Công nghệ WiMAX di động - thiết kế và triển khai mạng WiMAX di động thử nghiệm tại Viettel

Với nhiều ứng dụng do công nghệ WiMAX mang lại, nhất là các ứng dụng về di động trong điều kiện hiện nay nhu cầu về dịch vụ xuất hiện mọi lúc mọi nơi, đề tài khóa luận tốt nghiệp “Nghiên

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

DƯƠNG PHẠM HUY HÙNG

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ WIMAX DI ĐỘNG

VÀ ỨNG DỤNG TRIỂN KHAI WIMAX

DI ĐỘNG TRÊN MẠNG VIETTEL

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội - 2009

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

DƯƠNG PHẠM HUY HÙNG

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ WIMAX DI ĐỘNG VÀ

ỨNG DỤNG TRIỂN KHAI WIMAX

DI ĐỘNG TRÊN MẠNG VIETTEL VIETTEL

Ngành: Công nghệ Điện tử Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

Mã số: 60 52 70

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS NGUYỄN VIẾT KÍNH

Hà Nội - 2009

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: luận văn “Nghiên cứu công nghệ WiMAX di động và ứng

dụng triển khai WiMAX di động trên mạng Viettel” là công trình nghiên cứu

riêng của tôi Các số liệu trong luận văn được sử dụng trung thực Kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn này chưa từng được công bố tại bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Dương Phạm Huy Hùng

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC i

DANH MỤC HÌNH VẼ iii

DANH MỤC BẢNG iv

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT v

LỜI MỞ ĐẦU ix

CHƯƠNG I: VÀI NÉT CÔNG NGHỆ VÔ TUYẾN BĂNG RỘNG VÀ CÔNG NGHỆ WIMAX 1

1.1 Giới thiệu về công nghệ vô tuyến băng rộng 1

1.2 Quá trình phát triển của vô tuyến băng rộng 1

1.2.1 Mạch vòng vô tuyến nội hạt (WLL) 2

1.2.2 Hệ thống băng rộng thế hệ thứ nhất 2

1.2.3 Hệ thống băng rộng thế hệ thứ hai 3

1.2.4 Sự xuất hiện của công nghệ băng rộng chuẩn hóa 3

1.3 Quá trình phát triển WiMAX 5

1.4 Nguyên lý hoạt động WiMAX 7

1.5 Các tính năng nổi bật của WiMAX 9

1.6 Các ứng dụng của WiMAX 11

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ WiMAX DI ĐỘNG 14

2.1 Giới thiệu về WIMAX di động: 14

2.2 Kiến trúc mạng WiMAX di động 16

2.3 Phổ tần của WiMAX di động 17

2.4 Lớp vật lý WiMAX 17

2.4.1 Cơ bản về OFDM 18

2.4.2 Cấu trúc ký hiệu OFDMA và kênh con hóa 20

2.4.4 OFDMA theo tỷ lệ xích (S-OFDMA) 23

2.4.5 So sánh OFDM và OFDMA 24

2.4.6 Cấu trúc khung TDD 26

2.4.7 Các đặc điểm lớp PHY cải tiến khác 29

2.5 Mô tả lớp MAC 31

2.5.1 Dịch vụ lập lịch MAC 32

2.5.2 Hỗ trợ QoS 33

2.5.3 Quản lý di động 34

2.5.4 Bảo mật 37

2.6 Các đặc điểm cải tiến của WiMAX di động 38

2.6.1 Công nghệ anten thông minh 38

2.6.2 Sử dụng lại tần số phân đoạn 41

2.6.3 Dịch vụ Multicast và Broadcast (MBS) 42

CHƯƠNG III: TRIỂN KHAI THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG WIMAX DI ĐỘNG TẠI VIETTEL 45

3.1 Đặt vấn đề 45

3.2 Giải pháp thử nghiệm WiMAX tại Viettel 46

3.2.1 Giới thiệu chung về Thái Nguyên 46

3.2.2 Yêu cầu dự án thử nghiệm 48

3.3 Phương pháp tính toán 50

3.3.1 Các phương pháp tính toán lý thuyết 50

3.3.2 Tính toán dung lượng/công suất trạm 58

3.4 Giải pháp thiết kế 60

3.4.1 Nguyên tắc thiết kế 60

3.4.2 Kiến trúc mạng lưới 61

3.4.3 Nội dung thiết kế 62

4.4.5 Danh sách thiết bị 64

3.4.6 Mô tả thiết bị 65

3.4.7 Tổng kết yêu cầu triển khai mạng lưới 71

3.5 Kết quả thử nghiệm 73

3.5.1 Lưu lượng phục vụ tối đa của 1 trạm gốc: 73

3.5.2 Bán kính phủ sóng (diện tích phủ sóng) 74

3.5.3 Khoảng cách xa nhất 74

3.5.4 Khoảng cách và tốc độ 75

3.5.5 Công suất phát thử nghiệm của trạm 75

3.5.6 Băng thông trung bình 75

3.5.7 Ảnh hưởng của nhiễu: 78

3.5.8 Handover 78

3.5.9 Khả năng điều chế thích nghi trong Wimax (kích hoạt AMC) 78

3.5.10 Năng lượng bức xạ đẳng hướng 79

3.5.11 Hiệu quả sử dụng băng tần: 79

3.5.12 Chất lượng dịch vụ 79

3.5.13 Bảo mật 79

3.5.14 Kết nối với các mạng khác 80

3.5.15 Tốc độ thấp nhất, cao nhất 80

3.5.16 Hiệu suất sử dụng phổ tần số (bps/Hz): 80

3.5.17 Giá thiết bị đầu cuối 80

3.5.18 Các dịch vụ có thể cung cấp thử nghiệm 80

3.5.19 Đối tượng thử nghiệm dịch vụ 80

3.5.20 Vấn đề tính cước dịch vụ 80

3.5.21 Tính chất ảnh hưởng: 81

3.6 Lợi ích của giải pháp 81

3.6.1 Giải pháp IP End-to-End toàn mạng, hướng tới tương lai 81

3.6.2 Dịch vụ phong phú đa dạng 81

3.6.3 Chi phí đầu tư (CAPEX) và vận hành (OPEX) thấp 81

3.6.4 Lộ trình phát triển rõ ràng, khả năng mở rộng mạng lưới linh hoạt 82

3.6.5 Độ tin cậy và ổn định cao 83

3.7 Đánh giá thuận lợi và khó khăn: 83

3.7.1 Thuận lợi 83

3.7.2 Khó khăn 84

KẾT LUẬN 85

TÀI LIỆU THAM KHẢO 86

PHỤ LỤC KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM 868

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Các công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng 2

