớng kết nối có thể điều khiển chính xác qua giao diện vôtuyến Do giao diện vô tuyến thờng là nút cổ chai, QoS định hớng kết nối có thể chophép điều khiển QoS end-to-end một cách hiệu quả Tham số luồng dịch vụ có thể

đợc quản lý động thông qua bản tin MAC để thích hợp với các yêu cầu dịch vụ

động Luồng dịch vụ dựa trên cơ chế QoS sẽ áp dụng cho cả DL và UL để cung cấpQoS đã cải tiến cho cả 2 hớng

2.3.2 Dịch vụ lập lịch MAC

Dịch vụ lập lịch MAC WiMAX di động đợc thiết kế để thực hiện một cáchhiệu quả các dịch vụ số liệu băng rộng bao gồm thoại, dữ liệu, và video qua kênh vôtuyến băng rộng thay đổi theo thời gian Dịch vụ lập lịch MAC có các thuộc tínhsau cho phép các dịch vụ băng rộng:

Lập lịch số liệu nhanh: Lập lịch MAC phải phân bổ hiệu quả nguồn tài

nguyên khả dụng để đáp ứng với sự tăng nhanh lu lợng số liệu và các điều kiệnkênh thay đổi theo thời gian Lập lịch tại mỗi trạm gốc cho phép phản hồi nhanh vớiyêu cầu lu lợng và điều kiện kênh Gói số liệu đợc đa vào các luồng dịch vụ vớitham số QoS đợc quy định rõ ràng trong lớp MAC để có thể lập lịch một cách đúng

đắn trật tự truyền gói qua giao diện vô tuyến Kênh CQICH cung cấp phản hồithông tin kênh nhanh để cho phép lập lịch lựa chọn mã hoá và điều chế thích hợpcho mỗi vị trí phân định Điều chế/mã hoá thích ứng kết hợp với HARQ cung cấptruyền dẫn thô qua kênh thay đổi theo thời gian

Lập lịch cho cả DL và UL: dịch vụ lập lịch đợc cung cấp cho cả lu lợng DL

và UL Để lập lịch MAC phân bổ nguồn tài nguyên hiệu quả và cung cấp QoS mongmuốn trong UL, UL phải phản hồi thông tin chính xác và kịp thời nh với điều kiện

lu lợng và yêu cầu về QoS Các cơ chế yêu cầu băng tần đa đờng lên, ví dụ nh yêucầu băng tần qua sắp xếp kênh, yêu cầu piggyback và polling đợc thiết kế để hỗ trợyêu cầu băng tần UL Luồng dịch vụ UL xác định cơ chế phản hồi cho mỗi kết nốiuplink để đảm bảo tiên đoán đợc hành vi lập lịch UL Hơn nữa, với kênh con ULtrực giao, không có xuyên nhiễu nội bào Lập lịch UL có thể phân bổ nguồn tàinguyên hiệu quả hơn và tham số QoS tốt hơn

Sự phân bổ nguồn tài nguyên động: MAC hỗ trợ sự phân bổ nguồn tài

nguyên tần số - thời gian đối với DL và UL trên cơ sở mỗi khung Sự phân bổ nguồntài nguyên đợc phát đi trong bản tin MAP tại bắt đầu mỗi khung Do đó, sự phân bổnguồn tài nguyên có thể đợc thay đổi từng khung một theo các điều kiện về kênh và

lu lợng Hơn nữa, một số tài nguyên trong mỗi lần phân bổ có thể thay đổi từ 1 khe

đến toàn bộ khung Sự phân bổ nguồn tài nguyên chi tiết tốt và nhanh cho phép QoStuyệt hảo cho lu lợng số liệu

QoS oriented: lập lịch MAC nắm giữ việc truyền tải số liệu trên cơ sở từng

kết nối Mỗi kết nối đợc kết hợp với mét dịch vụ số liệu riêng cùng với một tập hợpcác tham số QoS đảm bảo chất lợng cho nó Với khả năng phân bổ động nguồn tàinguyên trên cả DL và UL, lập lịch có thể cung cấp QoS tuyệt hảo cho cả lu lợng DL

và UL Đặc biệt với việc lập lịch đờng lên (uplink) - nguồn tài nguyên đờng lên đợcphân bổ hiệu quả hơn, việc thực hiện dễ tiên đoán hơn, và QoS đợc tuân thủ tốt hơn

Lập lịch lựa chọn tần: lập lịch có thể hoạt động trên các kiểu khác nhau của

kênh con Đối với các kênh con tần số đa dạng ví dụ nh là hoán vị PUSC, nơi màsóng mang con trong các kênh con đợc phân bố giả ngẫu nhiên trên băng tần, cáckênh con có chất lợng đồng đều Lập lịch đa dạng tần số có thể hỗ trợ QoS với mức

