Mạng Wimax và kỹ thuật điều chế OFDM trong mạng Wimax

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CHỮ VIẾT TẮT AM Amplitude modulation ðiều chế biên ñộ ATM Asynchronous transfer mode Chế ñộ truyền dị bộ BPSK Binary Phase Shift keying Khóa dịch pha nhị phân CDMA C

LỜI CAM ðOAN Tên tôi là: Lê Minh Cường

Học viên lớp Cao học khoá 13 - Kỹ thuật ñiện tử - Trường ðại học Kỹ thuật Công nghiệp – ðại học Thái Nguyên

Xin cam ñoan ñề tài: “Mạng Wimax và kỹ thuật ñiều chế OFDM trong mạng Wimax” ñược sự hướng dẫn của PGS.TS Lê Bá Dũng – Viện Công Nghệ Thông Tin là công trình nghiên cứu của riêng tôi Tất cả số liệu, kết quả nêu trong

luận văn là trung thực, ñúng như trong ñề cương và chưa từng ñược ai công bố Các tài liệu tham khảo ñều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2012

Học viên

Lê Minh Cường

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập và làm luận văn tốt nghiệp, tôi ñã nhận ñược sự giúp ñỡ tận tình của các thầy giáo, cô giáo trong bộ môn ðiện tử viễn thông - Khoa ðiện tử - Trường ðại học Kỹ thuật Công nghiệp – ðại học Thái Nguyên Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn ñến với các thầy giáo, cô giáo và khoa Sau ñại học vì sự giúp ñỡ

tận tình này Tôi ñặc biệt cảm ơn thầy giáo PGS.TS Lê Bá Dũng – Viện Công

Nghệ Thông Tin ñã tận tình giúp ñỡ, hướng dẫn tôi trong thời gian thực hiện ñề tài này Tôi xin cảm ơn sự giúp ñỡ, ñộng viên của gia ñình, bạn bè, ñồng nghiệp trong suốt thời gian qua

Mặc dù ñã cố gắng hết sức, song do ñiều kiện thời gian và kinh nghiệm thực tế của bản thân còn ít, cho nên ñề tài không thể tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, tôi rất mong nhận ñược sự ñóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn ñồng nghiệp

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Tác giả luận văn

Lê Minh Cường

Chương I GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX

1.1 Tổng quan về mạng không dây băng rộng 1

1.1.1 Các khái niệm về mạng không dây băng rộng 1

1.1.2 Vài nét về những mạng không dây ñang tồn tại 2

1.2.3 Truyền sóng tần nhìn thẳng và tầm nhìn hạn chế (LOS & NLOS) 7

1.2.5 Tần số làm việc và ñộ và ñộ rộng kênh truyền 12

Chương II CẤU TRÚC PHÂN TẦNG TRONG WIMAX

2.1 Chuẩn IEEE 802.16d (IEEE 802.16-2004) 17

2.1.2.Lớp ñiều khiển truy cập môi trường 27

2.2 Chuẩn IEEE 802.16e (IEEE 802.16 - 2005) 36

Chương III

KỸ THUẬT ðIỀU CHẾ OFDM TRONG MẠNG WIMAX

3.2 Từ ñiều chế ñơn sóng mang ñến ñiều chế trực giao OFDM 44

3.2.1 Phương pháp ñiều chế ñơn sóng mang 44

3.2.2 Phương pháp ñiều chế ña sóng mang OFDM 45

3.3.1 Sử dụng nguyên lý OFDM cho mục ñích ña truy nhập 61

Chương IV MÔ PHỎNG THU PHÁT TÍN HIỆU OFDM

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CHỮ VIẾT TẮT

AM Amplitude modulation ðiều chế biên ñộ

ATM Asynchronous transfer mode Chế ñộ truyền dị bộ

BPSK Binary Phase Shift keying Khóa dịch pha nhị phân

CDMA Code division multiplex access ða truy nhập phân chia theo mã CID Connection Identifier Bộ nhận dạng kết nối

WIMAX Worldwide Interoperability for

Micoware Access

Khả năng tương tác toàn cầu ñối với truy cập viba

WLAN Wireless local Area Network Mạng cục bộ không dây

WMAN Wireless Metropolitian Area

Network

Mạng ñô thị không dây

WPAN Wireless Personal Area Network Mạng cá nhân không dây

CPE Customer Premise Equipment Thiết bị tại nhà khách hàng CSMA Carrier sense multiple access ða truy nhập dò sóng mang

FDD Frequency Division Duplex Song công theo tần số

FDMA Frequency division multiple

access

ða truy nhập phân chia theo tần

số FEC Forward Error Correction Mã hóa sửa lỗi trước

FFT Fast Fourier transform Biến ñổi Fourier nhanh

FM Frequency Modulation ðiều tần

OFDM Orthogonal Frequency Division

Multiplexing

ða truy nhập phân chia theo tần

số trực giao OFDMA Orthogonal frequency division

multiplexing access

ða truy nhập chia tần số trực giao

OSI Open system interconnection Kết nối liên hệ thống mở

PDA Personal Digital Assistant Thiết bị hỗ trợ kỹ thuật số cá

nhân PDU Protocol Data unit ðơn vị dữ liệu thủ tục

QAM Quadrature amplitude modulation ðiều chế biên ñộ cầu phương

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

QPSK Quadrature phase shift keying Khóa dịch pha cầu phương RSA Rivest, Shamir, Adleman Tên của 3 nhà phát minh

IP Internet protocal Giao thức Internet

ISI Inter symbol interference Nhiễu liên ký hiệu

LAN Local Area Network Mạng cục bộ

MAC Medium Access Control layer Lớp ñiều khiển truy cập môi

trường NLOS Non Light of Sight Truyền sóng không trực xạ

SNR Signal – to – noise ratio Tỷ lệ tín hiệu tạp âm

TDD Time Division Duplexing Song công theo thời gian

TDMA Time division multiple access ða truy nhập phân chia thời gian IFFT Inverse Fast Fourier tranform Biến ñổi Fourier ngược nhanh

DANH MỤC HÌNH VẼ

Trang

Hình 2.8 Các sử dụng các khối FEC ñược thu ngắn lại - trường hợp

Hình 3.6 Hệ thống ựa sóng mang 48

Hình 3.10 Hiện tượng trễ gây xuyên nhiễu giữa các symbol 55

Hình 4.4 đáp ứng thời gian của tắn hiệu các sóng mang tại ựiểm (B) 66 Hình 4.5 đáp ứng tần số của tắn hiệu các sóng mang tại ựiểm (B) 66

Hình 4.10 đáp ứng thời gian của mô phỏng trực tiếp của 2.1.4 69 Hình 4.11 đáp ứng tần số của mô phỏng trực tiếp của 2.1.4 và IFFT 69 Hình 4.12 đáp ứng thời gian của tắn hiệu UOFT tại ựiểm (D) 70

Hình 4.15 đáp ứng thời gian của tắn hiệu r_tilde tại ựiểm (F) 71 Hình 4.16 đáp ứng tần số của tắn hiệu r_tilde tại ựiểm (F) 71 Hình 4.17 đáp ứng thời gian của tắn hiệu r_info tại ựiểm (G) 71 Hình 4.18 đáp ứng tấn số của tắn hiệu r_info tại ựiểm (G) 71