Hình 1.2: Danh sách các công ty thành viên của diễn đàn WiMAX 4

Hình 1.3: Các mốc sự kiện của WiMAX 5

Hình 1.4: Các đặc tính chuẩn 802.16 6

Hình 1.5: Nguyên lý hoạt động của WiMAX 8

Hình 1.6: Mô hình phân lớp trong hệ thống WiMAX so sánh với OSI 9

Hình 1.7: Phân lớp các dịch vụ WiMAX 12

Hình 1.8: Các kịch bản được sử dụng cho WiMAX 12

Hình 2.1: Đặc tả hệ thống WiMAX di động Release-1 14

Hình 2.2: Kiến trúc mạng WiMAX di động 16

Hình 2.3: Kiến trúc cơ bản của hệ thống OFDM 18

Hình 2.4: Mặt cắt của Cyclic Prefix 18

Hình 2.5: Mật độ phổ năng lượng của tín hiệu điều chế OFDM 19

Hình 2.6: Miền tần số OFDM 19

Hình 2.7: Mô hình kênh con hóa OFDM 20

Hình 2.8: Cấu trúc sóng mang con OFDMA 21

Hình 2.9: Kênh con phân tập tần số DL 22

Hình 2.10: Cấu trúc tile của UL PUSC 22

Hình 2.11: Tương quan so sánh giữa OFDM và SOFDMA 24

Hình 2.12: So sánh OFDM và OFDMA 25

Hình 2.13: Đường lên trong OFDM và OFDMA 26

Hình 2.14: Cấu trúc khung TDD của WiMAX di động 26

Hình 2.15: Cấu trúc khung WiMAX OFDMA 28

Hình 2.16: Phân lớp MAC và các chức năng 31

Hình 2.17: QoS hỗ trợ WiMAX di động 34

Hình 2.18 : Công nghệ anten MIMO 38

Hình 2.19: Chuyển mạch thích nghi cho anten thông minh 40

Hình 2.20: Cấu trúc khung đa miền 42

Hình 2.21: Sử dụng lại tần số 42

Hình 2.22: Hỗ trợ MBS nhúng với những vùng WiMAX-MBS di động 43

Hình 3.1 Mã hoá và điều chế thích nghi 55

Hình 3.2 Phân tích cell thành các vùng 56

Hình 3.3: Đồ thị quan hệ giữa SNR và khoảng cách 57

Hình 3.4: Kiến trúc mạng WiMAX triển khai 62

Hình 3.5: Tái sử dụng tần số 1*3*3 63

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Các tham số tỉ lệ OFDMA 24

Bảng 2.2: Các kỹ thuật mã hóa và điều chế được hỗ trợ trong WiMAX 29

Bảng 2.3: Tốc độ dữ liệu PHY với các kênh con PUSC trong WiMAX di động 30

Bảng 2.4: Các dịch vụ trong QoS 35

Bảng 2.5: Các tùy chọn của Anten cao cấp 39

Bảng 2.6: Các tốc độ dữ liệu cho các cấu hình SIMO/MIMO 41

Bảng 3.1: Các loại hình dịch vụ dự kiến thử nghiệm 49

Bảng 3.2: Ví dụ về các giá trị đường truyền 52

Bảng 3.3: Ví dụ hiệu suất phổ sử dụng kỹ thuật TDD 54

Bảng 3.4: Các giả định của lớp vật lý IEEE 802.16 57

Bảng 3.5: Danh mục thông số thiết kế 61

Bảng 3.6: Giả thiết về lưu lượng cho mạng WiMAX Viettel 62

Bảng 3.7: Danh sách các thông số chính 63

Bảng 3.8: Danh mục thiết bị triển khai 64

Bảng 3.9: Đặc tính kỹ thuật của DBS3900 65

Bảng 3.10: Chuẩn giao diện vật lý và loại cáp kết nối 66

Bảng 3.11: Danh mục các thông số cấu hình chuẩn của WASN9770 67

Bảng 3.12: Cấu hình hoạt động của Sun Fire™ V440 70

Bảng 3.13: Danh mục kích thước các phần tử mạng 72

Bảng 3.14: Danh mục công suất tiêu thụ của các phần tử mạng 72

Bảng 3.15: Công suất tiêu thụ của các trạm phát sóng 73

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Account

Nhận thực, cấp phép và lập tài khoản

ADSL Asymmetric Digital Subcriber Line Đường dây thuê bao bất đối xứng

Encryption

Thuật toán bảo mật mã hóa nhận thực

một thuê bao

Authentication Code Protocol

Giao thức mã hóa nhận thực bản tin chuyển khối mã hóa

DL Downlink Đường xuống

Đặc tính kỹ thuật giao diện dịch

vụ truyền dữ liệu qua đường cáp

IEEE Institute of Electrical and Electronics

Kỹ thuật sử dụng nhiều ăng-ten phát và nhiều ăng-ten thu để truyền và nhận dữ liệu

MS Mobile Station Trạm di động

thu

có thể bị xóa

S-OFDMA Scalable Orthogonal Frequency

Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao theo tỉ lệ

Sự ra đời của công nghệ WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) - tên thương mại của chuẩn 802.16 với nghĩa là khả năng tương tác toàn cầu với viba, đã chứng tỏ được đây là một công nghệ có khả năng giải quyết được các vấn đề bài toán truyền thông đa phương tiện đặt ra

Không giống như công nghệ 3G dựa trên CDMA được xây dựng nhằm vào dịch

vụ thoại, WiMAX được thiết kế để đáp ứng dịch vụ truyền dữ liệu dung lượng lớn (trong đó có cả dịch vụ thoại VoIP) WiMAX sự dụng kỹ thuật trải phổ SOFDMA và hạ tầng mạng xây dựng trên nền IP