độ chi tiết hoá cao và hỗ trợ lập lịch nguồn tài nguyên thời gian -tần số mềm dẻo.Với sự hoán vị liền kề nh hoán vị AMC, kênh con có thể trải qua các cờng độ khácnhau Lập lịch lựa chọn tần số có thể phân bổ các thuê bao di động tới kênh conmạnh nhất tơng ứng Lập lịch lựa chọn tần số có thể tăng cờng dung lợng hệ thốngvới sự tăng lên vừa phải trong tiêu đề CQI trong UL

2.3.3 Quản lý tính di động

Handoff và tuổi thọ của pin là 2 vấn đề quan trọng trong các ứng dụng di

động WiMAX di động hỗ trợ chế độ “sleep” và chế độ “idle” để cho phép MS tiếtkiệm nguồn hoạt động WiMAX di động cũng hỗ trợ chuyển giao (handoff) chophép MS chuyển từ một trạm gốc sang một trạm khác theo tốc độ di chuyển của ph-

ơng tiện mà không bị mất kết nối

a/ Quản lý nguồn WiMAX di động hỗ trợ 2 chế độ cho hoạt động nguồn hiệu quả: chế độsleep và chế độ Idle Chế độ “sleep” là một trạng thái trong đó MS kiểm soát cácgiai đoạn vắng mặt khỏi giao diện vô tuyến của trạm phục vụ gốc trớc khi thoảthuận Giai đoạn này có những đặc trng là tính không sẵn sàng của MS, khi đợcquan sát từ trạm phục vụ gốc, tới lu lợng DL hoặc UL Chế độ sleep đợc dự kiến đểtối thiểu hoá việc sử dụng nguồn MS và tối thiểu hoá nguồn giao diện vô tuyến củatrạm gốc đợc sử dụng Chế độ sleep cũng tạo cho MS tính mềm dẻo để quét cáctrạm gốc khác nhằm thu thập thông tin hỗ trợ handoff khi đang ở chế độ Sleep

Chế độ Idle cung cấp cơ chế cho MS để trở nên sẵn sàng theo định kỳ đối vớibản tin lu lợng DL quảng bá mà không đăng ký tại một trạm gốc cụ thể nào khi MS

đi ngang qua một môi trờng kết nối vô tuyến đợc chiếm giữ bởi nhiều trạm gốc Chế

độ Idle mang lại lợi ích cho MS bằng cách loại bỏ yêu cầu handoff và các hoạt độngbình thờng khác và mang lại lợi ích cho mạng và trạm gốc bởi sự loại bỏ giao diệnvô tuyến và lu lợng handoff mạng từ sự không hoạt động của MS trong khi vẫn cungcấp một phơng pháp đơn giản và kịp thời (paging) để cảnh báo MS về lu lợng DLcha giải quyết

b/ Handoff (chuyển giao)

Có 3 phơng pháp handoff đợc hỗ trợ trong chuẩn 802.16e: handoff cứng(HHO), chuyển mạch trạm gốc nhanh (FBSS) và handover đa dạng vi mô (MDHO).Trong những phơng pháp handoff trên, HHO là bắt buộc trong khi FBSS và MDHO

là 2 chế độ tuỳ chọn Diễn đàn WiMAX đã phát triển nhiều kỹ xảo cho việc tối uhandoff cứng trong khung của chuẩn 802.16e Những cải tiến này đợc phát triển vớimục tiêu là giữ cho độ trễ handoff của lớp 2 là bé hơn 50 mili giây

Khi FBSS đợc hỗ trợ, MS và BS duy trì một danh sách các BS mà nó liênquan với MS trong FBSS Tập hợp này đợc gọi là tập hợp tích cực Trong FBSS, MStiếp tục giám sát trạm gốc trong tập hợp tích cực Giữa các BS trong tập hợp tíchcực, một BS “neo” đợc xác định Khi hoạt động trong FBSS, MS chỉ truyền thôngvới BS “neo” cho bản tin đờng lên và đờng xuống bao gồm quản lý và kết nối lu l-ợng Chuyển dịch từ một BS “neo” tới một BS khác (đó là chuyển mạch BS) đợcthực hiện mà không cần viện dẫn bản tin báo hiệu HO rõ ràng Các thủ tục cập nhập

BS neo đợc thực hiện bởi độ dài tín hiệu truyền thông của BS phục vụ thông quakênh CQI Chuyển giao FBSS bắt đầu bằng quyết định bởi một MS để nhận hoặctruyền số liệu từ BS neo mà có thể thay đổi trong tập hợp tích cực MS quét các BSlân cận và lựa chọn những BS thích hợp để bao hàm trong tập hợp tích cực MS báocáo những BS đợc lựa chọn và thủ tục cập nhập tập hợp tích cực đợc thực hiện bởi