Hình 4.19 đáp ứng thời gian của tắn hiệu r_data tại ựiểm (H) 72 Hình 4.20 đáp ứng tần số của tắn hiệu r_data tại ựiểm (H) 72

LỜI NÓI ðẦU

Ngày nay, với xu thế phát triển của hệ thống mạng máy tính, sự xuất hiện Internet băng rộng ñã giúp cho việc trao ñổi thông tin trở nên nhanh chóng, dễ dàng Với ñịa hình ñất nước ta ¾ là ñồi núi, việc chuyển thông tin ñi và ñên trong môi trường như vậy gặp rất nhiều khó khăn, Wimax ra ñời là mục tiêu và cũng xu thế phát triển của ñất nước ta từ 2,5G ñến 3G rồi ñến 4G Các giao dịch với các vùng sâu và xa, các vùng ñồi núi sẽ chủ yếu sử dụng các mạng không dây băng rộng

Vì là mạng máy tính, ñược truyền trong môi trường băng rộng với khoảng cách xa và ñịa hình phúc tạp do vậy một kỹ thuật truyền tin ñược sử dụng ñó là kỹ thuật ñiều chế OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing ) OFDM là kỹ thuật ghép kênh phân chia tần số trực giao cho phép chia luồng dữ liệu tốc ñộ cao thành các luồng dữ liệu tốc ñộ thấp, truyền trên nhiều sóng mang trực giao nhau Trong kỹ thuật ghép kênh phân chia tần số trực giao OFDM, luồng dữ liệu ñầu vào ñược chia thành các luồng con song song với tốc ñộ giảm và mỗi luồng con ñược ñiều chế và ký hiệu tăng sẽ cải thiện khả năng chống lại trễ lan truyền của OFDM

Với những lẽ ñó nghiên cứu kỹ thuật ñiều chế OFDM và thử nghiệm sử dụng trong mạng băng thông rộng là một ñiều cần thiết, và cấp bách trước khi triển khai mạng băng thông rộng ở nước ta Nắm bắt ñược yêu cầu ñó và ñược sự gợi ý của

thầy hướng dẫn, tôi mạnh dạn ñặt ra ñề tài cho khoá luận tốt nghiệp là: “Mạng wimax và kỹ thật ñiều chế OFDM trong mạng wimax”

Luận văn có cấu trúc gồm 4 chương như sau:

Chương I: Giới thiệu về công nghệ WIMAX

Chương II: Cấu trúc phân tầng trong WIMAX

Chương III: Kỹ thuật ñiều chế OFDM trong mạng WIMAX

Chương IV: Mô phỏng thu phát tín hiệu OFDM

Do hạn chế về nhiều mặt nên Luận văn chắc chắn không tránh khỏi những thiếu xót nhất ñịnh, tác giả rất mong ñược sự ñóng góp ý kiến của Thầy, Cô và các bạn ñể luận văn ñược hoàn thiện hơn

Chương I GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX 1.1 Tổng quan về mạng không dây băng rộng

1.1.1 Các khái niệm về mạng không dây băng rộng

+ Mạng không dây

Mạng không dây (Wireless Network) là công nghệ cho phép một hoặc nhiều thiết bị giao tiếp ñược với nhau mà không cần những kết nối vật lý hay nói cách khác là kết nối mà không cần ñến cable mạng Công nghệ mạng không dây

sử dụng sóng radio trong khi các công nghệ truyền thống sử dụng các loại cable làm phương tiện truyền dữ liệu Phạm vi của công nghệ mạng không dây rất lớn,

kể từ những mạng trên diện rộng như WLAN, mạng ñiện thoại cho tới những hệ thống, thiết bị cực kỳ ñơn giản như tai nghe, micro di ñộng không dây và một loạt các thiết bị không giây có nhiệm vụ lưu trữ và xử lý thông tin khác Nó cũng bao gồm các thiết bị hồng ngoại như các thiết bị ñiều khiển từ xa, một số thiết bị chuột và bàn phím không dây, tai nghe stereo không dây, các thiết bị loại này ñều cần một không gian không bị chặn giữa hai thiết bị truyền và nhận tín hiệu ñể ñóng ñường kết nối

3KHz cho ñiện thoại, 20KHz cho tín hiệu nghe thấy, 5KHz cho các ñài radio AM và

200 MHz cho các ñài FM

Hệ thống băng thông (system bandwidth) càng rộng thì tốc ñộ (băng thông digital) càng cao Băng thông digital ño lường lượng thông tin có thể truyền ñi từ

nơi này ñến nơi khác trong một lượng thời gian cho trước ðơn vị cơ bản ñể ño lường băng thông digital là bit/giây (bit per second-bps)

ðộ rộng dải tần của kênh hệ thống ñược ñánh giá dựa theo ñộ rộng dải tần

cố kết ðộ rộng dải tần cố kết ñược ñịnh nghĩa là: "dải tần số trong ñó tất cả các tần số chịu ảnh hưởng như nhau bởi việc giảm âm do hiện tượng nhiễu ñường truyền" Các hệ thống hoạt ñộng với các kênh dẫn nhỏ hơn nhiều so với ñộ rộng dải tần cố kết ñược gọi là hệ thống băng thông hẹp Các hệ thống băng thông rộng hoạt ñộng với các kênh rộng hơn nhiều so với ñộ rộng dải tần cố kết Trong các hệ thống băng thông hẹp, tất cả các thành phần của tín hiệu bị ảnh hưởng như nhau bởi quá trình truyền nhiều ñường dẫn Theo ñó, mặc dù với những biên ñộ khác nhau nhưng tín hiệu băng thông hẹp nhận ñược cũng cần phải giống với tín hiệu băng thông hẹp truyền ñi Trong các hệ thống băng thông rộng, các tần số khác nhau của tín hiệu có thể chịu tác ñộng khác nhau bởi hiện tượng giảm âm

Do ñó, các hệ thống băng thông hẹp chịu ảnh hưởng của việc giảm âm có chọn lọc, trong khi ñó hệ thống băng thông rộng không chịu ảnh hưởng của việc giảm

âm có chọn lọc Băng thông rộng có ñộ rộng dải tần hơn 1 MHz và hỗ trợ tốc ñộ truyền dữ liệu từ 1,5Mbps

1.1.2 Vài nét về những mạng không dây ñang tồn tại

Hai chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản ñể phân loại mạng không dây là phạm vi phủ sóng và giao thức báo hiệu Trên cơ sở phạm vi phủ sóng chúng ta có 4 loại mạng sau:

- Mạng cá nhân không dây (Wireless Personal Area Network - WPAN)

- Mạng cục bộ không dây (Wireless Local Area Network - WLAN)

- Mạng ñô thị không dây (Wireless Metropolitian Area Network - WMAN)

- Mạng diện rộng không dây (Wireless Wide Area Network - WWAN)

Ví dụ: Bluetooth ( IEEE 802.15.1) UWB

Hình 1.1: Minh họa các mạng không dây

WPAN (Wireless Personal Area Network)