Với nhiều ứng dụng do công nghệ WiMAX mang lại, nhất là các ứng dụng về di động trong điều kiện hiện nay nhu cầu về dịch vụ xuất hiện mọi lúc mọi nơi, đề

tài khóa luận tốt nghiệp “Nghiên cứu công nghệ WiMAX di động và ứng

dụng triển khai WiMAX di động trên mạng Viettel” được thực hiện nhằm

mục đích tìm hiểu tổng quan về công nghệ WiMAX nói chung và công nghệ WiMAX di động nói riêng đồng thời nghiên cứu tình hình triển khai của công nghệ mới này trong điều kiện thực tế ở Việt Nam

Việc triển khai công nghệ WiMAX tại Việt Nam hiện vẫn trong giai đoạn thử nghiệm, mạng Viettel cũng vừa mới hoàn thành giai đoạn thử nghiệm WiMAX

ở Thái Nguyên, do vậy bản khóa luận sẽ đề cập đến các bước triển khai dự án thử nghiệm mạng WiMAX từ phân tích nhu cầu, lựa chọn đối tác, lựa chọn tham

số đầu vào, cho đến việc xây dựng mô hình tính toán, mô hình mạng thử nghiệm, kết quả thử nghiệm, rút ra bài học kinh nghiệm…để làm cơ sở xây dựng mạng WiMAX trên thực tế trong tương lai gần

Trải qua một thời gian tìm hiểu, nghiên cứu, phân tích, dựa trên các tài liệu sẵn

có trong nước cũng như nước ngoài, sự giúp đỡ của các đồng nghiệp trực tiếp tham gia xây dựng mạng lưới và đặc biệt dưới hướng dẫn tận tình của PGS TS Nguyễn Viết Kính, bản khóa luận đã được hoàn thành đúng thời hạn đặt ra Xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp ở công ty Viettel Telecom

và đặc biệt đến PGS TS Nguyễn Viết Kính, đã giúp đỡ để em có thể hoàn thành bản đồ án trong thời gian sớm nhất !

Xin chân thành cảm ơn !

Hà Nội, ngày tháng năm 2009

Học viên

Dương Phạm Huy Hùng

CHƯƠNG I: VÀI NÉT CÔNG NGHỆ VÔ TUYẾN

BĂNG RỘNG VÀ CÔNG NGHỆ WIMAX

1.1 Giới thiệu về công nghệ vô tuyến băng rộng

Trong những năm gần đây, công nghệ vô tuyến và công nghệ băng rộng là sự kết hợp của hai công nghệ phát triển mạnh mẽ trong lĩnh vực viễn thông Trong khi số thuê bao di động vô tuyến tăng từ 11 triệu năm 1990 lên hơn 2 tỉ thuê bao trên toàn thế giới thì số lượng người sử dụng Internet cũng phát triển lên đến con

số hàng tỉ người Sự tăng trưởng của Internet yêu cầu tương ứng về sự tăng trưởng của băng rộng Do đó, liệu có thể sử dụng công nghệ vô tuyến để truyền tải các dịch vụ băng rộng? Đó chính là cơ sở để nghiên cứu ra các công nghệ vô tuyến nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng

Vậy công nghệ vô tuyến băng rộng là gì? Vô tuyến băng rộng cung cấp các dịch

vụ băng rộng trong môi trường vô tuyến, mang lại lợi ích và thuận tiện cho người sử dụng Có 2 loại dịch vụ vô tuyến băng rộng cơ bản: loại thứ nhất cung cấp các dịch vụ tương tự các dịch vụ truyền thống của băng rộng đường dây cố định nhưng sử dụng môi trường truyền dẫn vô tuyến Loại này được gọi là vô tuyến băng rộng cố định Loại thứ hai được gọi là vô tuyến băng rộng di động Công nghệ WIMAX được thiết kế nhằm hỗ trợ cho cả ứng dụng băng rộng cố định và di động

1.2 Quá trình phát triển của vô tuyến băng rộng

Sự phát triển của vô tuyến băng rộng xuất phát từ nhu cầu thay thế công nghệ truy nhập hữu tuyến truyền thống Trong quá trình phát triển, một số hệ thống truy nhập vô tuyến đã được phát triển và thay đổi về khả năng hoạt động, giao thức, phổ tần sử dụng, các ứng dụng hỗ trợ và cả các thông số cài đặt hệ thống Tuy nhiên, hiện tại các hệ thống truy cập vô tuyến mới chỉ triển khai thành công giới hạn ở một số ứng dụng và thị trường nhất định và chưa có ghi nhận nào đáng kể, một phần do sự thiếu một chuẩn chung thống nhất Sự xuất hiện của WiMAX được kỳ vọng sẽ giải quyết được vấn đề này

Công nghệ WiMAX được hình thành trải qua bốn giai đoạn, tuy nhiên các giai đoạn này không thực sự xảy ra tuần tự theo thời gian và độc lập với nhau Đó là: (1) các hệ thống mạch vòng vô tuyến nội hạt, (2) các hệ thống tầm nhìn thẳng (Line of Sight-LOS) thế hệ thứ nhất, (3) các hệ thống băng rộng không tầm nhìn

thẳng (Non Line of Sight – NLOS) thế hệ thứ hai, và (4) các hệ thống vô tuyến băng rộng chuẩn hóa

Hình 1.1: Các công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng

1.2.1 Mạch vòng vô tuyến nội hạt (WLL)

Trong công nghệ vô tuyến, dịch vụ thoại cố định được chọn làm ứng dụng đầu tiên để phát triển và triển khai trong các hệ thống truy nhập vô tuyến mạch vòng

vô tuyến nội hạt (wireless local loop - WLL) Các hệ thống này được triển khai rộng rãi ở một số nước đang phát triển như Trung Quốc, Brazil, Ấn Độ, Nga, và Indonesia Trên thực tế, hệ thống WLL được xây dựng dựa trên chuẩn điện thoại

số không dây (DECT) và CDMA được tiếp tục triển khai về sau Ưu điểm của mạng WLL là dựa trên sự tiện ích, sự linh hoạt và sự phát triển mạng một cách nhanh chóng Các hệ thống vô tuyến băng tần rộng có thể cung cấp các tốc độ bit đa dạng và cho nhiều người sử dụng đồng thời

