nghiên cứu công nghệ mobile wimax và mô hình hệ thống triển khai VTC

Nếu như Wireless LAN ñược phát triển ñể cung cấp dịch vụ truy nhập Internet cho mạng LAN không dây và nâng cao tính linh hoạt của truy nhập Internet cho những vùng tập trung ñông dân cư

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

LỜI NÓI ðẦU 3

TÓM TẮT LUẬN VĂN 5

THESIS SUMMARIZATION 6

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 7

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG WIRELESS 11

1.1 PHÂN CHIA CÁC LOẠI MẠNG KHÔNG DÂY 11

1.2 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX 15

1.2.1 Giới thiệu chung về Wimax 15

1.2.2 Sự ñi lên từ Wifi ñến Wimax 16

1.2.3 Một số ñặc ñiểm chung của công nghệ WiMAX 17

1.2.4 Hoạt ñộng của WiMAX 19

1.2.5 Cấu hình mạng 21

1.2.5.1 Cấu hình mạng ñiểm – ña ñiểm (PMP) 21

1.2.5.2 Cấu hình mạng mặt lưới (MESH) 22

1.2.6 Hai mô hình ứng dụng WiMAX 23

1.2.6.1 Mô hình ứng dụng cố ñịnh (Fixed WiMAX) 24

1.2.6.2 Mô hình ứng dụng WiMAX di ñộng 25

1.2.7 Các ưu ñiểm của mạng WiMAX 26

1.3 GIỚI THIỆU CÁC CHUẨN 802.16 30

1.3.1 Chuẩn IEEE 802.16 - 2001 30

1.3.2 Chuẩn IEEE 802.16a 31

1.3.3 Chuẩn IEEE 802.16c - 2002 31

1.3.4 Chuẩn IEEE 802.16d - 2004 31

1.3.5 Chuẩn IEEE 802.16e – 2005 32

Chương 2 LỚP MAC VÀ PHY TRONG CHUẨN IEEE 802.16e 34

2.1 LỚP PHY 35

2.1.1 Phương thức song công TDD và FDD 35

2.1.2 Kỹ thuật ñiều chế 36

2.1.2.1 Cơ sở OFDM 36

2.1.2.2 Công nghệ OFDMA 40

2.1.2.3 Scalable OFDMA (S-OFDMA) 43

2.1.3 Cấu trúc symbol OFDMA và các mô hình phân hoá kênh con (Sub-channelization) 44

2.1.4 Cấu trúc khung OFDMA chế ñộ TDD 50

2.2 LỚP MAC 53

2.2.1 Khái niệm 53

2.2.2 Hỗ trợ chất lượng dịch vụ QoS 54

2.2.3 Dịch vụ lập lịch MAC 56

2.2.4 Quản trị di ñộng 58

2.2.4.1 ðiều khiển chuyển giao 58

2.2.4.2 Quản lí công suất tiêu thụ 61

Chương 3 CÁC KỸ THUẬT NÂNG CAO PHỦ SÓNG TRONG MOBILE

WIMAX 63

3.1 CÁC KỸ THUẬT ANTEN NÂNG CAO TRONG MOBILE WIMAX 63

3.1.1 ðặc tính ñịnh hướng của Anten 63

3.1.2 Các công nghệ anten nâng cao 65

3.1.2.1 Tạo chùm tia- (Beam-Forming) 65

3.1.2.2 Công nghệ ña cổng vào ra (MIMO) 67

3.2 CÁC ðẶC TÍNH PHY CAO CẤP KHÁC 70

3.2.1 Mã hóa và ñiều chế thích nghi AMC 71

3.2.2 Phản hồi kênh nhanh CIQCH 73

3.2.3 Yêu cầu lặp lại tự ñộng kiểu kết hợp HARQ 74

3.3 PHÂN ðOẠN TÁI SỬ DỤNG TẦN SỐ (FRACTIONAL FREQUENCY REUSE) 75

Chương 4 HỆ THỐNG VÀ KẾT QUẢ TRIỂN KHAI MOBILE WIMAX TẠI VTC 78

4.1 ðỊNH HƯỚNG THIẾT BỊ MẠNG 78

4.1.1 Xác ñịnh khu vực triển khai 78

4.1.2 ðối tượng sử dụng 79

4.1.3 Yêu cầu tích hợp với các hệ thống hiện có 81

4.2 VẤN ðỀ LỰA CHỌN TẦN SỐ 82

4.3.1 Vị trí thử nghiệm cho VTC tại Hà Nội 86

4.4.1 BS ñặt tại VTC 87

4.4.2 BS ñặt tại trường ðH Bách Khoa HN 89

4.4.3 Tỷ lệ lỗi gói ñường xuống - Downlink Packet Error Rate (DL PER) 91

4.4.4 Tỷ lệ lỗi gói ñường lên - Uplink Packet Error Rate (UL PER) 92

4.4.5 Truyền FTP (File Transfer Protocol) ñường xuống 93

4.4.6 Truyền FTP (File Transfer Protocol) ñường lên 95

4.4.7 Truyền FPT ñường xuống trong chuyển giao Intra-WAC 96

KẾT LUẬN 99

TÀI LIỆU THAM KHẢO 100

LỜI NÓI ðẦU

Từ khi Wimax ra ñời với chuẩn IEEE 802.16 ñầu tiên ñược hoàn thành năm

2001 và công bố vào năm 2002, nó ñã thực sự ñem ñến một cuộc cách mạng mới cho mạng truy cập không dây Nếu như Wireless LAN ñược phát triển ñể cung cấp dịch vụ truy nhập Internet cho mạng LAN không dây và nâng cao tính linh hoạt của truy nhập Internet cho những vùng tập trung ñông dân cư trong những phạm vi hẹp, thì với WiMAX, ngoài khả năng cung cấp dịch vụ ở vùng ñô thị, nó còn giải quyết ñược những vấn ñề khó khăn trong việc cung cấp dịch vụ Internet cho những vùng thưa dân, ở những khoảng cách xa mà công nghệ ADSL sử dụng dây ñồng không thể ñạt tới

Có thể nói, trong hơn 10 năm qua, công nghệ Wimax với những ưu ñiểm vượt trội của nó luôn là 1 công nghệ “nóng “ dưới nhiều góc ñộ và ñược tập trung nghiên cứu, triển khai ở rất nhiều quốc gia Năm 2005, việc IEEE công bố chuẩn 802.16e cho các ứng dụng dành cho di ñộng ñã ñánh dấu sự ra ñời của mạng băng rộng cá nhân - sự hội tụ của mạng băng rộng và mạng di dộng hứa hẹn ñây sẽ là một cuộc cách mạng quan trọng trong thông tin liên lạc Công nghệ Wimax di ñộng nhanh chóng trở thành 1 công nghệ thu hút rất nhiều sự quan tâm nghiên cứu và ñem lại nhiều tranh luận về các ưu ñiểm về khả năng phủ sóng, tốc ñộ, dung lượng, chất lượng dịch vụ QoS và ñặc biệt là về những loại hình ứng dụng băng rộng mà công nghệ này có thể hỗ trợ

Với sự ñịnh hướng và chỉ bảo tận tình của TS Nguyễn Vũ Sơn và các Thày,

Cô trong và ngoài Trường, cũng như với sự nỗ lực tìm tòi, nghiên cứu của bản thân,

em ñã chọn và hoàn thành luận văn là “Nghiên cứu Công nghệ Mobile Wimax và

Mô hình hệ thống triển khai tại VTC “

ðể hoàn thành Luận văn tốt nghiệp này, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Vũ Sơn ñã chỉ bảo cho em nhiều kiến thức quý báu

Tuy ñã có nhiều cố gắng nhưng Luận văn này cũng không thể tránh khỏi những thiếu sót, do kiến thức và kinh nghiệm thực tế của em còn nhiều hạn chế Em rất mong nhận ñược sự góp ý, chỉ bảo của các Thày Cô trong và ngoài Trường ñể

em có thể hoàn thiện hơn vốn kiến thức của mình

Với tấm lòng trân trọng nhất, em chân thành cảm ơn những người ñã tạo ñiều kiện và giúp ñỡ, chỉ bảo cho em hoàn thành tốt Luận văn này!