Mạng các nhân là một mạng dữ liệu ñược sử dụng ñể truyền thông giữa các thiết bị dữ liệu ở gần một người Phạm vi của mạng các nhân khoảng vài mét, thông thường nhỏ hơn 10m, mặc dù vài công nghệ WPAN có thể lớn hơn Ví dụ công nghệ WPAN là Bluetooth, UWB và Zigbee

WLAN (Wireless Local Area Network)

Mạng cục bộ là mạng ñược sử dụng ñể truyền thông giữa các thiết bị dữ liệu như: máy tính, ñiện thoại, máy in và các thiết bị số phụ trợ cá nhân Mức ñộ bao phủ của mạng này tương ñối nhỏ, như một ngôi nhà, một văn phòng hay một khu trường sở (hoặc một phần trường sở) Phạm vi của mạng cục bộ khoảng 100m Hiện nay hầu hết các mạng LAN không dây WiFi

WMAN (Wireless Metropolitan Area Network)

Mạng ñô thị là mạng dữ liệu có ñộ bao phủ lên tới vài km, ñiển hình là một

cơ quan lớn hoặc 1 công ty Ví dụ, một trường ñại học có thể có 1 mạng diện rộng với nhiều mạng LAN ở xung quanh vị trí ñó, mỗi mạng LAN cách nhau khoảng 1/2 km2 Sau ñó từ mạng diện rộng của trường ñại học này có thể liên kết tới các diện rộng khác tạo thanh mạng ñô thị Mạng WiMAX cố ñịnh có thể ñược xem xét như là mạng ñô thị không dây

WWAN (Wireless Wide Area Network)

Mạng diện rộng là mạng dữ liệu bao phủ một vùng ñịa lý rộng, lớn như là hành tinh Các mạng diện rộng dựa trên sự kết nối của các mạng LAN, cho phép người sử dụng ở một vị trí truyền thông với những người sử dụng ở vị trí khác ðiển hình, một mạng diện rộng bao gồm một số nút chuyển quan hệ nối liền nhau Sự kết nối này ñược tạo ra bằng cách sử các ñường thuê bao và các phương thức chuyển mạch và chuyển ñổi gói tin Mạng diện rộng ñược sử dụng phổ biến hiện nay là mạng Internet Các ví dụ khác là 3G và các mạng WiMAX không dây, là các mạng diện rộng không dây Các mạng khong dây thường có tỷ lệ dữ liệu nhỏ hơn các mạng LAN

1.2 Khái niệm về công nghệ WiMAX

1.2.1 WiMAX là gì?

WIMAX - Worldwide Interoperrability for Micorware Access - là một hệ

thống truyền thông số không dây, cũng ñược biết như chuẩn IEEE 802.16 dành cho "các mạng ñô thị" không dây WiMAX có thể cung cấp sự truy cập không dây băng thông rộng lên tới 30 dặm (50km) ñối với các trạm cố ñịnh, và 3-10 dặm (5-15 km) ñối với các trạm di ñộng Ngược lại, chuẩn mạng cục bộ không dây WiFi/802.11 bị giới hạn trong hầu hết các trường hợp chỉ 100 - 300 feet (30-100m)

Với WiMAX, các tỷ lệ dữ liệu giống WiFi ñược hỗ trợ một cách dễ dàng, nhưng kết quả nhiễu ñược giảm bớt WiMAX hoạt ñộng ở cả các dải tần cho

phép và các dải tần không cho phép, cung cấp một môi trường ñiều hoà và mô hình kinh tế có thể làm ñược ñối vơi sóng mang không dây

WIMAX có thể ñược sử dụng ñối với mạng không dây trong nhiều phương pháp như giao thức WiFi WiMAX là một giao thức thế hệ thứ hai cho phép sử dụng ñộ rộng dải tần với hiệu suất cao, tránh nhiễu, và dự kiến cho phép tỷ lệ dữ liệu cao hơn trên các khoảng cách dài hơn

1.2.2 Giới thiệu các chuẩn IEEE 802.16

Chuẩn 802.16 ñược ñưa ra năm 2001 với băng tần 10-66 GHz và chỉ ứng dụng trong phạm vi nhìn thẳng (LOS) ñiểm - ñiểm Năm 2002 có thêm chuẩn 802.16, 802.16c Năm 2003, ñược bổ sung chuẩn 802.16a chủ yếu cho truy cập không dây băng rộng trong dải tần 2-11GHz ứng dụng ñược cả trong tầm nhìn hạn chế (NLOS) ñiểm - ña ñiểm 802.16d ñược ñưa ra năm 2004 cho các ứng dụng di ñộng và cố ñịnh trong dải tần 2-66GHz và cuối cùng chuẩn 802.16e cung cấp cho khả năng di ñộng tốc ñộ cao với băng tần từ 2-66GHz có khả năng chuyển vùng (roaming) Sơ ñồ hoá các chuẩn giao diện không gian 802.16 như sau:

802.16 - 2001

Hệ thống băng rộng không dây cố ñịnh cho tầm nhìn thẳng MAC & PHY: 10-66GHz

802.16f (Cơ sở thông tin

quản lý - MIBs) và

802.16g (quản lý –

802.16d - 2004

Tích hợp các chuẩn tạo thành hệ thống mô tả sơ lược băng rộng không dây cố ñịnh

Hình 1.2: Các chuẩn 802.16 tiêu biểu Bảng 1.1: Tóm tắt các chuẩn 802.16 cơ bản

Chuẩn 802.16-2001 802.16-2004 802.16e-2005 Dải tần số 10-66GHz <11GHz <6GHz

Lên tới 15 Mbps BW=5MHz ðiều chế QBSK,16 QAM

và 64 QAM

OFDM

256,

OFDMA,

BPSK

OFDMA, BPSK, QPSK, 16 QAM và QAM

Mức di ñộng Cố ñịnh Cố ñịnh và di ñộng Tốc ñộ di chuyển

dưới 100km/h Băng thông

kênh

20,25 và 28 MHz Dải kênh từ 1.25

ñến 20MHz

Dải kênh từ 1.25 ñến 20 MHz Bán kính cell 1.7 - 5 km 2 tơi 10 km; tối ña

50 km tuỳ thuộc vào ñiều kiện truyền

1-3 km Indoor

2-5 km Outdoor

1.2.3 Truyền sóng tầm nhìn thẳng & tầm nhìn hạn chế (LOS & NLOS)

Trong một ñường truyền LOS, tín hiệu ñi theo ñường trực tiếp và không có chướng ngại vật giữa phía phát và phía thu Một ñường truyền LOS yêu cầu phải có ñặc tính là toàn bộ miền Fresnel thứ nhất không hề có chướng ngại vật, nếu ñặc tính này không ñược ñảm bảo thì cường ñộ của tín hiệu sẽ giảm ñáng kể Không gian miền Fresnel phụ thuộc vào tần số hoạt ñộng và khoảng cách trạm phát và trạm thu

Trên một ñường truyền NLOS, tín hiệu tới phía thu thông qua sự phản hồi, tán xạ và nhiễu xạ Những tín hiệu này có những khoảng trễ, sự suy giảm, sự phân cực và trạng thái ổn ñịnh liên quan tới ñường truyền trực tiếp là khác nhau