Hệ thống phân bố đa điểm đa kênh MMDS (Microwave or Multichannel Moultipoint Distribution System) ra đời sau LMDS hoạt động ở dải tần 2.5 GHz Đây là hệ thống được xây dựng ban đầu cho mục đích phát vô tuyến truyền hình, do đó phương thức truyền dẫn là bán song công và chỉ cung cấp đường truyền xuống hướng thuê bao Hệ thống này sử dụng một băng tần số khá hẹp 200MHz từ 2.4GHz đến 2.6GHz

Thế hệ đầu tiên của các hệ thống vô tuyến băng rộng cố định được triển khai trên cùng một loại trạm phát sóng có độ cao lên đến trên 100m và yêu cầu khách hàng phải lắp anten ngoài cửa và hướng về trạm phát Tuy có vùng phủ sóng khá rộng, nhưng các hệ thống này lại bị hạn chế về mặt dung lượng

1.2.3 Hệ thống băng rộng thế hệ thứ hai

Hệ thống băng rộng thế hệ thứ hai ra đời đã khắc phục nhược điểm của hệ thống thế hệ thứ nhất về yêu cầu tầm nhìn thẳng, do đó có khả năng cung cấp dung lượng cao hơn Việc này được thực hiện thông qua việc áp dụng hệ thống có kiến trúc cell (tổ ong) và các kỹ thuật xử lý tín hiệu tiên tiến có khả năng chống ảnh hưởng của vấn đề đa đường Ví dụ, một số công nghệ như công nghệ ghép kênh theo tần số trực giao OFDM, công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã CDMA, công nghệ xử lý đa anten được sử dụng để khắc phục vấn đề về tầm nhin thẳng LOS Sự ra đời của hệ thống băng rộng thế hệ thứ hai đã cho phép thực hiện truyền dữ liệu với tốc độ vài Mb/s trong phạm vi cell có bán kính một vài km

1.2.4 Sự xuất hiện của công nghệ băng rộng chuẩn hóa

Vào năm 1998, Viện các kỹ sư điện tử IEEE đã thành lập một nhóm gọi là 802.16 có nhiệm vụ phát triển mạng đô thị không dây (wireless MAN) Ban đầu, phạm vi của nhóm chỉ tập trung vào việc phát triển giải pháp cho băng tần từ 10

- 66 GHz Nhóm đã đưa ra một chuẩn được công nhận vào tháng 12/2001 Chuẩn này có tên gọi là Wireless - MAN SC, chỉ định lớp vật lý sử dụng công nghệ điều chế sóng mang đơn và lớp điều khiển vật lý MAC với phương thức ghép kênh theo thời gian TDM hỗ trợ đồng thời cả kỹ thuật FDD và TDD

Sau khi hoàn thành chuẩn đầu tiên, nhóm tiếp tục sửa đổi và mở rộng chuẩn để phù hợp với dài tần từ 2 - 11 GHz Dải tần này cho phép kết nối mà không cần thoả mãn điều kiện tầm nhìn thẳng Điều này khiến cho chuẩn sau khi đã hiệu chỉnh, gọi là chuẩn IEEE 802.16a, được công nhận vào năm 2003 với sự bổ

sung của phương thức điều chề OFDM như một phần của lớp vật lý có tác dụng

hỗ trợ môi trường truyền sóng đa đường Ngoài ra, chuẩn 802.16a cũng chỉ định tùy chọn lớp MAC, có nhiệm vụ hỗ trợ phương thức truy nhập OFDM

Một phiên bản hiệu chỉnh tiếp theo của 802.16a được hoàn thành vào năm 2004,

có tên gọi là 802.16-2004, thay thế cho chuẩn 802.16a cũ và 802.16c bằng một chuẩn đơn, được xem là giải pháp dành cho mạng khu vực đô thị vô tuyến hiệu năng cao Vào năm 2003, nhóm 802.16 bắt đầu nghiên cứu các công nghệ tiên tiến cho phép triển khai các ứng dụng mang tính di động Phiên bản này được hoàn thành vào tháng 12/2005, mang tên chính thức là 802.16e-2005 Nó chỉ định phương thức điều chế OFDM cho lớp vật lý và một số hiệu chỉnh trong lớp MAC để phù hợp với tính năng di động đòi hỏi tốc độ cao

Để đưa họ các chuẩn 801.16 vào triển khai thực tế, diễn đàn WiMAX được thành lập có nhiệm vụ thực hiện việc chuyển đổi tương thích với các chuẩn hiện tại Diễn đàn thực hiện việc kiểm tra tính tương thích kết nối và cho ra đời sản phẩm dựa trên chuẩn 802.16-2004 (được chứng nhận vào tháng 1/2006) và chuẩn 802.16e-2005 (được chứng nhận vào đầu năm 2007) Nhiều hãng cung cấp thiết bị tuyên bố kế hoạch tích hợp giải pháp WiMAX cố định/di động vào sản phẩm của họ Sự ra đời của các sản phẩm WiMAX được công nhận là một mốc quan trọng đánh dấu sự phát triển của lịch sử công nghệ băng rộng [5]

Hình 1.2: Danh sách các công ty thành viên của diễn đàn WiMAX [7]

1.3 Quá trình phát triển WiMAX

Hình 1.3: Các mốc sự kiện của WiMAX

Như đã trình bày ở phần trên, quá trình phát triển của công nghệ WiMAX được tóm tắt qua các chuẩn sau:

Chuẩn cơ bản 802.16 basic

Chuẩn 802.16 ban đầu được tạo ra với mục đích là tạo ra những giao diện (interface) không dây dựa trên giao thức MAC (Media Access Control) chung Kiến trúc mạng cơ bản của 802.16 bao gồm trạm phát (BS - Base Station) và người sử dụng (SS - Subscriber Station) Trong vùng phủ sóng, trạm