BS và MS MS tiếp tục giám sát độ dài tín hiệu của BS trong tập hợp tích cực và lựachọn một BS trong tập hợp để trở thành BS “neo” MS báo cáo BS “neo” đ ợc lựachọn trên CQICH hoặc MS mở đầu bản tin yêu cầu HO Một yêu cầu quan trọngcủa FBSS là các số liệu đợc truyền đồng thời tới tất cả các thành viên của tập hợptích cực của BS có thể phục vụ MS

Với MS và BS hỗ trợ MDHO, MS và BS duy trì một tập hợp tích cực các BSbao hàm trong MDHO cùng với MS Trong các MS trong tập hợp tích cực, một BS

“neo” đợc xác định Phơng thức hoạt động thông thờng nhắc đến một trờng hợp đặcbiệt của MDHO với tập hợp tích cực bao gồm chỉ có một BS Khi hoạt động trongchế độ MDHO, MS truyền thông với tất cả BS trong tập hợp tích cực của bản tinunicast đờng lên và đờng xuống và lu lợng MDHO bắt đầu khi MS quyết định

truyền hoặc nhận bản tin unicast và lu lợng từ nhiều BS trong cùng một khoảng thờigian Cho MDHO đờng xuống, 2 hoặc nhiều BS cung cấp truyền dẫn đồng bộ cho

số liệu đờng xuống MS mà kết hợp đa dạng đợc thực hiện tại MS Cho MDHO đờnglên, truyền dẫn từ một MS đợc nhận bởi đa BS trong khi sự đa dạng lựa chọn trongthông tin nhận đợc thực hiện

2.3.4 An ninh

WiMAX di động hộ trợ tốt nhất các đặc điểm an ninh bằng cách sử dụng cáccông nghệ tốt nhất hiện có hiện nay Hỗ trợ cho sự nhận thực thiết bị/kết cuốichung, giao thức quản lý chủ chốt mềm dẻo, mã hoá lu lợng mạnh, bảo vệ bản tinquản lý và điều khiển, và các tối u hoá giao thức an ninh cho chuyển giao nhanh

Các khía cạnh thông thờng cho các đặc điểm an ninh là:

Giao thức quản lý chủ chốt: giao thức quản lý chủ chốt và bảo mật phiên

bản 2 (PKM v.2) là thành phần cơ bản trong an ninh WiMAX di động đợc xác địnhtrong 802.16e Giao thức này quản lý an ninh MAC sử dụng bản tinPMK-REQ/RSP, nhận thực PMK EAP, điều khiển mã hoá lu lợng, trao đổi chuyểngiao cơ bản và tất cả bản tin an ninh multicast/broadcast đợc dựa trên giao thức này

Nhận thực thiết bị/ ngời sử dụng: WiMAX di động hỗ trợ nhận thực thiết

bị và ngời sử dụng dùng giao thức IETF EAP bằng sự hỗ trợ “credentials” (uỷnhiệm) dựa trên SIM, hoặc dựa trên USIM hoặc chứng chỉ số hoặc dựa trên tên ngời

sử dụng/mật khẩu Các phơng pháp nhận thực tơng ứng với EAP-SIM, EAP-AKA,EAP-TLS, EAP-MSCHAPv2 đợc hỗ trợ thẳng qua giao thức EAP Chỉ có nhữngphơng pháp EAP đợc hỗ trợ

Mã hoá lu lợng: AES-CCM là một loại mã hoá đợc sử dụng để bảo vệ tất cả

dữ liệu của thiết bị kết cuối qua giao diện WiMAX MAC di động “Chìa khoá” đợc

sử dụng cho mã hoá đợc tạo ra từ việc nhận thực EAP Một loại máy thông báo tìnhtrạng mã hoá của lu lợng có cơ chế refresh theo chu kỳ cho phép duy trì việcchuyển tiếp các keys để cải thiện việc bảo vệ hơn

Bảo vệ bản tin điều khiển: số liệu điều khiển đợc bảo vệ bằng việc sử dụng

CMAC dựa trên AES hoặc sơ đồ HMAC dựa trên MD5

Hỗ trợ chuyển giao nhanh: Một sơ đồ bắt tay 3 bớc đợc hỗ trợ bởi WiMAX

di động để tối u cơ chế nhận thực lại cho hỗ trợ chuyển giao nhanh Cơ chế nàycũng hữu ích trong việc chống lại việc tấn công giữa chừng bởi “hacker”

2.4 Các đặc điểm cải tiến của WiMAX di động

2.4.1 Công nghệ an ten thông minh

Công nghệ an ten thông minh điển hình liên quan đến véc tơ phức hoặc hoạt

động ma trận của tín hiệu do có nhiều an ten OFDMA cho phép các hoạt động anten thông minh đợc thực hiện trên các sóng mang con véc tơ phẳng Không còn sự

cân bằng phức để bù cho sự giảm âm theo tần số Do đó, OFDMA rất phù hợp để hỗtrợ công nghệ an ten thông minh Thực tế, MIMO-OFDM/OFDMA đợc xem nh làmột nền móng cho hệ thống truyền thông băng rộng thế hệ tiếp theo WiMAX di