Hình1.3: Sự khác nhau giữa LOS và NLOS

Hiện tượng ña ñường cũng có thể là nguyên nhân dẫn ñến sự thay ñổi phân cực tín hiệu Do ñó sử dụng phân cực cũng như sử dụng lại tần số mà ñược thực hiện bình thường trong triển khai LOS lại khó khăn trong các ứng dụng NLOS ðiều kiện phủ sóng của cả LOS và NLOS bị chi phối bởi các ñặc tính truyền sóng của môi trường, ttổn hao ñường truyền và quỹ ñường truyền vô tuyến

Một số ưu ñiểm mà NLOS mong muốn triển khai ñược Ví dụ ác yêu cầu hoạch ñịnh chính xác và các hạn chế ñộ cao anten thường không cho phép anten ñược ñặt ở các vị trí thuận lợi cho LOS Do mạng tế bào không ngừng mở rộng trong khi sử dụng lại tần số ngày càng có hạn, hạ thấp các anten chính là ưu ñiểm ñể giảm nhiễu ñồng kênh giữa các cell lân cận Tuy nhiên ñiều này lại làm cho các BS phải hoạt ñộng trong ñiều kiện NLOS Các hệ thống LOS không thể hạ thấp ñộ cao của anten bởi làm thế sẽ ảnh hưởng tới tầm nhìn thẳng từ thiết bị tại nhà khách hàng (CPE) tới BS

Công nghệ LOS cũng giảm ñược chi phí cài ñặt do CPE có thể cài ñặt ở những ñiều kiện ñịa hình phức tạp Không những thế, công nghệ này cũng giảm thiểu ñược yêu cầu khảo sát vị trí trạm (trước khi lắp ñặt) và nâng cao ñộ chính xác của các công cụ hoạch ñịnh NLOS

Chính công nghệ NLOS và các ñặc tính cao cấp trong WIMAX làm nó có thể tổn hao thâm nhập tòa nhà, thứ hai là phủ sóng ñược tới các khoảng cách hợp lý với công suất thấp hơn và ñộ lợi anten phù hợp với các CPE trong nhà WIMAX cho phép thực hiện ñiều này và phạm vi phủ sóng của NLOS còn có thể ñược cải tiến hơn nữa nhờ sử dụng các tính năng tùy chọn của WIMAX

1.2.4 Các mô hình ứng dụng

WIMAX ñược ñề xuất 2 mô hình ứng dụng là cố ñịnh và di ñộng

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 Tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004 cũng cho phép ñặt anten trong nhà nhưng tất nhiên tín hiệu thu không tốt bằng anten ngoài trời Băng tần hoạt ñộng (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)

Hình 1.4 :Mô hình ứng dụngWiMAX cố ñịnh

WIMAX cố ñịnh có thể phục vụ cho các ñối tượng người dùng 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, người dùng 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

Trên cơ sở kỹ thuật, WIMAX là một mạng truy nhập băng rộng không dây

cố ñịnh (Fixed Broadband Wireless Access – FBWA), có thể chia làm 3 phần chính:

PP, PMP và Mesh

BS bao gồm một hoặc nhiều thiết bị thu phát vô tuyến, mỗi thiết bị chịu trách nhiệm kết nối với nhau CPE trong khu vực phủ sóng Các modem không dây (radio Modem) kết nối tới một bộ ña công (Multiperxer), tương tự như một khóa chuyển ñổi, nó tập hợp lưu lượng từ các sector khác nhau và gửi chuyển (forward) chúng

tới một bộ ñịnh tuyến (rounter) cung cấp kết nối tới giao thức Internet (Internet Protocol – IP) của nhà cung cấp dịch vụ mạng

CPE bao gồm 3 thành phần chính: 1 modem, 1 radio, 1 anten Modem cung cấp một giao diện giữa mạng của khách hàng với mạng FBWA của nhà cung cấp dịch vụ Radio cung cấp một giao diện giữa modem với ante Ba thành phần có thể

là riêng biệt, hoặc tích hợp một phần hoàn toàn lên một hay hai thành phân nhỏ của thiết bị

Chất lượng phục vụ của mạng FBWA phụ thuộc nhiều vào vị trí của CPE ñến BS của hệ thóng Nếu từ CPE ñến BS có vật cản thì hiệu quả truyền sóng sẽ kém ñi rất nhiều Vì vậy cho nên mạng FBWA PMP thường ñược chia thành 2 loại:

hệ thống LOS và NLOS

Mô hình ứng dụng WiMAX di ñộng

Hình1.5 :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 ñược thông qua trong năm 2005.Tiêu chuẩn 802.16e bổ sung cho tiêu chuẩn 802.16-2004 hướng tới các người dùng 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

WIMAX di ñộng là giải pháp không dây băng rộng cho phép phủ sóng mạng băng rộng di ñộng và cố ñịnh nhờ công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng trên diện rộng với kiến trúc mạng linh loạt Giao diện WIMAX di ñộng sử dụng công nghệ OFDM ñể cải thiện hiệu suất ña ñường (multi - path) trong các môi trường NLOS

Phiên bản WIMAX di ñộng phiên bản 1 bao gòm các băng thông kênh 5,7,8.75,10 MHz dành cho các dải tần ñược phép trên thế giới như: 2.3 GHz, 2.5GHz, 3.3 GHz và 3.5GHz

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 Một số ñặc ñiểm chính của WIMAX di ñộng hỗ trợ là:

Tốc ñộ dữ liệu cao: Các ký thuật anten ða ñầu vào – ða ñầu ra (Multiple Input, Multiple Output - MIMO) cùng với các nguyên lý chia nhỏ kênh linh hoạt,

mã hóa và ñiều chế nâng cao, tất cả làm cho công nghệ WIMAX di ñộng có khả năng hỗ trợ tốc ñộ dữ liệu DL tối ña lên tới 63Mbps cho một sector và tốc ñộ dữ liệu UL tối ña lên tới 28 Mbps cho một sector trong một kênh 10 MHz

Chất lượng dịch vụ (Q o S): Tiền ñề cơ bản của kiến trúc MAC trong IEEE 802.16 là QoS Nó ñịnh nghĩa SF mà có thể ánh xạ ñến các ñiểm mã DiffServ hoặc các nhãn luồng ñể cho phép kết nối ñầu cuối tới ñầu cuối (end – to - end) theo giao thức IP trên cơ sở QoS Ngoài ra, các nguyên lý báo hiệu trên cơ sở kênh chia nhỏ kênh và giao thứ truy cập môi trường (MAP) cung cấp một cơ chế linh ñộng cho việc lập lịch tối ưu tài nguyên không gian, tần số và thời gian trên giao diện vô tuyến theo khung (frame by frame)

Khả năng di ñộng: WIMAX di ñộng hỗ trợ các nguyên lý chuyển giao tối ưu với trễ nhỏ hơn 50 msec ñể ñảm bảo các ứng dụng thời gian thực như thoại trên giao thức Internet (VoIP) với dịch vụ không bị suy giảm Các nguyên lý quản lý khóa linh ñộng mà bảo mật ñược duy trì trong quá trình chuyển giao

1.2.5 Tần số làm việc và ñộ rộng kênh truyền

WIMAX làm việc ở 2 dải tần 10 – 66 GHz và 2 -11 GHz, gồm cả dải tần số ñăng ký và không ñăng ký, có thể truyền NLOS và LOS