Hà Nội, ngày tháng năm 2011

Học viên

Nguyễn Văn Chình

TÓM TẮT LUẬN VĂN

WiMAX di ñộng là giải pháp không dây băng rộng cho phép phủ sóng mạng

băng rộng không dây nhờ công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng trên diện rộng với kiến trúc mạng linh hoạt Các hệ thống WiMAX di ñộng cung cấp khả năng mở rộng về cả công nghệ truy nhập vô tuyến và kiến trúc mạng, do ñó cung cấp khả năng linh ñộng cao trong các lựa chọn phát triển mạng và cung cấp dịch vụ Các thuộc tính và khả năng thực thi của WiMAX di ñộng làm nó trở thành một giải pháp thuyết phục với khả năng thực thi cao và dịch vụ không dây băng rộng chi phí thấp Thông qua công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng trên diện rộng và kiến trúc mạng linh ñộng, WiMAX di ñộng ñang trên ñường hội nhập vào thị trường toàn cầu

Trong phạm vi Luận văn này, nội dung chính gồm có 4 chương:

Chương I : Tổng quan về mạng Wireless

Chương II : Lớp PHY và MAC trong chuẩn IEEE 802.16e

Chương III : Các kỹ thuật nâng cao trong Mobile WiMAX

Chương IV : Hệ thống và kết quả triển khai Mobile WiMAX tại VTC

Luận văn sẽ ñề cập ñến những kỹ thuật mới ñược sử dụng trong Mobile WiMAX, ứng dụng và việc triển khai hệ thống tại VTC

THESIS SUMMARIZATION

The Mobile WiMAX technology, is rapidly proving itself as a technology that will play a key role in broadband wireless metropolitan area networks Mobile WiMAX systems offer scalability in both radio access technology and network architecture, thus providing a great deal of flexibility in network deployment options and service offerings The attributes and performance capability of Mobile WiMAX makes it a compelling solution for high performance, low cost broadband wireless services Mobile WiMAX is on a path to address a global market through a common wide area broadband radio access technology and flexible network architecture

The thesis includes 4 chapters:

Chapter 1 : Overview of Wireless network

Chapter 2 : PHY class and MAC class in IEEE 802.16e standard

Chapter 3 : Advanced techniques in Mobile WiMAX

Chapter 4 : System and driving test result of mobile Wimax in VTC

This thesis will point out new techniques use in Mobile WiMAX also the implementation and trend of Mobile WiMAX in VTC

ATM Asynchronous Transfer Mode Phương thức truyễn dẫn ñồng bộ

BER Bit Error Rate Tỷ số lỗi bít

BTS Base Transmit Station Trạm phát sóng gốc

CDMA Code Division Multiple Access ða truy nhập phân chia theo mã CID Connection Identifier Nhận dạng kết nối

CINR Carrier Interference Noise Ratio Tỉ số sóng mang trên nhiễu

CPE Customer Premise Equipment Thiết bị người dùng

CQI Channel Quality Indicator Chỉ thị chất lượng kênh

CTC Convolutional Turbo Code Mã Turbo xoắn

DSL Digital Subcriber Line ðường dây thuê bao số

EAP Extensible Authentication

FDD Frequency Division Duplexing Song công phân chia theo tần số FDMA Frequency Division Multiple

Access

ða truy nhập phân chia theo tần số

FFT Fast Fourier Tranform Biến ñổi Fourier Nhanh

FCH Frame Control Header Mào ñầu ñiều khiển khung

FUSC Full Used Sub-carrier Kênh con sử dụng hoàn toàn

HARQ Hybrid Automatic Repeat

High Performance LAN LAN chất lượng cao

IEEE Institute of Electrical and

Electronic Engineers

Hiệp hội các kỹ sư ñiện và ñiện tử

IP Internet Protocol Giao thức Internet

ITU International Telecommunication

Union

Tở chức viễn thông thế giới

ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu xuyên kí hiệu

LAN Local Area Network Mạng cục bộ

LDPC Low Density Parity Check Kiểm tra chẵn lẻ mật ñộ thấp LLC Logical Link Control (layer) Lớp ñiều khiển kiên kết vật lý LOS Line-Of-Sight Phương thức truyền vô tuyến cần

phải thoả mãn tầm nhìn thẳng MAC Medium Access Control ðiều khiển truy nhập môi trường MAI Multiple Access Interference Nhiếu ña truy nhập

MAN Metropolitan Area Network Mạng khu vực ñô thị

MAP Media Access Protocol Giao thức truy nhập

MHDO Macro Diversity Hand Over Chuyển giao phân tập vĩ mô

MIMO Multiple-Input, Multiple-Output Nhiều ñầu vào, nhiều ñầu ra

MPDU MAC Protocol Data Unit Khối dữ liệu giao thức MAC

MSDU MAC Service Data Unit Khối dữ liệu dịch vụ MAC

MS Mobile Station Trạm di ñộng

NLOS Non-Line-Of-Sight Không tầm nhìn thẳng

OFDM Orthogonal Frequency Division

Multiplexing

Ghép phân chia tần số trực giao

OFDMA Orthogonal Frequency Division

PMP Point-to-multipoint ðiểm - ða ñiểm

PSTN Public Switched Telephone

Network

Mạng ñiện thoại chuyển mạch công cộng

PUSC Partially Used Sub-Carrier Kênh con sử dụng 1 phần

QAM Quadrature Amplitude

Modulation

Phương pháp ñiều chế biên ñộ cầu phương

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khoá dịch chuyển pha cầu phương SAP Service Access Point ðiểm kết nối dịch vụ

SIMO Single Input Multile Output Một ñầu vào nhiều ñầu ra

SM Spatial Multiplexing Ghép kênh không gian

SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu / tập âm

SS Subcriber Station Trạm thuê bao

SOFDMA Scalable Orthogonal Frequency

Division Multiple Access

ða truy nhập phân chia theo tần số trực giao thay ñổi tỉ lệ

STC Space Time Coding Mã hóa không gian thời gian

TDD Time Division Duplexing Song công phân chia theo thời

gian

TDM Time Division Multiplexing Sự truyền dồn kênh phân chia theo

thời gian TDMA Time Division Multiple Access ða truy nhập phân chia theo thời

gian

UE User Equipment Thiết bị sử dụng

UMTS Universal Mobile Telephone

System

Mạng thông tin di ñộng toàn cầu

Vo IP Voice Over Internet Protocol Thoại qua giao thức Internet

WCDMA Wideband Code Division

WLAN Wireless Local Area Network Mạng vô tuyến cục bộ

WMAN Wireless Metropolitan Area

Network

Mạng vô tuyến khu vực ñô thị

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG WIRELESS

Sự bùng nổ về nhu cầu truyền số liệu tốc ñộ cao, sự yêu cầu thuận tiện trong lắp ñặt và sử dụng ,và ña dạng hóa các loại hình dịch vụ như: truy cập internet tốc

ñộ cao, thư ñiện tử, thương mại ñiện tử, truyền file… ñã thúc ñấy sự nghiên cứu ra ñời và phát triển của các kỹ thuật không dây Hiện nay các chuẩn không dây ñược nghiên cứu, phát triển và ñưa vào ứng dụng cho từng khu vực mạng tương ứng Sau ñây là mô hình phân chia chuẩn không dây theo khu vưc hoạt ñộng

Hình 1.1: Mô hình các chuẩn Wireless theo khu vực

1.1 PHÂN CHIA CÁC LOẠI MẠNG KHÔNG DÂY

* Mạng WPAN

- PAN là một mạng kết nối giữa các thiết bị ở rất gần với nhau cho phép chúng

chia sẻ thông tin và các dịch vụ ðiểm ñặc biệt của mạng này là ñược ứng dụng trong khoảng cách rất ngắn, thông thường chỉ khoảng vài mét, công suất rất nhỏ,…

nó rất thích hợp ñể nối các thiết bị ngoại vi vào máy tính Các mạng PAN cũng ñược dùng ñể giao tiếp giữa các thiết bị cá nhân như ñiện thoại, PDA,… hoặc ñể kết nối với các mạng cấp cao hơn như mạng LAN, WAN, thậm chí cả Internet Những ứng dụng thường thấy hiện nay của WPAN là trong không gian văn phòng,gia ñình hoặc không gian xung quanh của một cá nhân Các thiết bị ñiện tử trong mạng có thể là máy tính ñể bàn, máy tính di ñộng, máy in, các thiết bị cầm tay, ñiện thoại di ñộng, máy nhắn tin,…

- Các công nghệ về WPAN có rất nhiều với nhiều loại và ña dạng ñược phân ra làm hai loại, một loại dùng sóng hồng ngoại ñể truyền và một loại dùng sóng radio