động hỗ trợ một loạt các công nghệ an ten thông minh để tăng cờng khả năng thựchiện của hệ thống Các công nghệ an ten thông minh đợc hỗ trợ bao gồm:

Tạo chùm: với tạo chùm, hệ thống sử dụng đa ăn ten để truyền các tín hiệu

đã đợc đo với mục đích cải thiện vùng phủ và dung lợng của hệ thống và giảm thiểukhả năng thất thoát

Mã hoá không gian-thời gian (STC): Đa dạng truyền ví dụ nh mã hoá

Alamuoti, đợc hỗ trợ để cung cấp sự đa dạng về không gian và giảm độ mê

Ghép kênh không gian(SM): ghép kênh không gian đợc hỗ trợ để tận dụng

u điểm của tốc độ cao và tăng thông lợng Với ghép kênh không gian, nhiều luồng

sẽ đợc truyền qua đa an ten Nếu bộ thu cũng có đa an ten, nó có thể tách rời cácluồng khác nhau để thu đợc thông lợng cao sơn so với hệ thống chỉ có một an ten.Với 2*2 MIMO, SM tăng thông lợng đỉnh lên 2 lần bằng cách truyền 2 luồng sốliệu Trong UL, thiết bị kết cuối chỉ có duy nhất một anten truyền dẫn, 2 thiết bị kếtcuối có thể truyền kết hợp trong cùng 1 khe nếu 2 luồng đợc ghép kênh theo khônggian từ 2 an ten của cùng một thiết bị kết cuối

Các đặc điểm đợc hỗ trợ trong profile WiMAX di động đợc liệt kê trongbảng sau:

Link Beam forming Space Time Coding Spatial Multiplexing

DL Nt >2, Nr>14 Nt=2, Nr>1

Matrix A

Nt=2, Nr>2Matrix B, vertical encoding

Two-user collaborative SMBảng 3: Các tham số của an-ten thông minh

WiMAX di động hỗ trợ chuyển mạch thích ứng giữa các tuỳ chọn này để tối

đa hoá lợi ích của công nghệ an ten thông minh trong các điều kiện kênh khác nhau

Ví dụ, SM cải thiện thông lợng đỉnh Tuy nhiên, khi điều kiện kênh kém, tỷ lệ lỗigói PER có thể cao và do đó vùng phủ đạt PER mục tiêu có thể bị giới hạn Mặtkhác, STC cung cấp một vùng phủ lớn bất kể điều kiện kênh nh thế nào nhng lạikhông cải thiện đợc băng thông đỉnh WiMAX di động hỗ trợ chuyển mạch thíchứng giữa phơng thức đa MIMO để tối đa hoá hiệu quả phổ mà không giảm đi vùngphủ Hình 11, chỉ ra cấu trúc cho việc hỗ trợ các đặc điểm an ten thông minh Bảngsau cung cấp tổng kết về tốc độ số liệu đỉnh về mặt lý thuyết cho nhiều loại tỷ lệ

DL/UL với giả sử các kênh con PUSC, 46 ký hiệu dữ liệu OFDM và băng tần kênh

10 MHz Với 2*2 MIMO, tốc độ số liệu đỉnh của thiết bị kết cuối và sector đợc gấp

đôi Tốc độ số liệu đỉnh DL tối đa là 63.36 Mbps khi tất cả ký hiệu số liệu đợc dànhcho DL Với UL cộng tác SM, tốc độ đỉnh dữ liệu của UL sector gấp đôi trong khitốc độ số liệu đỉnh thiết bị kết cuối là không đổi Tốc độ số liệu đỉnh thiết bị kếtcuối UL và tốc độ số liệu đỉnh sector là 14.92Mbps và 29.84 Mbps tơng ứng khi tấtcả ký tự số liệu đều dành cho UL Bằng cách áp dụng các tỷ lệ DL/UL khác nhau,băng tần có thể đợc điều chỉnh giữa DL và UL để đảm bảo cho các mẫu lu lợngkhác nhau

MIMO(2 x2)

2.4.2 Tái sử dụng phân đoạn tần số (fractional)

WiMAX di động hỗ trợ việc tái sử dụng tần số bằng một, nghĩa là mọi cell/sector hoạt động trên cùng một kênh tần số để tối đa hiệu quả phổ Tuy nhiên, doxuyên nhiễu kênh lớn (CCI) trong việc tái sử dụng tần số bằng một, thiết bị kết cuốitại biên của các cell có thể chịu sự suy giảm về chất lợng kết nối Với WiMAX di