Băng tần phải ñăng ký 10 -66 GHz

Băng tần này cung cấp một phương tiện truyền dẫn mà ở ñó tần số cao, bước sóng ngắn, yêu cầu giữa trạm thu và phát phải nằm ở trong tầm nhìn thẳng LOS do hiệu ứng ña ñường ảnh hưởng ñáng kể tới việc truyền dẫn Ở trong băng tần này, ñộ rộng kênh truyền thông thường là 25 MHz hoặc 28MHz

Với tốc ñộ truyền dẫn lý thuyết là 120 Mbps, môi trường này khá thích hợp cho truyền thông PMP từ các ứng dụng văn phòng nhỏ (Small Office Home Office - SOHO) tới các ứng dụng văn phòng lớn (trung tâm)

Băng tần 2 -11 GHz

Băng tần này gồm cả các dải băng tần phải ñăng ký và không ñăng ký (chủ yếu là 5 -6 Ghz) Nó là phương tiện truyền dẫn mà ở ñó tần số thấp hơn, có bước sóng dài hơn Ở trong băng tần này LOS là thực sự không cần thiết, các hiệu ứng truyền sóng không trong tầm nhìn thẳng NLOS có thể khắc phục ñược

Người ta sử dụng băng tần này với mục ñích cung cấp các ứng dụng NLOS

có nghĩa là một loạt các kỹ thuật (lớp MAC và PHY mô tả) sẽ bổ sung ñể ñạt ñược kết quả này

- Băng tần sử dụng trong WIMAX cố ñịnh : 3.5 GHz, 3.3 GHz, 5.8 GHz

- Băng tần sử dụng trong WIMAX di ñộng : 2.5 GHz, 2.3 GHz

1.3 ðặc ñiểm của Wimax

ðặc ñiểm chung của Wimax bao gồm: Khoảng cách giữa trạm thu và trạm phát có thể ñạt 50 Km, Tốc ñộ truyền có thể thay ñổi, tối ña 70Mbps, Hoạt ñộng cả trong hai môi truyền dẫn: LOS và NLOS, Dải tần làm việc 2 – 11 GHz và 10 – 66GHz hiện ñã và ñang ñược tiêu chuẩn hóa

Trong Wimax hướng truyền ñược chia thành hai ñường lên (DL) và xuống (UL) ðường lên có tần số thấp hơn ñường xuống và ñều sử dụng công nghệ OFDM

ñể truyền Cho phép sử dụng hai công nghệ TDD và FDD cho việc phân chia ñường dẫn của UL và DL Cơ sơ quan trọng của Wimax là sự tương tích của thiết bị Wimax, nhà cung cấp dịch vụ khi mua thiết bị không chỉ từ một công ty mà tất cả ñều tương thích với nhau

CPE vô tuyến cố ñịnh có thể sử dụng cùng loại chipset modem ñược sử dụng trong máy tính cá nhân và PDA, các BS có thể sử dụng cùng loại chipset chung ñược thiết kế cho các ñiểm truy cập Wimax chi phí thấp và cuối cùng là số lượng tăng cũng thỏa mãn cho việc ñầu tư và việc tích hợp mức ñộ cao hơn các chipset tần

số vô tuyến, làm chi phí giảm hơn nữa

1.4 Cấu hình mạng

1.4.1 Cấu hình ñiểm – ñiểm PP

Mạng PP chứa một hoặc nhiều liên kết ñiểm – ñiểm sử dụng anten có hướng tính cao tại cả hai ñầu cuối của mỗi liên kết

1.4.2.Cấu hình ñiểm-ña ñiểm PMP

PMP là một mạng truy nhập với một hoặc nhiều BS có công suất lớn và nhiều SS nhỏ hơn Người dùng có thể ngay lập tức truy nhập mạng chỉ sau khi lắp ñặt thiết bị người dùng SS có thể sử dụng các anten ñịnh hướng ñến các BS, ở các

BS có thể có nhiều anten có hướng tác dụng theo mọi hướng hay một cung Với cấu hình này trạm gốc BS là ñiểm trung tâm cho các trạm thuê bao SS Ở hướng DL có thể là quảng bá, ña ñiểm hay ñơn ñiểm Kết nối của một SS ñến BS ñược ñặc trưng qua nhận dạng kết nối CID

Hình 1.6: Cấu hình PMP

1.4.3 Cấu hình mắt lưới MESH

Với cấu hình này SS có thể liên lạc trực tiếp với nhau Trạm gốc Mesh BS kết nối với một mạng ở bên ngoài mạng MESH Một số ñiểm phân biệt như sau:

- Neighbor: Kết nối trực tiếp ñến một node mạng

- Neighborhood : Tất cả các neighbor của một node tạo ra neighorhood

- Extended neighborhood: Tất cả các neighbor của một neighborhood

MESH khác PMP là trong kiểu PMP các SS chỉ liên hệ với BS và tất cả lưu lượng ñi qua BS.Với kiểu MESH tất cả các node có thể liên lạc với mỗi node khác một cách trưc tiếp hoặc bằng ñịnh tuyến nhiều bước thông qua các SS khác

Một hệ thống với truy nhập ñến một kết nối backhaul ñược gọi là Mesh BS, trong khi các hệ thống còn lại ñược gọi là Mesh SS Dù cho MESH có một hệ thống ñược gọi là Mesh BS, hệ thống này cũng phải phối hợp quảng bá với các nút khác Backhaul là các anten ñiểm-ñiểm ñược dùng ñể kết nối các BS ñược ñịnh vị qua khoảng cách xa

Hình 1.7: Cấu hình mesh

Một mạng MESH có thể sử dụng hai loại lập lịch quảng bá Với kiểu lập lịch phân tán, các hệ thống trong phạm vi hai bước của mỗi node khác nhau chia sẻ các danh mục và hợp tác ñể ñảm bảo tránh xung ñột và chấp nhận tài nguyên

MESH lập lịch tập trung dựa vào Mesh BS ñể tập hợp các yêu cầu tài nguyên

từ các Mesh SS trong một dải bất kì và phân phối các yêu cầu này với khả năng cụ thể Khả năng này ñược chia sẻ với các Mesh SS khác mà dữ liệu của người dùng ñược chuyển tiếp thông qua các Mesh SS ñó trao ñổi với Mesh BS

Trong kiểu MESH, phân loại QoS ñược thực hiện trên nền tảng từng gói hơn

là ñược kết hợp với các liên kết như trong kiểu PMP Do ñó chỉ có một liên kết giữa giữa hai node Mesh liên lạc với nhau

Chương II CẤU TRÚC PHÂN TẦNG TRONG WIMAX

Cũng giống như các bộ chuẩn khác họ 802 của IEEE, 802.16 chỉ tập trung vào việc mô tả và chuẩn hóa 2 lớp: Lớp liên kết dữ liệu ( Data Link Layer) và Lớp vật lý (Physical Layer) trong mô hình tham chiếu liên kết nối các hệ thống mở (OSI)

Hình 2.1: Vị trí tương ñối của PHY và MAC só với OSI

Lớp MAC mô tả trong 802.16 bao gồm 3 lớp con: lớp con hội tụ chuên biệt

về dịch vụ , lớp con phần chung MAC, lớp con bản mật

Lớp con hội tụ chuyên biệt về dịch vụ: cung cấp bất cứ việc chuyển ñổi hoặc ánh xạ từ các mạng mở rộng khác như chế ñộ truyền di bộ, Ethernet, thông qua một