ñể truyền Chuẩn WPAN có tốc ñộ truyền dẫn trong nhà có thể ñạt 480 MB/giây trong phạm vi 10m.Trong mô hình mạng WPAN có sự xuất hiện của các công nghệ

IrDA và Bluetooth dựa trên chuẩn IEEE 802.15 ( Institute for Electrical and

Electronic Engineers ) Hiện nay 802.15 này ñang ñược phát triển thành 802.15.3

ñược biết ñến với tên công nghệ Ultrawideband - siêu băng thông - ñược hứa hẹn

sẽ là cuộc cách mạng không dây trong gia ñình

* Mạng WLAN

Hình 1.2 Mô hình mạng nội bộ WLAN

- WLAN (Wireless Local Area Network) là hệ thống liên kết, chia sẻ và trao ñổi dữ liệu giữa các máy tính sử dụng sóng radio hoặc hồng ngoại nhằm thay thế mạng LAN truyền thống Tổ chức chuẩn hóa các mạng WLAN chủ yếu là IEEE 802.11, bao gồm các chuẩn 802.11a, 802.11b, 802.11g, 802.11n… WLAN là một phần của giải pháp vǎn phòng di ñộng, cho phép người sử dụng kết nối mạng LAN

từ các khu vực công cộng như văn phòng, khách sạn hay các sân bay…

- WLAN cho phép thay ñổi, di chuyển, thu hẹp và mở rộng một mạng một cách rất ñơn giản, tiết kiệm, có thể thành lập một mạng có tính chất tạm thời với khả năng cơ ñộng mềm dẻo cao, thiết lập ñược mạng ở những khu vực rất khó nối dây, tiết kiệm chi phí ñi dây tốn kém Bên cạnh ñó, việc cài ñặt mạng WLAN cũng khá dễ dàng và công nghệ WLAN cũng rất dễ hiểu và dễ sử dụng Tốc ñộ của WLAN ñã lên tới vài chục Mbps, khoảng cách hàng kilomet còn giá thành thì ngày càng giảm

- Tại Việt Nam, WLAN ñã ñược triển khai ứng dụng ở nhiều nơi, xong cũng chưa phổ biến do cơ sỏ hạ tầng, giá thành chưa phù hợp tuy nhiên nó cũng ñã cho phép người sử dụng có thể truy xuất thông tin, truy cập Internet với tốc ñộ cao hơn rất nhiều so với phương thức truy nhập gián tiếp truyền thống

* Mạng WMAN

- Mạng WMAN sử dụng chuẩn IEEE 802.16, ñược hoàn thành vào tháng 10/2001 và ñược công bố vào ngày 8/2002, ñịnh nghĩa ñặc tả kỹ thuật giao diện không gian WirelessMAN ðặc ñiểm của công nghệ này là phạm vi bao phủ của nó

từ vài km ñến vài chục km Công nghệ này thích hợp cho việc triển khai các ứng dụng trong phạm vi một thành phố, hoặc một vùng ngoại ô,… Công nghệ này ñặc biệt có ý nghĩa trong việc ñưa thông tin tới các vùng sâu, vùng xa hoặc những nơi

mà việc ñi cáp ñến thực sự khó khăn

- Việc ñưa ra chuẩn này mở ra một công nghệ mới truy nhập không dây băng rộng WiMAX cho phép mạng không dây mở rộng phạm vi hoạt ñộng tới gần 50 km

và có thể truyền dữ liệu, giọng nói và hình ảnh video với tốc ñộ nhanh hơn so với ñường truyền cáp ðây sẽ là một giải pháp ñể một quốc gia có thể thực hiện việc ñưa công nghệ thông tin tới các vùng xa xôi hẻo lánh, ñịa hình hiểm trở, phức tạp, thực hiện việc phổ cập tin học cho toàn xã hội, ñộng thời cũng là một công cụ hoàn hảo cho 1 nước ñang phát triển như nước ta ñi tắt ñón ñầu trong việc bắt kịp với sự phát triển công nghệ thông tin với các nước trên thế giới

Hình 1.3 Mô hình mạng ñô thị MAN

* Mạng WWAN

- ðặc ñiểm của mạng WAN ñó là khả năng bao phủ của nó trên một vùng ñịa

lý rộng lớn Có thể là một khu vực rộng, một quốc gia, thậm chí toàn cầu Do các WAN kết nối các mạng user qua một phạm vi ñịa lý rộng lớn, nên chúng mở ra khả năng cung ứng hoạt ñộng thông tin cự ly xa cho doanh nghiệp WAN cho phép người sử dụng trên một LAN có thể chia sẻ và ñược chia sẻ với các vị trí xa WAN

liệu, hình ảnh …, ñến một ai ñó ở bất kỳ nơi ñâu trên thế giới tạo ra một khả năng truyền thông tương tự như dạng truyền thông giữa hai người ở tại một vị trí vật lý Trong tương lai, các kết nối Wireless WAN sẽ sử dụng chuẩn 802.20 ñể thực hiện các kết nối diện rộng

1.2 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX

1.2.1 Giới thiệu chung về Wimax

Wimax, tên viết tắt của Worldwide Interoperability for Microwave Access, là

hệ thống truy nhập vi ba có tính tương tác toàn cầu dựa trên cơ sở tiêu chuẩn kỹ thuật IEEE 802.16-2004 Tiêu chuẩn này do hai tổ chức quốc tế ñưa ra: Tổ công tác 802.16 trong ban tiêu chuẩn IEEE 802, và Diễn ñàn WiMAX Tổ công tác IEEE 802.16 là người chế ñịnh ra tiêu chuẩn; còn Diễn ñàn WiMAX là người triển khai ứng dụng tiêu chuẩn IEEE 802.16 WiMAX là một công nghệ ñược tao ra bởi sự ảnh hưởng của các thành phần truyền tin và sự trang bị của các công ty, nó ñã thúc ñẩy và chứng nhận tính tương thích của thiết bị truy nhập băng rộng không dây, nó tương thích với chuẩn IEEE 802.16 và chuẩn ETSI-HIPERMAN WiMax hoạt ñộng gần giống với Wi-Fi nhưng ñược cải thiện khá nhiều ñể có thể tăng tốc ñộ truyền dẫn dữ liệu tới 70 Mbit/s với phạm vi hoạt ñộng 2-10 km trong khu vực thành thị và

50 km tại những vùng hẻo lánh

Tổ chức phi lợi nhuận WiMAX bao gồm các công ty sản xuất thiết bị và linh kiện truyền thông hàng ñầu thế giới ñang nỗ lực thúc ñẩy và xác nhận tính tương thích và khả năng hoạt ñộng tương tác của thiết bị truy cập không dây băng thông rộng tuân theo chuẩn kỹ thuật IEEE 802.16 và tăng tốc ñộ triển khai truy cập không dây băng thông rộng trên toàn cầu Do ñó các chuẩn 802.16 thường ñược biết ñến với cái tên WiMAX

Công nghệ truy nhập không dây ñang ñược triển khai ứng dụng có triển vọng nhằm bổ sung cho mạng thông tin di ñộng Mạng Wi-Fi chủ yếu phục vụ cho mạng cục bộ LAN, còn WiMAX phục vụ chủ yếu cho mạng ñô thị MAN (Metropolitan

Area Network) Mạng WiMAX cũng như mạng ñô thị hữu tuyến (truyền dẫn qua cáp) như mạng DSL ñều ñược sử dụng ñể phục vụ các thuê bao trong vùng tới 50km

Trên thực tế, trong thời gian qua, với sự ra ñời của Wifi ñã làm thay ñổi cách thức trao ñổi thông tin của người sử dụng.Tuy nhiên, do Wifi là công nghệ ñược thiết kế hướng tới các mạng LAN không dây, chính vì vậy trong những trượng hợp

cụ thể, khi áp dụng công nghệ này cho mạng MAN, thì nó ñã bộc lộ rất nhiều những hạn chế Trước hết Wifi ñược thiết kế cho mạng ít thuê bao,kênh truyền của nó cố ñịnh kích thước khoảng 20Mhz, do vậy rất kém linh hoạt Bên cạnh ñó, Wifi không

hỗ trợ kiến trúc Mesh, một kiến trúc ñảm bảo sự liên thông tốt trong mạng ñô thị.Hơn nữa, nếu ta truyền trong môi trường tốt, ít nhiễu, tầm nhìn thẳng ( LOS ), dụng các Anten ñịnh hướng với công suất ñủ lớn thì Wifi cũng chỉ ñạt tới khoảng cách vài km, rất hạn chế cho việc phủ song trong một pham vi lớn…