BS điều khiển toàn bộ sự truyền dữ liệu (traffic) Điều đó có nghĩa là không có

sự trao đổi truyền thông giữa hai SS với nhau Nối kết giữa BS và SS bao gồm một kênh đường lên (uplink) và đường xuống (downlink) Kênh đường lên chia

sẻ cho nhiều SS trong khi kênh đường xuống có đặc điểm quảng bá (broadcast) Trong trường hợp không có vật cản giữa SS và BS (line of sight), thông tin được trao đổi trên băng tần cao Ngược lại, thông tin sđược truyền trên băng tần thấp

để chống nhiễu

Hình 1.4: Các đặc tính chuẩn 802.16 Các chuẩn bổ sung (amendments) của WiMAX

- 802.16a : Chuẩn này sử dụng băng tần có bản quyền từ 2 - 11 GHz Đây là băng tần thu hút được nhiều quan tâm nhất vì tín hiệu truyền có thể vượt được các chướng ngại trên đường truyền 802.16a còn thích nghi cho việc triển khai mạng hỗn hợp (mesh) mà trong đó một đầu cuối (terminal) có thể liên lạc với

BS thông qua một đầu cuối khác Với đặc tính này, vùng phủ sóng của 802.16a

BS sẽ được nới rộng

- 802.16b: Chuẩn này hoạt động trên băng tần từ 5 - 6 GHz với mục đích cung ứng dịnh vụ với chất lượng cao (QoS), như dịch vụ video, các dịch vụ thời gian thực Chuẩn này sau đó đã được kết hợp vào chuẩn 802.16a

- 802.16c : Chuẩn này định nghĩa thêm các hồ sơ (profile) mới cho dải băng tần

từ 10-66GHz với mục đích cải tiến khả năng tương tác hoạt động (interoperability)

- 802.16d : Có một số cải tiến nhỏ so với chuẩn 802.16a Chuẩn này được chuẩn hóa 2004 Các thiết bị tiền-WiMAX có trên thị trường là dựa trên chuẩn này

- 802.16e: IEEE 802.16e hay IEEE 802.16e-2005 là một chuẩn mở rộng (amendment) của chuẩn 802.16-2004, thường được gọi là WiMAX di động (Mobile WiMAX) vì nó có khả năng đáp ứng dịch vụ cho người dùng di động thông qua các giao thức chuyển giao 802.16e dùng kỹ thuật đa truy nhập SOFDMA; sử dụng kỹ thuật MIMO và AAS để cải thiện vùng phủ và công suất phát; mã Turbo và LDPC để tăng tính an toàn và cải thiện hiệu năng của NLOS

- Ngoài ra còn có nhiều chuẩn bổ sung khác đang được triển khai hoặc đang trong giai đoạn chuẩn hóa như 802.16g, 802.16f, 802.16h

1.4 Nguyên lý hoạt động WiMAX

WiMAX sử dụng kĩ thuật phát sóng vô tuyến ngắn để kết nối các máy tính tới một khu vực của mạng Quá trình kết nối thông qua các dây kết nối DSL hoặc các bộ biến đổi cáp

Các trạm phát (BS) được kết nối với mạng Internet thông qua các đường truyền tốc độ cao dành riêng hoặc có thể nối tới một BS khác như một trạm trung

chuyển bằng đường truyền thẳng LOS, vì vậy mà WiMAX có vùng phủ sóng rộng lớn

Hình 1.5: Nguyên lý hoạt động của WiMAX

Các anten thu, phát có thể trao đổi thông tin với nhau qua các tia truyền thẳng hoặc các tia phản xạ

Trong trường hợp truyền thẳng các anten được đặt cố định trên các điểm cao, tín hiệu trong trường hợp này ổn định và tốc độ truyền có thể đạt tối đa Có thể sử dụng ở tần số cao lên đến 66 GHz, bởi vì tại dải tần này tín hiệu ít bị giao thoa với các kênh tín hiệu khác và băng thông sử dụng cũng lớn hơn

Nếu có tia phản xạ thì WiMAX dùng băng tần thấp hơn 2 - 11GHz vì 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 để đến đích

Về mặt cấu trúc phân lớp, WIMAX được chia thành 4 lớp:

• Lớp con hội tụ (convergence) làm nhiệm vụ giao diện giữa lớp đa truy nhập và các lớp trên

• Lớp đa truy nhập (MAC)

• Lớp truyền dẫn (Transmission)

• Lớp vật lí (PHY)

Hình 1.6: Mô hình phân lớp trong hệ thống WiMAX so sánh với OSI

Các lớp này tương ứng với hai lớp dưới cùng của mô hình OSI và được tiêu chuẩn hóa để có thể giao tiếp với các ứng dụng lớp trên

1.5 Các tính năng nổi bật của WiMAX

Lớp vật lý dựa trên OFDM

Lớp vật lý dựa trên kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM,

có khả năng kháng nhiễu đa đường tốt và cho phép WIMAX hoạt động trong điều kiện NLOS

Tốc độ truyền dữ liệu cao

WiMAX có khả năng hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu rất cao Trên thực tế, tốc độ truyền dữ liệu mức vật lý có thể đạt 74Mb/s khi hoạt động ở dải tần 20MHz Điển hình là việc sử dụng dải tần 10MHz hoạt động theo phương thức TDD với

tỉ lệ đường xuống/đường lên là 3/1, sử dụng phương thức điều chế 64QAM và phương thức mã sửa lỗi 5/6, tốc độ dữ liệu cực đại mức vật lý có thể đạt 25Mb/s cho đường xuống và 6.7Mb/s cho đường lên

Hỗ trợ việc tăng cường tốc độ truyền dữ liệu và băng thông

WiMAX có kiến trúc lớp vật lý có khả năng mở rộng cho phép tốc độ dữ liệu có thể mở rộng dễ dàng với độ rộng kênh truyền, được hỗ trợ bởi phương thức điều chế OFDM, ở đó kích thước FFT có thể được mở rộng dựa vào độ rộng kênh

truyền hiện có Việc mở rộng được thực hiện linh hoạt nhằm hỗ trợ việc chuyển vùng giữa các mạng khác nhau mà ở đó việc phân chia băng thông khác nhau