động, thiết bị kết cuối hoạt động trên các kênh con, chỉ chiếm một phần nhỏ trongtoàn bé băng thông kênh, vấn đề xuyên nhiễu biên của cell có thể đợc giải quyết dễdàng bằng việc sử dụng kênh với cấu hình phù hợp mà không phải dùng đến kếhoạch tần số truyền thống

Trong WiMAX di động, tái sử dụng kênh con mềm dẻo đợc làm cho thuậntiện bằng các phân đoạn kênh con và vùng hoán vị Một đoạn là một phân vùng củamột kênh con OFDMA khả dụng (một đoạn có thể bao gồm tất cả các kênh con).Một đoạn đợc sử dụng cho việc triển khai một MAC đơn

Vùng hoán vị là một số các ký hiệu OFDMA liền kề trong DL hoặc trong

UL mà sử dụng cùng hoán vị Khung con DL hoặc UL có thể chứa nhiều hơn mộtvùng hoán vị nh đợc chỉ ra trong hình 9:

Hình 8: Chuyển mạch thích ứng cho an-ten thông minh

Hình 9: Kiến trúc khung đa vùng (Multi-Zone)Mẫu tái sử dụng kênh con có thể đợc cấu hình để thiết bị kết cuối gần trạmgốc hoạt động tại vùng với tất cả kênh con khả dụng Trong khi đối với thiết bị kếtcuối biên, mỗi cell hoặc sector hoạt động trong vùng với một phần của tất cả cáckênh Trong hình 12 F1, F2, F3 đại diện các tập hợp kênh con trong cùng một kênhtần số Với cấu hình này, tái sử dụng tần số nguyên tải một đợc duy trì cho thiết bịkết cuối trung tâm để tối u hoá hiệu quả của phổ và tái sử dụng phân đoạn tần số đ-

ợc thực hiện cho thiết bị kết cuối biên để đảm bảo chất lợng kết nối thiết bị kết cuốibiên và thông lợng Kế hoạch sử dụng lại kênh con có thể đợc thực hiện tơng ứngqua các sector hoặc cell dựa trên tải và điều kiện can nhiễu của mạng Do đó, tất cảcác cell hoặc sector có thể hoạt động trên cùng một kênh tần số mà không cần kếhoạch tần số

Khung con luồng xuống DL

Khung con luồng lên UL

Bắt buộc có trong khung Chuyển vùng IEs trong DL-MAP

2.4.3 Dịch vụ Multicast và Broadcast (MBS)

MBS đợc hỗ trợ bởi WiMAX di động kết hợp các đặc điểm tốt nhất củaDVB-H, Media FLO và 3GPP E-UTRA và thoả mãn các yêu cầu sau:

 Tốc độ số liệu và vùng phủ cao sử dụng mạng tần số đơn (SFN)

 Sự phân bổ mềm dẻo các nguồn tài nguyên vô tuyến

 Tiêu thụ công suất MS thấp

 Hỗ trợ casting-data, luồng video và audio

 Thời gian chuyển mạch kênh thấp

Profile Mobile WiMAX phiên bản 1 xác định một bộ công cụ để bắt đầuchuyển giao dịch vụ MBS Dịch vụ MBS có thể đợc hỗ trợ bằng cách hoặc xây dựngmột vùng MBS riêng trong khung DL cùng với dịch vụ unicast (MBS) hoặc dànhtoàn bộ một khung cho MBS (chỉ có DL) cho riêng dịch vụ broadcast Hình 12 chỉ

ra việc xây dựng vùng DL/UL khi hỗn hợp dịch vụ broadcast và unicast đợc hỗ trợ.Vùng MBS hỗ trợ phơng thức đa BS MBS sử dụng mạng tần số đơn (SFN) và độ dàimềm dẻo của vùng MBS cho phép linh hoạt đặt các nguồn tài nguyên vô tuyến tới l -

u lợng MBS Cần đợc lu ý rằng đa vùng MBS cũng có thể khả thi Có một ký hiệu

để nhận diện MAP IE vùng MBS trên mỗi vùng MBS MS truy nhập DL MAP đểxác nhận ban đầu các vùng MBS và các phân đoạn MBS MAP trong mỗi vùng Sau

đó MS có thể đọc lần lợt MBS MAP mà không tham chiếu DL MAP trừ khi mất

đồng bộ với MBS MAP MBS MAP IE chỉ ra cấu hình PHY vùng MBS và xác địnhphân đoạn của mỗi vùng MBS qua tham số bù ký tự OFDMA MBS MAP đ ợc phân

bổ tại kênh con đầu tiên của ký tự OFDM đầu tiên của vùng MBS liên quan MBS

Hình 10: Tái sử dụng tần số

đa BS không yêu cầu MS đợc đăng ký tới bất cứ trạm gốc nào MBS có thể truy cậpkhi MS trong chế độ Idle để tiêu thụ công suất thấp Độ mềm dẻo của WiMAX di