Sự ra ñời của Wimax ñã khắc phục ñược những nhược ñiểm trên của Wifi Hiện nay, Wimax ñược xem là một giải pháp toàn diện của công nghệ không dây băng rộng trong ñô thị, ngoại ô và những vùng nông thôn xa xôi hẻo lánh… Wimax cho phép truyền không dây các loại dữ liệu, hình ảnh, âm thanh nhanh hơn cả DSL hay cáp, và tất nhiên là nhanh hơn nhiều lần các công nghệ không dây hiện hành như 802.11a hay 802.11b mà không yêu cầu ñiều kiện truyền thẳng

WiMax là mạng không dây phủ sóng một vùng rộng lớn, thuận tiện cho việc triển khai mạng nhanh, thuận lợi và có lợi ích kinh tế cao so với việc kéo cáp, ñặc biệt là vùng có ñịa hình phức tạp Vì vậy, mạng truy nhập không dây băng rộng WiMAX sẽ ñáp ứng ñược các chương trình phổ cập Internet ở các vùng sâu, vùng

xa, nơi có mật ñộ dân cư thưa ðối với các vùng mật ñộ dân cư vừa phải (ngoại vi các thành phố lớn nơi ñòi hỏi cung cấp ña dịch vụ với chất lượng ñược ñảm bảo) thì việc triển khai WiMAX ñể cung cấp các dịch vụ ña phương tiện sẽ nhanh và có hiệu

quả kinh tế cao hơn và với việc cung cấp băng thông rộng sẽ ñáp ứng ñược các yêu cầu về chất lượng WiMAX có những ưu thế vượt trội so với các công nghệ cung cấp dịch vụ băng thông rộng hiện nay về tốc ñộ truyền dữ liệu và giá cả thấp do cung cấp các dịch vụ trên nền IP Với khả năng truy nhập từ xa, tốc ñộ dữ liệu cao ñáp ứng ña dạng các dịch vụ như Internet tốc ñộ cao, thoại qua IP, video luồng/chơi game trực tuyến cùng với các ứng dụng cộng thêm cho doanh nghiệp như hội nghị video và giám sát video, mạng riêng ảo bảo mật WiMAX phù hợp với các ứng dụng truy cập xách tay, với sự hợp nhất trong các máy tính xách tay và PDA, cho phép truy nhập không dây băng rộng ngoài trời ở các khu vực ñô thị, ñồng thời cũng thích ứng với các ứng dụng truy nhập băng rộng cố ñịnh ở những vùng xa xôi, hẻo lánh

WiMAX là một giải pháp tuyệt vời về mặt công nghệ kết nối nhưng sẽ cần một chi phí lớn phải bỏ ra ñể phát triển hạ tầng cho một hệ thống mới trong khi hệ thống cũ vẫn còn chưa ñược sử dụng hết Quả thực, nếu phải ñầu tư một khoản kinh phí ñể triển khai WiMAX trên một quy mô lớn trong khi công nghệ 3G vẫn là tiềm năng chưa khai thác hết thì chắc chắn các công ty viễn thông sẽ phải tính toán và cân nhắc hết sức kỹ lưỡng trước khi bỏ tiền ñầu tư cho việc phát triển dịch vụ này

1.2.3 Một số ñặc ñiểm chung của công nghệ WiMAX

Công nghệ Wimax ñược ñưa ra trong bộ chuẩn IEEE 802.16 và nó có một số ñặc ñiểm chung nhất sau:

- Phạm vi hoạt ñộng của Wimax có thể ñạt ñến 50km trong ñiều kiện tầm nhìn thẳng LOS

- Tốc ñộ truyền dữ liệu có thể thay ñổi, tối ña 70Mb/s

- Hoạt ñộng trong cả hai môi trường truyền dẫn: ñường truyền tầm nhìn thẳng LOS và ñường truyền không trong tầm nhìn thẳng NLOS

- Dải tần làm việc 2-11GHz cho ñường truyền không trong tầm nhìn thẳng NLOS và từ 10-66GHz cho ñường truyền trong tầm nhìn thẳng LOS

- Băng thông mềm dẻo, có thể cho phép thay ñổi từ 1,75MHz ñến 20MHz

- Kỹ thuật QoS (chất lượng dịch vụ) trong WiMAX cho phép hỗ trợ nhiều loại dịch vụ, ñảm bảo chất lượng dịch vụ tối ưu nhất

- Giao diện vô tuyến sử dụng công nghệ OFDM (ghép kênh phân chia theo tần số trực giao) OFDM trong WiMax sử dụng tổng cộng 2048 sóng mang, trong

ñó có 1536 sóng mang dành cho thông tin ñược chia thành 32 kênh con mỗi kênh con tương ñương với 48 sóng mang, cho phép nhiều thuê bao có thể truy cập ñồng thời một hay nhiều kênh một cách linh hoạt ñể ñảm bảo tối ưu hiệu quả sử dụng băng tần

- Trên mỗi sóng mang phụ sử dụng phương thức ñiều chế nhiều mức thích ứng từ BPSK, QPSK ñến 64-QAM kết hợp các phương pháp sửa lỗi dữ liệu như ngẫu nhiên hoá, với mã hoá sửa lỗi Reed Solomon, mã xoắn tỷ lệ mã từ 1/2 ñến 7/8

ñể ñảm bảo chất lượng thông tin

- ða truy nhập OFDMA, chế ñộ song công cho phép sử dụng cả hai công nghệ song công phân chia theo thời gian TDD (time division duplex) và song công phân chia theo tần số FDD (frequency division duplex) cho việc phân chia truyền dẫn của ñường lên (uplink) và ñường xuống (downlink)

- Tính bảo mật cao, hỗ trợ chuẩn mã mật dữ liệu DES (Data Encryption Standard) và chuẩn mã mật tiên tiến AES (Advance Encryption Standard) cho quá trình bảo mật bảo mật

- Giao diện vô tuyến sử dụng giao thức quản lý khóa bảo mật, mỗi liên kết từ trạm gốc ñến trạm thuê bao gắn với một bộ kết hợp bảo mật

- Sử dụng hệ thống Anten thích ứng AAS (Adaptive Antenna System) với các kỹ thuật Beamforming( tạo dạng chùm sóng), kỹ thuật ña thu – phát MIMO

1.2.4 Hoạt ñộng của WiMAX

Một mạng WiMax gồm 2 thành phần:

+ Trạm gốc (BS-Base Station): giống như các trạm BTS trong mạng thông tin di ñộng số tế bào, sử dụng hệ thống anten thông minh AAS (Adaptive Antenna System) và kỹ thuật ña thu ña phát MIMO (Multi input multi output) với bán kính phủ sóng có thể ñạt 50km với ñường truyền LOS (trên ñiều kiện thực tế ñạt khoảng 10km)

+ Trạm thuê bao (SS-Subscriber Station): có thể là các anten nhỏ nối với thiết bị thu ñặt tại nhà thuê bao hoặc các thiết bị truyền thông cá nhân hỗ trợ WiMAX (CPE) hoặc các card PCMCIA gắn bên trong các thiết bị di ñộng

Các trạm gốc BS ñược kết nối tới mạng Internet thông qua các ñường truyền hữu tuyến tốc ñộ cao (cáp quang) hoặc sử dụng mạng ñường trục backhaul với một trạm gốc làm trạm chuyển tiếp lưu lượng Nhờ việc sử dụng các trạm chuyển tiếp, phạm vi phủ sóng rộng và chi phí rẻ nên WiMAX có khả năng phủ sóng ñến những vùng hẻo lánh nơi mà các ñường cáp hữu tuyến không thể triển khai ñược

Các anten thu/phát có thể trao ñổi thông tin với nhau qua các ñường truyền trong tầm nhìn thẳng LOS hoặc ñường truyền không trong tầm nhìn thẳng NLOS Trong trường hợp ñường truyền trong tầm nhìn thẳng LOS, các anten ñược ñặt cố ñinh & di trú trên các ñiểm cao, tín hiệu trong trường hợp này ổn ñịnh và tốc ñộ truyền có thể ñạt tối ña Băng tần sử dụng có thể dùng ở tần số cao ñến 66GHz vì ở tần số này tín hiệu ít bị giao thoa với các kênh tín hiệu khác và băng thông sử dụng cũng lớn hơn ðối với trường hợp ñường truyền không trong tầm nhìn thẳng NLOS, WiMax sử dụng băng tần thấp hơn ở khoảng 2-11GHz, ở tần số thấp tín

hiệu dễ dàng vượt qua các vật cản, có thể phản xạ, nhiễu xạ, uốn cong, vòng qua các vật thể ñể ñến ñích