Mã hóa và điều chế thích nghi (AMC)

WiMAX hỗ trợ một số phương thức điều chế và mã sửa lỗi thuận, cho phép các phương thức có thể được thay đổi theo nhu cầu người sử dụng, và theo khung cơ bản dựa trên các điều kiện về kênh truyền AMC là cơ chế hiệu quả cho phép cực đại hóa băng thông trong kênh truyền biến đổi theo thời gian Thuật toán thích nghi yêu cầu các phương thức mã hóa và điều chế cao nhất có thể được hỗ trở bởi tỉ lệ tín hiệu trên tạp và tỉ lệ nhiễu tại đầu thu, chẳng hạn như mỗi người

sử dụng được cung cấp tốc độ truyền dữ liệu cao nhất trên các kênh truyền tương ứng

Cơ chế truyền lại ở lớp liên kết

Đối với những kết nối đòi hỏi độ tin cậy cao, WiMAX hỗ trợ cơ chế yêu cầu truyền lại tự động (ARQ) ở lớp liên kết Những kết nối ARQ này đòi hỏi mỗi gói tin truyền đi phải được xác nhận lại tại đầu thu, các gói tin không được xác nhận sẽ bị coi là mất và sẽ được truyền lại Ngoài ra, WiMAX cũng hỗ trợ cơ chế ARQ hỗn hợp giữa FEC và ARQ

Hỗ trợ phương thức điều chế TDD và FDD

IEEE 802.16-2004 và IEEE 802.16e-2005 hỗ trợ cả 2 phương thức FDD và TDD, cũng như chế độ song công FDD, cho phép tiết kiệm chi phí xây dựng hệ thống TDD được sử dụng nhiều hơn trong việc xây dựng các hệ thống do có các

ưu điểm: linh động trong việc lựa chọn tỉ số tốc độ dữ liệu đường lên và đường xuống, có khả năng lựa chọn các kênh truyền ưu tiên, có khả năng thực hiện phổ không đồng bộ, và thiết kế bộ thu phát đơn giản Tất cả các profile ban đầu đều được xây dựng dựa trên FDD, ngoại trừ 2 profile cho cố định ở tần số 3.5GHz

Phương pháp đa truy nhập phân chia tần số trực giao (OFDMA)

WiMAX di động sử dụng OFDM cho kỹ thuật đa truy nhập, nhờ đó người sử dụng (user) khác nhau được gán cho các tập con khác nhau của các âm (tone) OFDM OFDM hỗ trợ việc khai thác phân tập theo tần số và phân tập theo người

sử dụng, nhằm cải thiện đáng kể dung lượng của hệ thống

Phân chia tài nguyên cho người sử dụng một cách linh hoạt

Cả tài nguyên sử dụng cho đường lên và đường xuống đều được kiểm soát thông qua chế độ lập lịch ở trạm gốc Dung lương được chia cho nhiều người sử dụng dựa trên những yêu cầu cơ bản, sử dụng chế độ cụm TDM (TDM burst) Khi sử dụng phương thức điều chế OFDMA lớp vật lý, việc ghép kênh được thực hiện thông qua việc định cỡ tần số, bằng cách phân bổ các phân hệ khác nhau của sóng mang phụ OFDM cho người sử dụng khác nhau Tài nguyên có thể được phân chia trong miền không gian, cũng như khi sử dụng hệ thống anten tiến tiến AAS Tiêu chuẩn này cho phép tài nguyên băng tần được phân chia theo thời gian, tần số và không gian, và có cơ cấu linh hoạt để truyền tải thông tin phân bổ tài nguyên lần lượt trên các khung

Hỗ trợ các công nghệ anten tiên tiến

Giải pháp WiMAX xây dựng lớp vật lý cho phép sử dụng công nghệ đa anten như tạo búp sóng (beamforming), mã không gian-thời gian (space-time coding),

và ghép kênh theo không gian Các phương thức này được sử dụng nhằm nâng cao dung lượng toàn hệ thống và hiệu quả về dải tần bằng cách triển khai nhiều anten tại đầu phát hoặc đầu thu

Hỗ trợ tính năng di động

Nhiều loại WiMAX có cơ chế chuyển giao không liên quan đến vấn đề về bảo mật, cho các ứng dụng di động không yêu cầu thời gian thực, như VoIP Hệ thống cũng hỗ trợ cơ chế tiết kiệm năng lượng, nhằm tăng cường tuổi thọ của pin Việc tăng cường lớp vật lý, ví dụ như ước tính số lượng kênh truyền, điều khiển nguồn, cũng được chỉ ra trong vấn đề hỗ trợ các ứng dụng di động

Kiến trúc dựa trên nền tảng IP

WiMAX Forum đã định nghĩa kiến trúc mạng tham chiếu trên nền IP Tất cả dịch vụ đầu cuối được truyền tải thông qua kiến trúc mạng IP, dựa vào các giao thức IP cho cơ chế đầu cuối - đầu cuối (end-to end), quản lý phiên giao dịch (session), an ninh và tính di động Trên cở sở đó, WiMAX cho phép triển khai các hệ thống trên nền IP hiện tại, dễ dàng tích hợp với các mạng khác, phát triển các ứng dụng dành cho IP

1.6 Các ứng dụng của WiMAX

Tiêu chuẩn WiMAX được phát triển để phục vụ cho phạm vi rộng các ứng dụng,

được tóm tắt trong hình 1.7

Hình 1.7: Phân lớp các dịch vụ WiMAX

Dựa vào các đặc tính kỹ thuật và phân lớp dịch vụ, WiMAX có khả năng hỗ trợ tốt số lượng lớn các kịch bản thường dùng (usage scenarios) Một số các kịch

bản này được liệt kê trong hình 1.8 sau đây, hình này cũng cho biết các đặc tính

kỹ thuật nào của WiMAX là then chốt cho sự thành công của các kịch bản

Hình 1.8: Các kịch bản được sử dụng cho WiMAX

Công nghệ WiMAX thực hiện cách mạng hóa cách thức liên lạc, cung cấp sự tự

do hoàn toàn cho những người thường xuyên di chuyển, cho phép họ giữ được kết nối trong các trường hợp thoại, số liệu và các dịch vụ video WiMAX cho phép người sử dụng có thể di chuyển ở mọi nơi, từ nhà ra xe hơi, hay đến văn phòng làm việc…