động để hỗ trợ MBS tích hợp và dịch vụ unicast đa ra một loạt các ứng dụng

Hình 11: MBS nhúng hỗ trợ bởi WiMAX di động - vùng MBS

2.5 Đánh giá khả năng hệ thống WiMAX di động

2.5.1 Tham số hệ thống WiMAX di động

Do WiMAX di động đợc dựa trên OFDMA có thể mở rộng cấp độ, nó có thể

đợc cấu hình mềm dẻo để hoạt động trên các băng tần khác nhau bằng cách điềuchỉnh các tham số hệ thống Chúng ta xem xét hệ thống WiMAX di động với các

đặc điểm sau nh là một trờng hợp nghiên cứu để đánh giá về mặt chất lợng của khảnăng thực hiện hệ thống WiMAX di động Trong các bảng sau, bảng 5 cung cấp cáctham số hệ thống, bảng 6 tổng kết các tham số OFDMA, và bảng 7 chỉ ra mô hìnhkênh sử dụng để đánh giá

Công suất bộ khuyếch đại công suất lớn nhất BS 43 dBm

Công suất bộ khuyếch đại công suất lớn nhất thiết 23 dBm

Bảng 7: Kiểu truyền lan

2.5.2 Ngân quỹ đờng link của WiMAX di động

Tính toán ngân quỹ đờng link sau đợc dựa trên các tham số hệ thống và môhình truyền trong bảng 7-9 trong phần 5.1 Giá trị 5.56 dB đợc sử dụng cho độ lệchbiên trong bảng nhằm đảm bảo xác suất phủ là 75% tại các biên của cell và xácsuất bao phủ 90% trên toàn bộ diện tích Biên can nhiễu là 2dB cho DL và tơng ứng

là 3dB cho UL với giả sử tái sử dụng tần số 1/3/1 Biên can nhiễu có thể đ ợc giảmxuống còn 0.2dB cho mô hình tái sử dụng 1/3/3 nhng với giá phải trả là giảm hiệuquả của phổ Đa dạng marco thu đợc là 4 dB với giả sử suy hao tơng đối là 0,5dB.Khoảng cell có thể đợc ớc đoán từ ngân quỹ kết nối dùng bất cứ model truyền(Propagation model) nào Công cụ dự đoán khoảng cell này dựa trên các kết quả thínghiệm trên băng tần 2GHz và không thể dự đoán chính xác trên băng tần 2.5GHz.Mô hình Erceg-Greenstein là một mô hình đợc sử dụng rộng rãi trong băng tần sốnày và dự đoán khoảng cell lớn hơn xấp xỉ 70% Một model hay đợc dùng để dự

đoán khoảng trong WiMAX di động sẽ đợc giới thiệu ở các phần dới đây

Lu ý là ngân quỹ đờng kết nối tơng đơng băng thông DL là 4,32Mbps vàbăng thông UL là 109Kbps; các giá trị cao hơn một cách đáng kể so với hệ thống3G Băng thông rộng và tần số sóng mang cao hơn dẫn đến kết quả là cỡ cell nhỏhơn một chút Một chú ý nữa là tổn thất đờng truyền tối đa cho phép là 128.2dB, t-

ơng ứng với tốc độ số liệu biên của cell DL của 5.76Mbps và tốc độ số liệu biên cell

UL của 115 kbps, cao hơn nhiều so với tốc độ số liệu của hệ thống 3G Tốc độ sốliệu cao hơn tại biên của cell và tần số mang cao hơn dẫn đến kích thức của cell nhỏhơn Nh là một sự lựa chọn nữa, dự phòng đờng truyền tốt hơn và kích thớc cell lớnhơn có thể đạt đợc tại tốc độ số liệu biên cell nhỏ hơn, nh đợc chỉ ra trong bảng 8 và9

Đờng xuống Mobile WiMAX

Mobile Unit, (Handset Indoor)

Giới hạn

DL Trafic Data Rate

Bảng 8: DL Link Budget for Mobile WiMAX

Mobile Units (Handset Indoor) FB Channel Traffic Full Allocation Units

Bảng 9: UL Link Budget for Mobile WiMAX

2.5.3 Độ tin cậy MAP WiMAX di động và tiêu đề

Thông tin điều khiển của WiMAX di động nằm trong trong định dạng củabản tin MAP tại nơi bắt đầu của mỗi khung Bản tin MAP điều khiển sử phân bổ DL

và UL Bản tin MAP cho phép điều khiển mềm dẻo sự phân bổ nguồn tài nguyêntrong cả DL và UL để cải thiện hiệu quả phổ và QoS