WiMAX cố ñinh & di trú có thể sử dụng ñể cung cấp dịch vụ cho các hộ gia ñình hoặc các doanh nghiệp, cơ quan tổ chức, trường học, bệnh viện … hoặc làm ñường trục cho mạng di ñộng, làm backhaul cho các hotspost của Wifi thay cho các mạng cáp hữu tuyến ñắt tiền Mạng nomadic cho phép người dùng ñầu cuối có thể

di chuyển vị trí trong vùng phủ sóng, khi kết nối vẫn phải cố ñinh tương tự Wifi WiMAX di ñộng là triển vọng lớn nhất của WiMAX với khả năng cung cấp ñường truyền tốc ñộ cao ở tốc ñộ di chuyển lớn, có khả năng bổ sung các di vụ di ñộng mới ngoài các dịch vụ ñược cung cấp bởi mạng di ñộng truyền thống

Hình 1.4 mô tả các mô hình ứng dụng mạng WiMAX bao gồm mạng WiMAX cố ñinh, mạng WiMAX di trú (nomadic) và mạng WiMAX di ñộng Riêng WiMAX di ñộng có thể tương thích với WiMAX cố ñinh và di trú, ñiều này có nghĩa là một mạng WiMAX di ñộng với lưu lượng mạng ñủ lớn có thể cung cấp cho

cả nhu cầu mạng cố ñinh, di trú và di ñộng

Hình 1.4 Mạng WiMAX

1.2.5 Cấu hình mạng

WiMAX hỗ trợ hai cấu hình mạng là cấu hình mạng ñiểm – ña ñiểm (PMP – point to multipoint) và mạng mắt lưới (MESH)

1.2.5.1 Cấu hình mạng ñiểm – ña ñiểm (PMP)

Cấu hình mạng ñiểm – ña ñiểm PMP tương tự mạng thông tin di ñộng tế bào Mạng ñiểm – ña ñiểm PMP bao gồm một trạm gốc BS kết nối với mạng công cộng và một số lượng lớn các trạm thuê bao SS xung quanh Trạm gốc BS sử dụng

hệ thống các anten chia theo cung (sectoral antennas) là các anten chảo có ñộ ñịnh

hướng cao, ñược hướng theo từng cung và ñược sắp xếp xung quanh cột anten

Trong mạng ñiểm – ña ñiểm PMP các trạm thuê bao SS chỉ trao ñổi thông tin trực tiếp với trạm gốc BS ðường xuống (Down link) là quảng bá và ña ñiểm Các trạm thuê bao SS chia sẻ ñường lên (up link) tới trạm gốc BS trên cơ sở yêu cầu băng thông Kết nối từ trạm thuê bao SS ñến trạm gốc BS thông qua nhận dạng kết nối CID (connection ID), trạm thuê bao SS sẽ kiểm tra CID trong các PDU nhận ñược và chỉ giữ các PDU có ñịa chỉ tới chúng Tùy thuộc loại dịch vụ sử dụng mà trạm thuê bao SS ñược phép tiến hành truyền dữ liệu ngay hoặc chờ sự cho phép của trạm gốc BS sau khi ñã chấp nhận một yêu cầu từ trạm thuê bao SS

Mạng ñiểm – ña ñiểm PMP ñược thiết kế ñể cho phép số lượng người sử dụng lớn với chi phí thấp, lắp ñặt ñơn giản và giới hạn ñược số lượng router, switch cần thiết Tần số sử dụng ở dải tần thấp dưới 6GHz ñể có phạm vi phủ sóng lớn

Cấu hình mạng ñiểm – ña ñiểm PMP là cấu hình mạng cơ bản cho mạng WiMAX

Hình 1.5 Cấu hình mạng PMP

1.2.5.2 Cấu hình mạng mặt lưới (MESH)

Cấu hình mạng mắt lưới MESH gồm các trạm gốc MESH BS là các trạm gốc BS ñược kết nối với mạng bên ngoài và các MESH SS là các thành phần còn lại trong mạng mà chỉ có các kết nối bên trong mạng MESH (có thể là các trạm thuê bao SS hoặc trạm gốc BS) Mạng MESH thường ñược gọi là mạng mắt lưới, mỗi mắt lưới là một node mà trong ñó các node ñều có thể liên lạc ñược với nhau trực tiếp hoặc gián tiếp bên trong mạng ðường lên và ñường xuống trong mạng MESH

là theo hướng dữ liệu tới và ra khỏi MESH BS Kết nối trong mạng MESH cũng thông qua nhận dạng kết nối CID, MESH SS sẽ kiểm tra CID trong các PDU nhận ñược và chỉ giữ các PDU có ñịa chỉ tới chúng

Trong mạng MESH mỗi node có một router do ñó lưu lượng có thể ñược ñịnh tuyến qua các MESH SS Nhờ ñặc ñiểm này các MESH SS có thể trao ñổi dữ liệu với nhau ngoài trao ñổi dữ liệu trực tiếp với MESH BS, ñây là khác biệt cơ bản

so với cấu hình PMP

Do mỗi node ñều có liên kết ña ñường ñến các node khác nên mỗi node có khả năng lựa chọn liên kết tốt nhất từ node khác và tránh ñược node ẩn (node không nhận ñược tín hiệu Ngoài ra khả năng mở rộng của mạng mắt lưới MESH cho phép lớn hơn nhiều so với mạng ñiểm – ña ñiểm PMP nên chi phí bao phủ mạng trên một ñơn vị diện tích là thấp hơn ñiểm – ña ñiểm PMP Ngoài ra chất lượng kết nối cũng ñược ñảm bảo hơn mạng ñiểm – ña ñiểm PMP

Cấu hình mạng mắt lưới MESH là tùy chọn cho WiMAX do chi phí cho thiết

bị ñầu cuối lớn và quản lý mạng phức tạp Mạng mắt lưới MESH chỉ thích hợp cho các dịch vụ cố ñinh & di trú

Hình 1.6 Cấu hình mạng MESH

1.2.6 Hai mô hình ứng dụng WiMAX

Tiêu chuẩn IEEE 802.16 ñề xuất 2 mô hình ứng dụng:

Mô hình ứng dụng cố ñịnh

Mô hình ứng dụng di ñộng

1.2.6.1 Mô hình ứng dụng cố ñịnh (Fixed WiMAX)

Mô hình cố ñịnh sử dụng các thiết bị theo tiêu chuẩn IEEE.802.16-2004 Tiêu chuẩn này gọi là “không dây cố ñịnh” vì thiết bị thông tin làm việc với các anten ñặt cố ñịnh tại nhà các thuê bao Anten ñặt trên nóc nhà hoặc trên cột tháp tương tự như chảo thông tin vệ tinh

Hình 1.7 Mô hình Wimax cố ñịnh

Tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004 cũng cho phép ñặt anten trong nhà nhưng tất nhiên tín hiệu thu không khỏe bằng anten ngoài trời Băng tần công tác ( theo quy ñịnh và phân bổ của quốc gia ) trong băng 2,5GHz hoặc 3,5GHz ðộ rộng băng tầng

là 3,5MHz Trong mạng cố ñịnh, WiMAX thực hiện cách tiếp nối không dây ñến các modem cáp, ñến các ñôi dây thuê bao của mạch xDSL hoặc mạch Tx/Ex (truyền phát/chuyển mạch) và mạch OC-x (truyền tải qua sóng quang) WiMAX cố ñịnh có thể phục vụ cho các loại người dùng (user) như: các xí nghiệp, các khu dân cư nhỏ

lẻ, mạng cáp truy nhập WLAN công cộng nối tới mạng ñô thị, các trạm gốc BS của

mạng thông tin di ñộng và các mạch ñiều khiển trạm BS Về cách phân bố theo ñịa

lý, các user thì có thể phân tán tại các ñịa phương như nông thôn và các vùng sâu vùng xa khó ñưa mạng cáp hữu tuyến ñến ñó

Sơ ñồ kết cấu mạng WiMAX ñược ñưa ra trên hình 1 Trong mô hình này bộ phận vô tuyến gồm các trạm gốc WiMAX BS (làm việc với anten ñặt trên tháp cao)

và các trạm phụ SS (SubStation) Các trạm WiMAX BS nối với mạng ñô thị MAN hoặc mạng PSTN