Như vậy, chương I đã trình bày khái quát về sự ra đời và phát triển của công nghệ băng rộng nói chung, và công nghệ WiMAX nói riêng, nguyên lý hoạt động và các ứng dụng của WiMAX Chương II sẽ trình bày nội dung trọng tâm của luận văn về WiMAX di động, bao gồm các thông tin về phổ tần WiMAX, kiến trúc mạng, phân tích hai lớp quan trọng nhất trong cấu trúc phân lớp của WiMAX (lớp Vật lý và lớp MAC)

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ WiMAX DI

ĐỘNG

2.1 Giới thiệu về WIMAX di động:

WiMAX di động là giải pháp không dây băng rộng cho phép hội tụ máy di động

và mạng băng rộng cố định thông qua công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng chung và kiến trúc mạng linh hoạt Giao diện vô tuyến trong WiMAX di động chọn sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA nhằm nâng cao hiệu ứng đa đường trong môi trường NLOS Trong phần bổ sung IEEE 802.16e đã giới thiệu kỹ thuật SOFDMA (Scalable OFDMA) hỗ trợ các băng thông kênh truyền nhiều mức từ 1.25 MHz đến 20 MHz Nhóm kỹ thuật di động (Mobile Technical Group – MTG), thuộc diễn đàn WiMAX, hiện đang phát triển các mô tả hệ thống WiMAX di động bao gồm các đặc tính bắt buộc cũng như các đặc tính tùy chọn để diễn đàn WiMAX thông qua Các mô tả này cho phép các hệ thống di động được cấu hình dựa vào một tập hợp các đặc tính

cơ sở chung, bởi vậy đảm bảo ranh giới về mặt chức năng giữa các thiết bị đầu cuối với trạm gốc BS (base station) Một số phần tử trong cấu hình trạm gốc là tùy chọn để tăng thêm tính mềm dẻo trong triển khai hệ thống, có thể hoặc tối

ưu về dung lượng hệ thống hoặc tối ưu về vùng phủ Các đặc tả WiMAX di động Release-1 sẽ bao gồm các kênh có băng thông là 5, 7, 8.75 và 10 MHz tại các dải tần được cấp phép là 2.3 GHz, 2.5 GHz và 3.5 GHz

Hình 2.1: Đặc tả hệ thống WiMAX di động Release-1

Hệ thống WiMAX di động có khả năng phân chia nhiều mức (scalability) trong

cả công nghệ truy nhập vô tuyến và kiến trúc mạng, vì vậy cho phép linh hoạt tùy chọn khi triển khai mạng, cũng như các lợi ích về mặt dịch vụ Sau đây là một số đặc tính nổi bật của WiMAX di động:

ƒ Tốc độ thông tin cao (High Data Rate): Việc kết hợp công nghệ anten MIMO, cùng với việc phối hợp sắp xếp các kênh con linh hoạt, điều chế và mã hóa nâng cao cho phép công nghệ WiMAX di động có thể cung cấp tốc độ download dữ liệu lớn nhất lên đến 63 Mbps, tốc độ upload dữ liệu lớn nhất lên đến 28 Mbps trên một sector kênh 10MHz

ƒ Chất lượng dịch vụ QoS (Quality of Service): Tiên đề cơ sở của kiến trúc MAC IEEE 802.16 là chất lượng dịch vụ Nó định nghĩa các luồng dịch vụ có thể sắp xếp các điểm mã dịch vụ phân biệt (DiffServ code points) hoặc các nhãn luồng MPLS để thực hiện IP trên cơ sở QoS từ cuối đến cuối

ƒ Tính mở rộng (Scalability): Nền kinh tế toàn cầu đang tăng trưởng nhanh, tài nguyên phổ tần cho thông tin vô tuyến băng rộng trên toàn thế giới được phân bổ khác nhau Bởi vậy, công nghệ WiMAX di động được thiết kế cho phép phân chia các kênh hoạt động từ băng tần 1.25 MHz đến 20 MHz nhằm tuân theo những yêu cầu thường thay đổi của thế giới, nhiều nỗ lực đang được tiến hành để đạt được sự cân đối phổ tần trong thời gian dài hơn Điều này cũng cho phép các nền kinh tế khác nhau nhận thức được các lợi ích nhiều khía cạnh của công nghệ WiMAX di động đối với những yêu cầu về mặt địa lý riêng biệt của

họ, chẳng hạn việc cung cấp khả năng kết nối Internet ở vùng nông thôn hay việc nâng nâng cao dung lượng truy nhập băng rộng di động

ở khu vực đô thị và khu vực ngoại ô

ƒ Tính bảo mật (Security): Đặc tính bảo mật trong WiMAX di động là tốt nhất với việc nhận thực trên cơ sở giao thức EAP (Extensible Authentication Protocol), mật mã hóa nhận thực trên cơ sở AES-CCM

(Advanced Encryption Standard – Counter with Cipher block chaining

Message authentication code), CMAC và HMAC dựa vào các chiến

lược bảo vệ thông điệp điều khiển (control message)

ƒ Tính di động (Mobility): WiMAX di động cung cấp các sơ đồ chuyển giao tối ưu với độ trễ nhỏ hơn 50 ms cho các ứng dụng thời gian thực chẳng hạn như VoIP mà không làm giảm chất lượng dịch vụ Các sơ

đồ quản lý mềm dẻo đảm bảo duy trì tính bảo mật trong suốt quá trình chuyển giao

2.2 Kiến trúc mạng WiMAX di động

Hình 2.2: Kiến trúc mạng WiMAX di động

Để thiết lập một mạng WiMAX di động ta cần có các trạm phát BS (giống BS

của mạng thông tin di động) Nhiều BS sẽ được kết nối, quản lý bởi một cổng mạng truy nhập dịch vụ - ASN (Access Service Network) gateway ASN Gateway là thực thể miêu tả trong WiMAX Forum, và còn được gọi là WAC (WiMAX hay Wireless Access Controller) Nhiều WAC tập hợp lại tạo thành một ASN Nhiều ASN của cùng một nhà khai thác (operator) tạo thành một NAP (Network Access Provider) Nhiều nhà khai thác khác nhau sẽ có thể triển khai nhiều mạng truy nhập khác nhau, rồi chúng sẽ cùng kết nối với một hoặc nhiều CSN (Core Service Network)