Do bản tin MAP chứa thông tin phân bổ nguồn tài nguyên cho toàn bộkhung, độ tin cậy của bản tin MAP quan trọng sống còn đối với hệ thống Vùng phủkênh điều khiển DL đợc mô tả sử dụng cấu hình mô phỏng đợc đợc nêu trớc đó cóthể có hoặc không có sự đa dạng truyền dịch vòng (CSTD) CSTD là ý tởng thíchứng về đa dạng độ trễ cho hệ thống OFDM Với CSTD, mỗi phần tử an ten trongmảng truyền dẫn gửi một phiên bản dịch chuyển vòng tròn của cùng ký tự miền thờigian OFDM (với ký tự b), x(n, b) (0<=n<N-1, trong đó N là kích thớc FFT hệthống) Ví dụ nếu có an ten truyền Mb tại trạm gốc và nếu anten 1 gửi một phiênbản không dịch chuyển của ký hiệu OFDM, thì anten m truyền cùng ký tự OFDM,nhng chuyển dịch vòng tròn trong miền thời gian bởi (m-1) D Để ý rằng mỗi antenthêm một tiền tố vòng tròn sau khi chuyển dịch vòng tròn ký tự OFDM và do đóphần bảo vệ delay-spread đợc cung cấp bởi tiền tố vòng tròn không bị ảnh hởng bởiCSTD

Hình 12: Giả lập hiệu quả trung bình của kênh điều khiển cho kênh TU

Hình 12 chỉ ra chức năng phân bố tích luỹ (CDF) của độ bao phủ kênh điềukhiển cho nhiều tốc độ lặp lại với 1, 2, 4 anten sử dụng mô hình truyền sóng đ ợcxác định trong bảng 9 Có thể quan sát qua số liệu rằng dùng CSTD với 2 an ten thu

và phát, mã R=1/2 CTC với sự lặp lại là 6, xấp xĩ 95% độ bao phủ cell đạt đợc tại

điểm hoạt động PER 1% Do đó nên để ý rằng khả năng của MAP có thể đ ợc tăngcờng xa hơn bằng sử dụng bộ loại bỏ can nhiễu tại khối di động

Kích thớc bản tin MAP là thay đổi Kích thớc này thay đổi với các thiết bịkết cuối đợc phân bổ trong một khung Khi một mạng bị bùng nổ lu lợng ví dụ nh làFTP và HTTP, thiết bị kết cuối đợc sắp xếp trên khung thờng là rất nhỏ (bé hơn 10).Trong trờng hợp này, sự phân bổ nguồn tài nguyên đợc thực hiện hiệu quả nhất vàbản tin MAP chủ yếu chứa tiêu đề MAP cố định Tiêu đề MAP trong giả thiết này

điển hình là <10% trong một kênh 10Mhz với kích thớc khung 5 ms Khi lu lợngVoIP chiếm u thế trong một mạng, số lợng thiết bị kết cuối đợc sắp xếp trên mộtkhung có thể lớn Tiêu đề MAP tăng tuyến tính theo số lợng thiết bị kết cuối

Hình 13: Sup-MAP Burst

Để điều khiển tiêu đề MAP, WiMAX di động sử dụng MAP con multicastcho phép nhiều bản tin MAP con đợc truyền với các tốc độ số liệu khác nhau tớithiết bị kết cuối với SINR khác nhau Do đó, trong khi bản tin broadcast đợc truyềnvới độ tin cậy cao nhất để đạt đợc độ bao phủ biên cell, bản tin điều khiển chung, ví

dụ sự phân bổ lu lợng, có thể đợc phân phát hiệu quả hơn theo điều kiện SINR thiết

bị kết cuối Nh đợc chỉ ra ở hình 13, một phần lớn phần trăm diện tích vùng phủ cóthể hỗ trợ tốc độ số liệu cao hơn QPSK 1/12 víi PER 1% (gần 60% cho QPSK) Do

đó, với bản tin MAP con multicast, tiêu đề điều khiển có thể đợc giảm nhiều Thậmchí, với một số lợng lớn thiết bị kết cuối (20 thiết bị kết cuối trong DL và 20 thiết bịkết cuối trong UL) trong một khung, tiêu đề MAP bé hơn 20% Do đó, bản tin điềukhiển WiMAX di động mềm dẻo cho việc truyền số liệu Nó có đủ độ tin cậy và đủnhỏ để tiết chế tiêu đề phụ thuộc vào tải mạng và các ứng dụng đợc phục vụ

2.5.4 Khả năng hệ thống WiMAX:

Sự mô phỏng đợc dựa trên phơng pháp đánh giá 1xEVDV đợc thực hiện để

đánh giá khả năng của WiMAX di động Tham số hệ thống cho hệ thống WiMAX

di động đợc mô tả trong bảng 5, 6, 7 trong phần 5.1 Sự mô phỏng đợc thiết lập trêngiả thiết có đa dạng thiết bị kết cuối lẫn với thiết bị kết cuối di động đợc mô tảtrong bảng 10 và 11