1.2.6.2 Mô hình ứng dụng WiMAX di ñộng

Mô hình WiMAX di ñộng sử dụng các thiết bị phù hợp với tiêu chuẩn IEEE 802.16e Tiêu chuẩn 802.16e bổ sung cho tiêu chuẩn 802.16-2004 hướng tới các user cá nhân di ñộng, làm việc trong băng tần thấp hơn 6GHz Mạng lưới này phối hợp cùng WLAN, mạng di ñộng cellular 3G có thể tạo thành mạng di ñộng có vùng phủ sóng rộng Hy vọng các nhà cung cấp viễn thông hiệp ñồng cộng tác ñể thực hiện ñược mạng viễn thông digital truy nhập không dây có phạm vi phủ sóng rộng thỏa mãn ñược các nhu cầu ña dạng của thuê bao Tiêu chuẩn IEEE 802.16e ñược thông qua trong năm 2005

Hình 1.8 Mô hình Wimax di ñộng

1.2.7 Các ưu ñiểm của mạng WiMAX

So với việc triển khai các mạng số liệu có dây và không dây khác, mạng WiMAX có những ưu ñiểm nổi bật sau

► Triển khai nhanh hơn nhưng ñầu tư ít hơn

Thời gian lắp ñặt và triển khai hệ thống mạng WiMAX ngắn hơn các hệ thống khác So sánh với mạng cáp, hệ thống này sẽ giúp nhà khai thác ñưa dịch vụ ñến khách hàng nhanh hơn rất nhiều Nói cách khác, chi phí ñầu tư sẽ thấp hơn mạng cáp hữu tuyến Ngoài ra mạng WiMAX cho phép triển khai ñược ở những vùng mà mạng cáp hữu tuyến không thể triển khai ñược Còn các mạng di ñộng yêu cầu quản lý mạng phức tạp do ñó quá trình triển khai chậm hơn cũng như chi phí cao hơn

► Dung lượng mạng lớn hơn

Tốc ñộ dữ liệu của trạm gốc WiMAX có thể ñạt ñược 75Mbps trong một sector và cho phép lên ñến 300Mbps trong một cell Trong trường hợp làm mạng ñường trục (backhaul) tốc ñộ dữ liệu có thể lên tới vài Gbps (mạng WiMAX cố ñinh, ñường truyền LOS) Mạng WiMAX có thể cung cấp tốc ñộ dữ liệu cao nhiều hơn các hệ thống khác như Dial-up, ADSL, DSL và 3G Mạng Wifi về lý thuyết có thể cung cấp tốc ñộ dữ liệu 54 Mbps nhưng tốc ñộ dữ liệu thực phụ thuộc kết nối giữa hotpost với ñường ADSL hoặc cáp Trạm gốc WiMAX có thể kết nối thông qua ñường cáp quang hoặc qua các backhaul WiMAX, trong ñó khả năng lớn nhất

là sử dụng các backhaul

► ðộ bảo mật cao

Hệ thống WiMAX có sử dụng bộ lọc ñịa chỉ IP/MAC, mật khẩu, trên các giao diện vô tuyến sử dụng các phương thức bảo mật tiên tiến Toàn bộ các quá trình nhận thực, thiết lập kết nối ñược quản lý bởi giao thức quản lý khóa bảo mật

và các liên kết bảo mật ñi kèm từng kết nối Dữ liệu ñược mã hóa bảo mật theo chuẩn DES, AES

► Kỹ thuật OFDM

Kỹ thuật OFDM cho phép giảm nhiễu ISI, tăng hiệu suất sử dụng phổ, giảm lỗi ñường truyền cho phép ñảm bảo tốt chất lượng tín hiệu thu OFDM ñặc biệt hiệu quả trong truyền dẫn ña ñường trong môi trường NLOS

► Kỹ thuật ñiều chế thích ứng

Kỹ thuật ñiều chế thích ứng cho phép hệ thống phản ứng linh hoạt với chất lượng ñường truyền, khi tỉ số SNR giảm thì mức ñiều chế giảm ñể ñảm bảo tỉ lệ lỗi bit ñạt mức tiêu chuẩn (tỉ lệ lỗi bit BER không vượt quá 10-3)

►Khả năng ñiều chỉnh dung lượng dễ dàng

Công nghệ WiMAX cho phép việc sử dụng băng thông một cách mềm dẻo Tùy theo ñiều kiện sử dụng mà có thể lựa chọn các băng thông từ 3.5 MHz, 5 MHz,

10 MHz và tối ña 20 MHz Khi ñó có thể tăng dung lượng mạng theo yêu cầu ðối với Wifi thì băng thông cố ñinh là 20 MHz

Xét một ví dụ một trạm phát WiMAX sử dụng các modun kết nối số liệu, mỗi modun sử dụng băng thông 3.5 MHz Trong giai ñoạn ñầu tiên, số lượng thuê bao ít, dung lượng mạng yêu cầu thấp ta có thể sử dụng một modun thu phát sử dụng băng thông 3.5 MHz, mỗi modun cho phép tốc ñộ dữ liệu 18 Mbps Khi số thuê bao tăng lên, khi ñó chỉ cần lắp thêm modun và tăng băng thông lên ñể tăng dung lượng mạng Với 4 modun có thể ñạt ñược dung lượng tối ña 72 Mbps

Hình 1.9 Khả năng mở rộng dung lượng của một trạm gốc BS

(nguồn nhà cung cấp thiết bị WiMAX Alvarion)

►Hiện nay công nghệ WiMAX ñang ñược hỗ trợ bởi nhiều nhà sản xuất thiết bị viễn thông Với phiên bản thiết bị (Multiple vendors) sẽ cho phép giảm rủi

ro cho các công ty kinh doanh dịch vụ WiMAX nhờ khả năng lựa chọn thiết bị và

sự cạnh tranh giữa các nhà cung cấp Ngoài ra hệ thống WiMAX có nhiều cơ sở về

công nghệ và kỹ thuật cho các giải pháp hiệu quả và cạnh tranh

Chipset theo tiêu chuẩn

Công nghệ mới giúp giảm sản xuất chi phí dẫn ñến giá thành thiết bị giảm

Khả năng tích hợp chip tương thích WiMAX bên trong laptops và PDA cũng như các thiết bị di ñộng khác (tương tự Wifi) do ñó chi phí thiết bị ñầu cuối CPE sẽ giảm rất nhiều (người dùng không cần mua các anten hoặc card chuyên dụng)

► Dịch vụ phong phú

Mạng WiMAX cho phép cung cấp nhiều loại hình dịch vụ khác nhau cho các

tổ chức, doanh nghiệp, hộ gia ñình và cá nhân Tất cả các dịch vụ ñều ñược ñảm bảo chất lượng dịch vụ QoS

Dịch vụ thoại truyền thống hoặc thoại qua internet (VoIP)

Truy cập internet tốc ñộ cao

Hội nghị truyền hình

Mạng riêng ảo

Truyền hình di ñộng

Giải trí trực tuyến và nhiều dịch vụ gia tăng khác

Các dich vụ phong phú và chất lượng dịch vụ cao với mức cước không quá lớn là ñiểm hấp dẫn của công nghệ WiMAX

1.3 GIỚI THIỆU CÁC CHUẨN 802.16

1.3.1 Chuẩn IEEE 802.16 - 2001

Chuẩn IEEE 802.16-2001 ñược hoàn thành vào tháng 10/2001 và ñược công

bố vào ngày 08/04/2002, ñịnh nghĩa ñặc tả kỹ thuật giao diện không gian WirelessMAN™ cho các mạng vùng ñô thị Việc hoàn thành chuẩn báo trước sự chấp nhận truy nhập không dây băng rộng như một công cụ chủ yếu mới trong sự

cố gắng liên kết các tòa nhà và cơ quan doanh nghiệp với các mạng viễn thông nòng cốt trên thế giới

Như trong ñịnh nghĩa chuẩn IEEE 802.16, một mạng vùng ñô thị không dây cung cấp sự truy nhập mạng cho các tòa nhà thông qua ăngten ngoài trời có thể truyền thông với các trạm cơ sở rañiô trung tâm (BS) Do hệ thống không dây có khả năng hướng vào những vùng ñịa lý rộng, hoang vắng mà không cần phát triển

cơ sở hạ tầng tốn kém như trong việc triển khai các kết nối cáp nên công nghệ tỏ ra