ñiểm truy cập dịch vụ Chính xác hơn, lớp này làm nhiệm vụ chuyển ñổi các gói tin ñịnh dạng theo 802.16 và chuyển xuống cho Lớp con phần chung MAC

Cũng tại ñây, sẽ diễn ra sự phân lớp dịch vụ của các mạng ngoài ñể ánh xạ vào một dịch vụ tích hợp trong 802.16

Lớp con phần chung MAC: cung cấp các chức năng chính của lớp MAC, ñó

là chức năng truy nhập, phân bố băng thông, thiết lập, quản lý kết nối Nó sẽ nhận

dữ liệu từ các Lớp con hội tụ chuyên biệt về dịch vụ khác nhau ñể phân lớp vào một kết nối MAC riêng, QOS cũng sẽ ñược áp dụng trong việc truyền vào sắp xếp dữ liệu

Lớp con bảo mật: cung cấp các cơ chế chứng thực, trao ñổi khóa và mã hóa

Lớp vật lý (Physical - PHY): Lớp vật trong chuẩn 802.16 gồm 5 ñặc tả, mỗi ñặc tả thích hợp cho một dẫy tần số và ứng dụng riêng

2.1 Chuẩn IEEE 802.16d (IEEE 802.16-2004)

2.1.1.Lớp vật lý

2.1.1.1 Khung (Framing)

ðặc tả lớp vật lý ở ñây hoạt ñộng trong một dạng khung Trong mỗi khung

có một khung con ñường lên (DL) và một khung con ñường xuống (UL) Khung con ñường lên bắt ñầu với thông tin cần thiết cho ñồng bộ hoá và ñiều khiển khung Trong trường hợp song công phân chia theo thời gian (TDD), khung con ñường lên tới trước khung con ñường xuống Trong trường hợp song công phân chia theo tần số (FDD), việc truyền xảy ra ñồng thời

2.1.1.2 Song công và ña truy cập

trong ñó sự truyền tải ñường lên và ñường xuống xảy ra ở thời gian khác nhau nhưng có thể chia sẻ cùng tần số

- FDD: (Kỹ thuật song công theo tần số): Một phương pháp song công trong

ñó sự truyền tải ñường lên và ñường xuống sử dụng những tần số khác nhau nhưng có thể xảy ra ñồng thời

* Sự hoạt ñộng của kỹ thuật song công theo tần số FDD

Trong sự hoạt ñộng của FDD, các kênh UL và DL trên các rải tần riêng biệt Khả năng của DL ñược truyền loạt thuận lợi cho các phương pháp ñiều chế khác nhau

và cho phép hệ thống hỗ trợ ñồng thời các trạm thuê bao song công hoàn toàn (có thể truyền và nhận ñồng thời) và bán song công

Hình 2.2: Ví dụ về dải tần FDD

* Sự hoạt ñộng của kỹ thuật song công theo thời gian TDD

Trong trường hợp của TDD, sự truyển tải UL và DL chia sẻ cùng tần số nhưng riêng biệt theo thời gian như hình 2.3

Hình 2.3: Cấu trúc khung TDD

ða truy nhập

Cơ chế ña truy nhập trong WiMAX là ña truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) Các thuê bao sẽ ñược cung cấp các khe thời gian khác nhau Các phương ña truy nhập sử dụng ñể tách rời người sử dụng với nhau trong một kênh truyền

Các phương thức ña truy nhập phổ biến nhất ñược sử dụng bao gồm: ða truy nhập phân chia theo tần số (FDMA), ña truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA), ña truy nhập theo mã (CDMA), ña truy phân chia theo tần số trực giao (OFDMA), và ña truy nhập nhảy cảm sóng mang (CSMA)

2.1.1.3.Lớp vật lý ñường lên

Dải thông cho phép trong ñường lên trực tiếp ñược ñịnh nghĩa như một hạt của một khe vật lý Dải thông cho phép trong ñường xuống trực tiếp ñược ñịnh nghĩa như một hạt của một khe nhỏ, trong ñó ñộ dài khe nhỏ là 2m khe vật lý (m từ

0 ñến 7) Số lượng các khe vật lý ñối với mỗi khung là nhiệm vụ của tỷ lệ ký hiệu

Tỷ lệ ký hiệu ñược lựa chọn ñể thu ñược toàn bộ số các khe vật lý trong mỗi khung Ví dụ, với một tỷ lệ dữ liệu 20 MBd, có 5000 khe vật lý trong một 1ms khung

Khung con ñường lên Cấu trúc của khung con ñường lên sử dụng TDD ñược minh hoạ trong hình

2.4 Khung con ñường lên bắt ñầu với phần mào ñầu, tiếp theo là phần ñiều khiển của khung, chứa DL-MAP ( và UL-MAP bắt ñầu các khe vật lý với các cụm (cụm (burst)) bắt ñầu Phần TDM tiếp theo chứa dữ liệu, ñược tổ chức thành các cụm (burst) với các hiện trạng cụm (burst) khác nhau và vì thế các mức truyền

mạnh khác nhau Các cụm (burst) ñược truyền ñể giảm bớt sức mạnh

Mỗi trạm thuê bao nhận và giải mã thông tin ñiều khiển của ñường lên và tìm kiếm phần ñầu MAC chỉ ra dữ liệu cho trạm thêu bao ñó trong phần còn lại của khung con ñường lên

Hình 2.4: Cấu trúc khung con ñường lên TDD

Trong trường hợp FDD, cấu trúc của khung con ñường lên ñược minh hoạ trong hình 2.5 Giống như trường hợp TDD, khung con ñường lên bắt ñầu với một phần mào ñầu của khung, sau ñó là phần ñiều khiển khung và một phần TDM ñược tổ chức thành các cụm (burst) ñược phát giảm sức mạnh hiện trạng cụm (burst) Phần TDM của khung con ñường lên này chứa dữ liệu ñược truyền tới một hoặc nhiều phần dưới ñây:

- Các SS song công ñầy ñủ

- Các SS bán song công ñược lập lịch ñể phát sau ñó trong khung hơn chúng nhận

- Các SS bán song công ñược lập lịch ñể truyền trong khung này

Khung con ñường lên FDD tiếp tục với một phần TDMA ñược sử dụng ñể truyền dữ liệu tới bất kỳ SS bán song công nào ñược lập lịch ñể phát sớm hơn chúng nhận trong khung này ðiều này cho phép SS riêng lẻ giải mã một phần ñường lên xác ñịnh mà không cần giải mã toàn bộ khung con ñường lên