ITU Veh A

Ch-104 -3.14 -4.14 -12.14 -13.14 -18.14 -23.14 1,2,3,4,5,6

Bảng 10: Kiểu kênh đa đờng cho giả lập hiệu quả

Kiểu kênh Số đờng Tốc độ Fading Phân bổ xác suất

Bảng 11: Kiểu kênh Mixed-User cho giả lập hiệu quả

Có 10 thiết bị kết cuối trên một sector Lu lợng đợc giả sử là lu lợng FTP đầy

bộ đệm Giả sử là sử dụng bộ lập lịch tỷ lệ tơng đối Mỗi trạm gốc đợc cấu hình với

3 sector với một tham số sử dụng lại tần số sector và cell là bằng 1

Giả sử ớc lợng kênh và thích ứng đờng truyền lý tởng Tần số lựa chọn chogiả thiết Mobile WiMAX này là 2,5 GHz Khung tiêu đề đợc dựng cho “preamble”(Phần mở đầu), MAP OH, kênh điều khiển UL là 7 ký tự OFDMA trong DL và 3trong UL 1 ký tự đợc phân bổ cho TTG cho toàn bộ 11 ký tự tiêu đề và 37 ký tự sốliệu Chi tiết hơn nữa về cấu hình và các giả sử đợc liệt kê trong bảng 12

Khả năng thực hiện đợc tổng kết trong bảng 13 cho việc triển khai TDD vớibăng thông kênh 10Mhz, cấu hình an ten MIMO và tỷ lệ DL/UL là 28:9 và 22:15 t-

ơng ứng Kết quả là hệ thống WiMAX có hiệu quả phổ cao Với 2 an ten thu, hiệuquả phổ sector DL là khoảng 1.2 bits/sec/Hz và hiệu quả phổ sector UL là 0.55bit/sec/Hz Với 2*2 MIMO, hiệu quả phổ đợc tăng thêm 55% trong DL và 40%trong UL Hiệu quả phổ cao kết hợp với băng thông rộng đã cung cấp băng thôngsector rất cao cho hệ thống WiMAX Với 2x2 MIMO và tỷ lệ DL/UL 3:1, thông l-ợng sector DL là 13.60 Mbps và thông lợng sector UL là 1.83 Mbps; với tỷ sốDL:UL là 3:2, thông lơng sector là 10.63 Mbps và 2.74 Mbps tơng ứng cho DL và

Bảng 12: Cấu hình WiMAX di động

UL Thông lợng số liệu sector cao rất cần thiết để cho phép dịch vụ số liệu băngrộng bao gồm dữ liệu, video và VoIP Một lợi thế khác của WiMAX là tính mềmdẻo của nó để tái lập lại cấu hình tỷ lệ DL/UL nhằm tơng thích với profile lu lợngcủa mạng để tối u hoá việc sử dụng dải phổ.

Chúng ta cũng để ý rằng 11 ký hiệu tiêu đề là sự ớc lợng duy trì Với hầu hếtứng dụng số liệu, lu lợng bùng nổ (bursty) và WiMAX có thể hoạt động hiệu quảhơn với ít tiêu đề hơn Cũng nh vậy, kênh con đợc xem xét cho trờng hợp này làkênh con hoá đa dạng PUSC Việc đạt đợc lịch lựa chọn tần số không đợc tính trongmô phỏng Với kênh con hoá AMC lựa chọn tần số, việc lập lịch lựa chọn phổ cóthể tăng hơn nữa hiệu quả phổ từ 15% tới 25% Do đó, với hệ thống WiMAX di

động tối u, hiệu quả phổ và thông lợng có thể cải thiện nhiều hơn từ 30 đến 40% sovới kết quả đạt đợc ở đây

Trờng hợp DL: 28 ký hiệu dữ liệu

UL: 9 ký hiệu dữ liệu

DL: 22 ký hiệu dữ liệuUL: 15 ký hiệu dữ liệuAnten DL/UL Thông lợng

sector Hiệu quảphổ Thông lợngsector Hiệu quảphổ

Bảng 13: Hiệu suất hệ thống WiMAX di động

Một u điểm nữa của hệ thống WiMAX di động là có khả năng trong việc cấuhình động với tỷ số DL/UL để thích ứng với profile lu lợng mạng với mục đích tối

đa hiệu quả phổ Điều này đợc minh hoạ trong hình 15 Nó chỉ ra thông lợng phần

DL tối đa có thể lớn hơn 20Mbps và thông lợng phần UL tối đa có thể lớn hơn 8Mbps Với khoảng tỷ số DL/UL: điển hình giữa 3:1 và 1:1; thông lợng phần DL cóthể thay đổi từ 10 Mbps và 17 Mbps; thông lợng phần UL có thể thay đổi từ 2 Mbps

+30% + 20% Cơ sở 1.87 1.76 0.73 0.83

Hình 14: Hiệu quả phổ đạt đợc sau khi tối u hoá