ít tốn kém hơn trong việc triển khai và như vậy dẫn ñến sự truy cập băng rộng tăng lên ở khắp mọi nơi Bản thiết kế MAC WirelessMAN có thể làm thích nghi mọi kết nối với chất lượng dịch vụ (QoS) hoàn hảo Với công nghệ ñược mở rộng theo hướng này, nó là chuẩn ñược phát triển ñể hỗ trợ những người cung luôn cần sự di chuyển ( ví dụ như trong xe cộ chẳng hạn )

Chuẩn IEEE 802.16 ñã ñược thiết kế ñể mở ra một tập các giao diện không gian (air interfaces) dựa trên một giao thức MAC thông thường nhưng với các ñặc

tả lớp vật lý phụ thuộc vào việc sử dụng và những ñiều chỉnh phổ có liên quan Chuẩn hướng vào các tần số từ 10 – 66 GHz, nơi phổ rộng hiện có sẵn ñể sử dụng trên toàn cầu, nhưng tại ñó những bước sóng ngắn ñược xem như những thách thức trong việc triển khai Chính vì lý do ñó ñã là tiền ñề cho sự ra ñời của chuẩn mới, chuẩn 802.16a

1.3.2 Chuẩn IEEE 802.16a

Chuẩn 802.16a ñược hoàn thành vào tháng 11 - 2002 và ñược công bố vào tháng 4 - 2003 Chuẩn này cung cấp khả năng truy cập băng rộng không dây ở ñầu cuối và ñiểm kết nối bằng băng tần 2-11 GHz, bao gồm cả những phổ cấp phép và không cấp phép, với khoảng cách kết nối tối ña có thể ñạt tới 50 km trong trường hợp kết nối ñiểm ñiểm và 7-10 km trong trường hợp kết nối từ ñiểm ña ñiểm Tốc

ñộ truy nhập có thể ñạt tới 70 Mbps

Trong khi với dải tần 10-66Ghz chuẩn 802.16 - 2001 phải yêu cầu tầm nhìn thẳng, thì với dải tần 2-11Ghz chuẩn 802.16a cho phép kết nối mà không cần thoả mãn ñiều kiện tầm nhìn thẳng, tránh ñược tác ñộng của các vật cản trên ñường truyền như cây cối, nhà cửa Chuẩn này sẽ giúp ngành viễn thông có các giải pháp như cung cấp băng thông theo yêu cầu, với thời gian thi công ngắn hay băng thông rộng cho hộ gia ñình mà công nghệ thuê bao số hay mạng cáp không tiếp cận ñược

So sánh với những tần số cao hơn, những phổ như vậy tạo cơ hội ñể thu ñược nhiều khách hàng hơn với chi phí chấp nhận ñược, mặc dù các tốc ñộ dữ liệu là không cao Tuy nhiên, các dịch vụ sẽ hướng tới những toà nhà riêng lẻ hay những xí nghiệp vừa và nhỏ

1.3.3 Chuẩn IEEE 802.16c - 2002

Chuẩn IEEE 802.16c ñược ñưa ra vào tháng 9/2002 Chuẩn ñược nâng cấp lên từ chuẩn 802.16 – 2001 Bản cập nhật ñã sửa một số lỗi và sự mâu thuẫn trong bản tiêu chuẩn ban ñầu và thêm vào một số profiles hệ thống chi tiết cho dẩi tần 10 – 66 GHz

1.3.4 Chuẩn IEEE 802.16d - 2004

Chuẩn IEEE 802.16-2004 ñược chính thức phê chuẩn ngày 24/07/2004 và ñược công bố rộng rãi vào tháng 9/2004 IEEE 802.16 – 2004 thường ñược gọi với tên 802.16-REVd Chuẩn này ñược hình thành dựa trên sự tích hợp các chuẩn

802.16-2001, 802.16a, 802.16c Chuẩn mới này ñã ñược phát triển thành một tập các ñặc tả hệ thống có tên là IEEE 802.16-REVd, nhưng ñủ toàn diện ñể phân loại như là một sự kế thừa hoàn chỉnh chuẩn IEEE 802.16 ban ñầu

Chuẩn 802.16d hỗ trợ cả 2 dải tần số, cho phép kết nối thực hiện ở các môi trường khác nhau :

Băng tần 10 – 66 Ghz: với băng tần này thường ñược dung trong môi trường

tầm nhìn thẳng ( LOS ) ðộ rộng kênh ñược khuyến nghị cho dải tần này là

25 ñến 28 MHz Nó cung cấp khả năng hỗ trợ tốt trong những ứng dụng mô hình ñiểm – ña ñiểm

Băng tần 2 – 11 GHz: với băng tần này thường ñược dung trong môi trường

không trong tầm nhìn thẳng ( NLOS ).Nó cung cấp khả năng hỗ trợ tốt trong những ứng dụng mô hình Mesh

1.3.5 Chuẩn IEEE 802.16e – 2005

Chuẩn 802.16e - 2005 ñược tổ chức IEEE ñưa ra vào tháng 11 - 2005 ðây

là phiên bản phát triển dựa trên việc nâng cấp chuẩn 802.16 - 2004 nhằm hỗ trợ thêm cho các dịch vụ di ñộng Chuẩn này sử dụng kỹ thuật ña truy nhập SOFDMA

( Scalable Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access ), kỹ thuật ñiều chế

ña sóng mang sử dụng kênh phụ Băng tần ñược khuyến cáo dành cho chuẩn là < 6Ghz ñể phục vụ cho các ứng dụng trong môi trường ko trong tầm nhìn thẳng và ứng dụng di ñộng Tuy tốc ñộ và khả năng bao phủ không ñược lớn như chuẩn cố ñịnh, nhưng với kênh băng thông 10 Mhz, nó cũng có thể ñạt tới tốc ñộ 30 MHz, với khả năng bao phủ tới 15 km Một ñặc ñiểm nổi bật của chuẩn này là có thể ứng dụng trong môi trường di ñộng với tốc ñộ lý thuyết có thể lên tới ñến 120 km/h Các ñặc tả về chuẩn 802.16e ñã ñược trình bày cụ thể trong phần trên của chương này

Với những ñặc ñiểm và sự phát triển của các chuẩn 802.16 nói trên, ta có thể nhận thấy ñược sự khác nhau về cơ bản, cũng như nhận biết ñược những tính kế

Chuẩn 802.16 802.16a/REVd 802.16e

Dải tần số 10-66GHz <11GHz <6GHz

Môi trường

truyền Line of Sight Non Light of Sight

Non Light of Sight

Mức di ñộng Cố ñịnh Cố ñịnh

Có thể cho tốc

ñộ di chuyển thấp

Băng thông

kênh 20,25,28MHz Dải kênh 1.25-20 MHz

Tương tự 802.16a

Bán kính cell 1.7-5km 5 tới 10km; tối ña 50 km tùy

thuộc vào ñiều kiện truyền 1.7-5km

Bảng 1.1 So sánh các chuẩn 802.16

Wimax là công nghệ mới ra ñời do vậy mà còn có rất nhiều vấn ñề cần ñược nghiên cứu Trong phạm vi ñề tài này, tôi chỉ tập trung nghiên cứu mạng truy nhập không dây băng rộng di ñộng Mobile Wimax dựa theo chuẩn 802.16e

Chương 2 LỚP MAC VÀ PHY TRONG CHUẨN

IEEE 802.16e

Cũng giống như các bộ phận khác của họ 802 của IEEE, mô hình tham chiếu chuẩn 802.16e của WiMAX di ñộng chỉ tập trung vào hai lớp : lớp liên kết dữ liệu (

Datalink Layer ) và lớp vật lý ( Physical Layer ) trong mô hình OSI

Hình 2.1 Mô hình lớp PHY và MAC

Trong những công bố ñầu tiên của chuẩn IEEE 802.16 chỉ ra rằng nó hoạt ñộng trong tầm nhìn thẳng LOS ở băng tần cao trong dải tần số từ 10GHz ñến 66GHz Nhưng ñã ñược sửa ñổi và chỉ ra ở trong chuẩn IEEE 802.16e, thiết kế cho các hệ thống hoạt ñộng ở dải tần từ 2 GHz ñến 6 GHz Ý nghĩa quan trọng của sự khác nhau giữa hai băng tần trên ñó là khả năng hỗ trợ trong tầm nhìn không thẳng

Lớp MAC mô tả trong 802.16e bao gồm 3 lớp con : lớp con hội tụ chuyên biệt dịch

vụ (Service Specific Convergence Sublayer), lớp con MAC phần chung (MAC

Common Part Sublayer ) và lớp con bảo mật (Privacy Sublayer)