Hình 2.5: Khung con DL FDD

ðịnh vị cụm (burst) ñường lên

Những phần dữ liệu ñường lên ñược sử dụng ñể phát dữ liệu và ñiều khiển thông ñiệp tới các trạm thuê bao cụ thể Dữ liệu này luôn luôn ñược mã hoá sửa lỗi trước (FEC) và ñược phát ở sự ñiều biến của các trạm thuê bao riêng lẻ hoạt ñộng ở thời ñiểm hiện tại Trong phần TDM, dữ liệu sẽ ñược phát ñể giảm sức mạnh hiện trạng cụm (burst) Trong trường hợp phần TDMA, dữ liệu ñược nhóm thành các cụm (burst) ñược mô tả tách biệt nhau mà không cần loại mạnh Thông ñiệp DL-MAP chứa một lược ñồ bắt ñầu ở khe vật lý mà hiện trạng cụm (burst) xuất hiện thay ñổi Trong trường hợp TDMA, nếu dữ liệu ñường lên không phủ hoàn toàn khung con ñường lên, bên truyền sẽ dừng lại Mã hoá từ FEC trong một cụm (burst) ñược sắp xếp ở dạng nén sắp xếp các ñường biên mức bit ðiều này có nghĩa là, trong khi từ mã FEC lần ñầu bắt ñầu ở ñường biên khe vật lý ñầu tiên Các từ mã kế tiếp thậm trí có thể bắt ñầu trong một ký tự ñiều biến hoặc trong một PS nếu từ mã FEC tiếp theo kết thúc ở một ký tự ñiều biến hoặc trong một PS ðiều kiện liên kết chính xác phụ thuộc vào các thông số hiện trạng cụm (burst)

Thông thường, số các khe vật lý i (là một số nguyên) cấp cho một cụm (burst) ñặc biệt có thể ñược tính toán từ DL-MAP, nó cho biết vị trí bắt ñầu của

mỗi cụm (burst) cũng như các hiện trạng cụm (burst) ðặt n là giá trị nhỏ nhất của các PS ñược yêu cầu cho một từ mã FEC của hiện trạng cụm (burst) ñược ñưa ra ñầy ñủ (n không nhất thiết là một số nguyên) Khi ñó i=kn+j+q trong ñó k là

số mã từ FEC ñầy ñủ thích hợp trong cụm (burst), j (không nhất thiết là một số nguyên) là số các khe vật lý ñang sử dụng bằng từ mã ñược rút ngắt nhiều nhất

có thể, và q (0 ≤ q < 1) là số các khe vật lý ñang sử dụng bởi các bit ñệm ñược chèn vào cuối cụm (burst) ñể bảo ñảm rằng i là một số nguyên Trong sự hoạt ñộng từ mã cố ñịnh, j luôn bằng 0 Nhớ lại rằng một từ mã có thể một phần kết thúc qua một ký tự ñiều biến cũng như phần qua qua một PS Khi ñiều này xuất hiện, từ mã tiếp theo sẽ bắt ñầu ngay lập tức, không chèn các bít ñệm Ở phần cuối của cụm (burst) (tức là không có từ mã tiếp theo), thì 4q ký tự ñược thêm vào như là làm ñệm (nếu ñược yêu cầu) ñể hoàn thành PS ñược ñịnh rõ trong DL-MAP Số các bit ñệm trong các ký tự ñệm này bằng 4q lần mật ñộ ñiều biến, trong ñó mật ñộ ñiều biến của QPSK là 2, 16-QAM là 4, 64-QAM là 6 Chú ý rằng các bit ñệm có thể ñược yêu cầu có hoặc không ngắn hơn k,j không ñồng

thời bằng 0 Giả sử j # 0, ñủ lớn sao cho b lớn hơn các bít FEC, r, ñược cộng bởi

lược ñồ FEC cho cụm (burst) Số các bit (tốt nhất là một số nguyên của các byte)

có giá trị trong dữ liệu người sử dụng trong từ mã FEC ñược ngắn lại là b-r Một từ

mã không thể có ít hơn 6 byte thông tin

Hình 2.6: Các sử dụng các khối FEC ñược thu ngắn lại - trường hợp TDM

Tầng con hội tụ truyền theo ñường lên

Sự tải theo ñường lên sẽ ñược phân ñoạn thành các khối dữ liệu ñược thiết

kế vừa ñúng kích thước của từ mã sau khi byte con trỏ CS ñược thêm vào Chú ý rằng ñộ dài tải vào có thể thay ñổi, phụ thuộc vào sự rút ngắn của các từ mã ñược cho phép hoặc không ñối với tình trạng cụm (burst) này Một byte con trỏ sẽ ñược thêm vào mỗi ñoạn tải vào ñược minh hoạ trong hình 2.7

Hình 2.7: Khuôn dạng của lớp con hội tụ truyền PDU

Hình 2.8: Các sử dụng các khối FEC ñược thu ngắn lại - trường hợp TDMA

Trường con trỏ nhận dạng số byte trong gói tin, nó chỉ ra rằng hoặc phần ñầu của PDU MAC bắt ñầu trong gói tin hoặc phần ñầu của bất kỳ byte vật liệu nào ñến trước MAC PDU tiếp theo Byte ñầu tiên trong gói tin xem như là byte số

1 Nếu không MAC PDU hoặc các byte vật liệu bắt ñầu ở gói tin CS, thì con byte con trỏ ñược ñặt là 0 Khi dữ liệu không ñược phép phát, một mẫu byte vật liệu có một 1 giá trị (0xFF) sẽ ñược sử dụng ñể làm ñầy bất kỳ khoảng trống nào giữa các IEEE 802.16 MAC PDU

2.1.1.4 Lớp vật lý ñường xuống

Khung con ñường xuống

Cấu trúc của khung con ñường xuống ñược sử dụng SS ñể phát tới BS ñược biểu diễn trong hình 2.9 Ba lớp cụm (burst) có thể ñược phát bởi SS trong suốt khung con ñường lên:

a) Chúng ñược phát ở các cơ hội cạnh tranh dành riêng cho dãy ban ñầu b) Chúng ñược phát ở các s cơ hội cạnh tranh ñược ñịnh nghĩa bởi các khoảng thời gian yêu cầu dành riêng ñể ñáp lại sự thăm dò một - nhiều và phát rộng

c) Chúng ñược phát ở những khoảng thời gian ñược ñịnh nghĩa bởi IEs Grant Data phân phát tới các SS riêng lẻ

Hình 2.9: Cấu trúc khung con ñường xuống

Bất kỳ lớp cụm (burst) nào có thể có mặt trong khung bất kỳ ñược ñưa ra Chúng có thể xuất hiện ở bất kỳ số lượng và loại nào (ñược giới hạn bởi số các PS cho phép) trong khung

Dải thông phân phát cho các cơ hội cạnh tranh yêu cầu và dãy ban ñầu có thể ñược nhóm cùng nhau và luôn luôn ñược sử dụng với các tình trạng cụm (burst) ñường lên cho các khoảng thời gian ban ñầu (UIUC=2) và khoảng thời gian ñược yêu cầu (UIUC=1) tương ứng Các khe thời gian truyền tải còn lại ñược nhóm lại bởi SS Trong khi nó lập lịch dải thông, một SS phát với tình trạng cụm (burst) ñược xác ñịnh bởi BS

2.1.2.Lớp ñiều khiển truy cập môi trường (Media Access Control – MAC)

2.1.2.1 Lớp con hội tụ chuyên biệt về dịch vụ (Service Specific CS)

Lớp con hội tụ chuyên biệt về dịch vụ nằm phía trên lớp con phần chung MAC và thống nhất với lớp này, thông qua ñiểm truy cập dịch vụ MAC (MAC SAP), các dịch vụ ñược cung cấp bởi lớp con phần chung MAC (MAC CPS) Lớp con hội tụ thực hiện các chức năng sau:

Chấp nhận các ñơn vị dữ liệu giao thức (PDUs) lớp cao hơn

Thực hiện phân loại PDUs lớp cao hơn

Xử lý (nếu cần) PDUs lớp cao hơn dựa trên sự phân loại

Cấp phát lớp con hội tụ PDUs thích hợp với MAC SAP

Tiếp nhận lớp con hội tụ PDUs từ thực thể ngang hàng

Hiện tại có 2 ñặc tả lớp con hội tụ ñược cung cấp: Lớp con hội tụ Chế ñộ truyền dị bộ (ATM CS) và lớp con hội tụ Gói (Packet CS) Những lớp con hội tụ khác có thể ñược ñặc tả trong tương lai ATM CS ñược ñịnh nghĩa cho các dịch

vụ ATM còn Packet CS ñược ñịnh nghĩa cho các dịch vụ gói như IPv4, IPv6, Ethernet, VLAN… ATM CS nhận các tế bào ATM, xử lý, phân lớp dịch vụ và phân phối nó xuống lớp dưới Packet CS phân lớp các loại MAC SDU vào kết nối thích hợp, gỡ, thêm các tiêu ñề, phân phối dữ liệu ñến lớp con MAC, nhận dữ liệu từ lớp con MAC rồi xử lý

Khái niệm nhận dạng kết nối (Connection Identifier – CID): Một kết nối ñược hiểu là một ánh xạ từ MAC – BS tới MAC – SS với mục ñích vận chuyển lưu lượng của một dịch vụ Mỗi kết nối ñược xác ñịnh bởi một CID có ñộ dài 16bit Lớp con hội tụ chuyên biệt về dịch vụ nằm ở trên ñỉnh của lớp MAC và thi hành một số chức năng như nhận các ñơn vị dữ liệu giao thức (Protocol Dat Unit – PDU) từ lớp cao hơn, phân lớp dịch vụ các PDU ñó, tùy theo các dịch vụ mà xử

lý các PDU, phân phối các PDU này xuống lớp con phần chung MAC thông qua một SAP thích hợp

Tuy nhiên, nhiệm vụ chính của lớp này là phân loại các ñơn vị dịch vụ dữ

xử lý QoS để ựảm bảo thực hiện ựược ựiều này, lớp con hội tụ chuyên biệt về dịch vụ có thể sử dụng các thuật toán tinh vi ựể ánh xạ hoặc cũng có thể thêm, thay ựổi tiêu ựề mối gói tin của lớp trên ựể xử lý

2.1.2.2.Lớp con phần chung MAC

Sự trao ựổi giữa các BS và SS trong một vùng thường có mấy dạng kiến trúc là ựiểm Ờ ựiểm (PTP), mạng ựiểm Ờ ựa ựiểm (PMP) và lưới (Mesh) Kiến trúc PTP xảy ra khi chỉ có một BS và một SS, các kết nối xảy ra từng cặp BS,

SS Kiến trúc PMP là sẽ có một kết nối giữa một BS với nhiều SS khác nhau So với PTP thì PMP có khả năng phục vụ cao hơn, hiệu xuất tốt nhưng phạm vi bao phủ hẹp hơn nhiều Kiến trúc Mesh là kiến trúc mà bao giờ cũng có một ựường liên kết gữa hai ựiểm bất kỳ

Mặc dù chuẩn 802.14-2004 hỗ trợ cả ba kiểu kiến trúc trên nhưng PMP là kiến trúc ựược quan tâm nhất Kiến trúc này có một BS làm trung tâm sẽ cung cấp kết nối cho nhiều SS Trên ựường lên (DL) dữ liệu ựưa tới SS ựược hợp kênh theo kiểu TDM Các SS chia sẻ UL theo dạng TDMA

MAC 802.16 theo hướng kết nối Tất cả những dịch vụ bao gồm những dịch

vụ không kết nối cố hữu, ựược ánh xạ tới một kết nối điều ựó cung cấp một cơ chế cho yêu cầu dải thông, việc kết hợp QoS và các tham số về lưu lượng, vận chuyển và ựịnh tuyến dữ liệu ựến lớp con quy tụ thắch hợp và tất cả các hoạt ựộng khác có liên quan ựến ựiều khoản hợp ựồng của dịch vụ Các kết nối ựược tham chiếu ựến các CID 16-bit và có thể yêu cầu liên tiếp dải thông ựược cấp phát hay dải thông theo yêu cầu

đánh ựịa chỉ

Mỗi SS sẽ có một ựịa chỉ cứng gọi là ựịa chỉ MAC 48 bit, giống như ựược ựịnh nghĩa trong 802 nói chung địa chỉ này là duy nhất cho thiết bị trên toàn thế giới Nó ựược sử dụng trong quá trình khởi tạo kết nối Nó cũng có thể ựược dùng ựể chứng thực giữa BS và SS với nhau

ðịnh dạng của MAC PDU

MAC PDU là ñơn vị dữ liệu giao thức ñược dùng ñể trao ñổi thông tin giữa các lớp MAC của BS và SS MAC PDU có hai dạng: dạng thông thường và dạng yêu cầu băng thông MAC PDU thông thường bắt ñầu với một tiêu ñề có chiều dài cố ñịnh Tiếp theo là tải (payload), có ñộ dài thay ñổi, chính vì vậy mà MAC PDU có chiều dài thay ñổi Và cuối cùng là mã CRC MAC PDU yêu cầu băng thông chỉ cần có phần tiêu ñề

Quá trình xây dựng MAC PDU

Trước khi ñược truyền ñi, lớp MAC sẽ phải xây dựng MAC PDU một cách hợp lý và hiệu quả nhất

Quá trình này gồm các bước sau:

Quá trình móc nối: Nhiều MAC PDU có thể ñược kết hợp với

nhau vào một phiên truyền (PDU dữ liệu, PDU yêu cầu băng thông…) Quá trình này có thể ñược thực hiện ở cả UL và DL

Quá trình phân mảnh: Quá trình này chia một MAC SDU có

kích thước lớn thành nhiều MAC SDU có kích thước hợp lý hơn Quá trình này ñược sử dụng ñối với các dịch vụ mà gói tin có kích thước lớn như voice, video… ñược dùng ñể khai thác một cách hiệu quả băng thông liên quan ñến chất lượng dịch vụ Nó có thể ñược thực hiện ở cả UL và DL

Quá trình ñóng gói (packing): Quá trình kết hợp nhiều MAC

SDU thành một MAC PDU Các kết nối phải cho phép mang các gói tin có kích thước thay ñổi ñể khai thác ñược hiệu quả tính năng này

Những MAC SDU mới ñến từ các lớp con quy tụ tương ứng ñược ñịnh dạng theo khuôn dạng của MAC PDU, có thể sự phân mảnh và hoặc ñóng gói, trước khi ñược chuyên trở qua một hay nhiều kết nối với sự ñồng ý của giao thức MAC Sau khi vượt qua kết nối không gian, các MAC PDU ñược cấu trúc trở về các MAC SDU gốc Tận dụng lợi thế của sự hợp nhất các quá trình