2.1 LỚP PHY

2.1.1 Phương thức song công TDD và FDD

Chuẩn 820.16e-2005 hỗ trợ cả chế ñộ FDD (Frequency Division Duplexing)

và TDD (Time Division Duplexing) Hệ thống TDD sử dụng cùng 1 băng tần cho

cả ñường lên và ñường xuống,và khung ñược chia thành khung con DL và UL về mặt thời gian Hệ thống FDD sử dụng các băng tần khác nhau cho ñường lên và ñường xuống và khung con ñường lên và ñường xuống là trùng khớp nhau về mặt thời gian

- TDD ñảm bảo sự trao ñổi kênh ñể:hỗ trợ khả năng ñiều chỉnh ñược truyền, MIMO và các công nghệ anten vòng kín cao cấp khác

- Không như FDD yêu cầu một cặp kênh, TDD chỉ yêu cầu 1 kênh ñơn cho

cả ñường lên và ñường xuống Do vậy TDD dễ thích ứng hơn trong việc cấp phát phổ tần số

- Các thiết kế cho bộ thu phát ñể triển khai TDD cũng ñơn giản và ít tốn kém hơn

2.1.2 Kỹ thuật ñiều chế

2.1.2.1 Cơ sở OFDM

Kỹ thuật ñiều chế OFDM( Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là phương pháp ghép kênh phân chia theo tần số trực giao do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ.Ngày nay công nghệ này ñược sử dụng rộng rãi trong các hệ thống ADSL, Wifi, Wimax

Kĩ thuật OFDM là một trường hợp ñặc biệt của phương pháp ñiều chế ña sóng mang trong ñó các sóng mang phụ trực giao với nhau,nhờ vậy mà phổ tín hiệu

ở các sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục tín hiệu ban ñầu.Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với các kĩ thuật ñiều chế thông thường

Phương pháp ñiều chế ña sóng mang ñược hiểu là toàn bộ băng tần của hệ thống ñược chia làm nhiều băng con với các sóng mang phụ cho mỗi băng con là khác nhau.Phương pháp ñiều chế ña sóng mang còn ñược hiểu là phương pháp ghép kênh phân chia theo tần số FDM,trong ñó bề rộng phổ tín hiệu ñược chia là Nc kênh song song hay còn gọi là kênh phụ với bề rộng là

fs=

Nc B

Do ñó ñộ dài của một mẫu tín hiệu là Ts sẽ lớn hơn ñộ dài của một mẫu tín hiệu trong trường hợp ñiều chế ñơn sóng mang là Nc lần dẫn ñến trễ truyền dẫn giảm ñi do ñó nhiễu liên ký hiệu ISI gây ra bởi trễ truyền dẫn cũng giảm ñi ñáng kể Bên cạnh ñó ảnh hưởng của hiệu ứng lựa chọn tần số của kênh cũng giảm ñi do kênh ñược chia ra làm nhiều kênh phụ Tuy nhiên, phương pháp ñiều chế ña sóng mang không làm tăng hiệu quả sử dụng băng tần hệ thống so với phương pháp ñơn sóng mang, ngược lại nếu các kênh phụ ñược ngăn cách với nhau bởi 1 khoảng bảo

vệ nhất ñịnh ñể chắc chắn rằng chúng không chồng lấn lên nhau thì sẽ làm giảm hiệu quả sử dụng phổ ðể khắc phục ñiều này, phương pháp ñiều chế ña sóng mang trực giao ra ñời

Phương pháp ñiều chế ña sóng mang trực giao OFDM là 1 dạng ñặc biệt của phương pháp ñiều chế ña sóng mang thông thường với các sóng mang phụ ñược chọn sao cho mỗi sóng mang phụ trực giao với các sóng mang phụ còn lại Nhờ sự trực giao này mà phổ các tín hiệu của các kênh con cho phép chồng lấn lên nhau ðiều này làm tăng hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống lên rõ rệt

Hình 2.3 Minh hoạ tính trực giao của OFDM

Hình trên minh hoạ một cách ñơn giản về nguyên lí trực giao trong ñó phổ tín hiệu của một kênh con có dạng tín hiệu hình sin(x)/x.Các kênh con ñược xếp ñặt trên miền tần số cách nhau 1 khoảng ñều ñặn sao cho ñiểm cực ñại của 1 kênh con

là ñiểm không của kênh con lân cận.ðiều này làm nguyên lí trực giao ñược thoả mãn và cho phép máy thu có thể khôi phục lại tín hiệu mặc dù phổ của các kênh con chồng lấn lên nhau

Số lượng các sóng mang con phụ thuộc vào nhiều yếu tố như ñộ rộng kênh

và mức ñộ nhiễu.Con số này tương ứng với kích thước FFT (Fast Fourier Transformer).Chuẩn giao tiếp vô tuyến 802.16-2004 xác ñịnh rõ 256 sóng mang con ,tương ứng với kích cỡ FFT 256 ñộ rộng kênh ñộc lập.Theo cách khác,chuẩn 802.16e-2005 cung cấp kích cỡ FFT từ 512 tới 2048 phù hợp với ñộ rộng kênh từ 5 tới 20MHz ñể duy trì tương ñối khoảng thời gian không ñổi của kí tự và khoảng giãn cách giữa các sóng mang con ñộc lập với ñộ rộng kênh

Trong phương pháp OFDM không chỉ tăng hiệu quả sử dụng băng tần mà còn loại trừ ñược nhiễu xuyên kí hiệu ISI do sử dụng chuỗi bảo vệ CP(Cycle Prefix).Chuỗi bảo vệ là 1 chuỗi tín hiệu có ñộ dài là Tg ở phía sau sao chép lên phần trước cuả mẫu tín hiệu Sự sao chép này cho phép chống lại nhiễu xuyên kí hiệu do hiệu ứng phân tập ña ñường.ðiều này ñược giải thích như sau: Nếu như máy phát phát ñi một khoảng tín hiệu hình sin có chiều dài là Tu Sau khi chèn chuối bảo vệ, tín hiêu này có chu kỳ là Ts = Tu + Tg Do hiệu ứng phân tập ña ñường, tín hiệu này sẽ ñến máy thu qua nhiều tuyến ñường truyền với trễ truyền dẫn khác nhau Giả sử thời gian trễ truyền của tín hiệu ở ñây là τ Khi ñó mẫu tín hiệu sau bị dịch sang mẫu tín hiệu trước một khoảng là τ do trễ truyền dẫn Cứ như vậy các tín hiệu tiếp theo cũng sẽ bị dịch ñi một khoảng τ so với tín hiệu trước nó Tín hiệu thu ñược ở máy thu sẽ là tổng của tín hiệu tất cả các tuyến Sự dịch tín hiệu do trễ truyền dẫn trong các phương pháp ñiều chế thông thường sẽ gây ra nhiễu xuyên tín hiệu ISI Tuy nhiên trong hệ thống OFDM có sử dụng chuỗi bảo vệ sẽ loại bỏ ñược nhiễu này.Trong trường hợp Tg≥τ thì phần chồng lấn tín hiệu sẽ chỉ nằm trong

hiệu khác.Ở phía thu ,chuỗi bảo vệ sẽ bị gạt bỏ trướng khi gửi ñến bộ giải ñiều chế OFDM.Việc sử dụng chuỗi bảo vệ ñảm bảo tính trực giao của các sóng mang phụ

do vậy ñơn giản hoá cấu trúc bộ ñánh giá kênh truyền ,bộ cân bằng tín hiệu ở phía thu nhưng chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích nên phổ tín hiệu của hệ thống giảm ñi

Hình 2.4 Tiền tố vòng CP

Hình 2.5 Tiền tố vòng CP và hiện tượng ña ñường

Các ưu nhược ñiểm của phương pháp OFDM

* Ưu ñiểm:

Tăng hiệu suất phổ và tốc ñộ dữ liệu

Ảnh hưởng của nhiễu xuyên kí hiệu ISI giảm ñi ñáng kể

Ảnh hưởng của hiệu ứng lựa chọn tần số kênh cũng giảm do kênh ñược chia ra làm nhiều kênh phụ

ðộ phức tạp của bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu cho hệ thống cũng giảm ñi

* Nhược ñiểm:

Tỉ số công suất ñỉnh trên trung bình (PAPR) cao

Nhạy cảm với sự dịch tần số.Sự dịch tần số sẽ làm giảm tính trực giao của các sóng mang

2.1.2.2 Công nghệ OFDMA

Hình 2.6 Công nghệ OFDMA