ASN định nghĩa một đường biên logic và biểu diễn theo một cách thuận lợi để

mô tả tập hợp các thực thể chức năng và các luồng bản tin tương ứng kết hợp với các dịch vụ truy cập ASN biểu diễn đường biên cho các chức năng dịch vụ kết nối WiMAX và tập các chức năng của nhiều nhà cung cấp khác nhau CSN được định nghĩa là một tập các chức năng mạng cung cấp các dịch vụ kết nối IP cho các thuê bao WiMAX Một CSN có thể gồm các phần tử mạng như router (bộ định tuyến), máy chủ/proxy nhận thực AAA, cơ sở dữ liệu người dùng và thiết bị cổng liên mạng Một CSN có thể được triển khai như một phần của nhà cung cấp dịch vụ mạng WiMAX

2.3 Phổ tần của WiMAX di động

Để tận dụng những ưu điểm và lợi ích của hệ thống WiMAX di động, việc phân

bổ phổ tần thường được phân chia thành các khối lớn Điều này cho phép hệ thống được triển khai ở chế độ TDD với các kênh truyền băng thông rộng, tái sử dụng tần số linh hoạt và giảm thiểu việc sử dụng kém hiệu quả phổ tần do các khoảng bảo vệ (guard bands), cho phép cùng tồn tại các nhà khai thác cạnh nhau Một hoạt động quan trọng khác cho diễn đàn WiMAX là cộng tác với các

tổ chức tiêu chuẩn trên thế giới để xúc tiến việc cấp phát phổ tần ở băng tần thấp ( <6 GHz) Thêm vào đó, cần quy hoạch việc cấp phát phổ tần để tối thiểu hóa

số chủng loại thiết bị cần có để có thể phủ hết thị trường toàn cầu

Cấu hình hoạt động của những hệ thống đầu tiên được phát triển bởi WiMAX Forum cho tiêu chuẩn giao diện không gian 802.16-2005 trong các dải tần được cấp phép 2.3 GHz, 2.5 GHz và 3.5 GHz Băng 2.3 GHz đã được sử dụng ở Hàn Quốc cho các dịch vụ WiBro dựa vào công nghệ WiMAX di động Với việc cấp một khối phổ tần 27 MHz cho mỗi nhà cung cấp, băng tần này sẽ cho phép triển khai TDD với 3 kênh trên mỗi trạm gốc và độ rộng băng thông danh định là 8.75 MHz Các dịch vụ WiBro triển khai vào năm 2006 với những sản phẩm được chứng nhận WiMAX

Băng tần 2.5 đến 2.7 GHz vẫn đang còn trống cho các dịch vụ không dây di động và cố định tại Mỹ Băng tần này vẫn chưa được sử dụng nhiều và đang còn trống ở nhiều nước khắp Nam Mỹ, Châu Âu và một số nước ở khu vực Châu Á - Thái Bình Dương

Băng tần 3.5 GHz hiện đã được cấp phép cho các dịch vụ không dây cố định ở nhiều nước trên thế giới và cũng rất thích hợp cho các giải pháp WiMAX cho cả các dịch vụ di động và cố định

2.4 Lớp vật lý WiMAX

Lớp vật lý của WiMAX được xây dựng trên cơ sở phương pháp ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) OFDM là phương thức truyền dẫn tốc độ cao trong môi trường NLOS và vô tuyến đa đường, được lựa chọn cho các dịch

vụ đa phương tiện, video, truyền tốc độ dữ liệu cao, và được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống băng rộng bao gồm DSL,Wifi , truyền hình kỹ thuật số quảng

bá DVB-H [12]

2.4.1 Cơ bản về OFDM

OFDM là công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao-một kỹ thuật hấp dẫn sử dụng cho các hệ thống truyền thông dữ liệu tốc độ cao Công nghệ này được phát triển từ 2 kĩ thuật quan trọng là ghép kênh phân chia theo tần số (FDM) và truyền thông đa sóng mang

Hình 2.3: Kiến trúc cơ bản của hệ thống OFDM

Trong hệ thống OFDM, luồng số liệu đầu vào được chia ra thành các luồng con song song với tốc độ số liệu nhỏ hơn, do đó làm tăng khoảng thời gian của ký hiệu, mỗi luồng nhỏ được điều chế và truyền trên một sóng mang trực giao Hơn nữa, việc sử dụng tiền tố lặp-CP (cyclic frefix) có thể loại trừ hoàn toàn xuyên nhiễu giữa các ký hiệu (ISI) miễn là thời lượng CP lâu hơn trễ kênh lan truyền

CP là một sự lặp lại một đoạn cuối của khối số liệu và được gán tới đầu của đoạn tải số liệu như được chỉ ra trong hình 2.4

Hình 2.4: Mặt cắt của Cyclic Prefix

Sử dụng CP để chống lại xuyên nhiễu giữa các ký hiệu và tạo cho kênh “xuất hiện” vòng tròn Một trong những nhược điểm của CP là làm giảm hiệu quả của băng thông do sử dụng thêm ở phần tiêu đề Do phổ OFDM có hình rất nhọn giống như “brick-wall”, một phần lớn băng thông kênh được sử dụng cho truyền

số liệu nên giúp giảm ảnh hưởng trong việc sử dụng CP

Hình 2.5: Mật độ phổ năng lượng của tín hiệu điều chế OFDM

OFDM có thể triển khai trên nhiều dải tần số khác nhau với đa kênh bằng cách

sử dụng mã hoá và thông tin tại sóng mang con trước khi đưa vào truyền dẫn

các sóng mang con Nguồn tài nguyên “tần số” và “thời gian” có thể được tổ chức thành các kênh con dùng cho việc phân bổ tới từng người sử dụng riêng rẽ Mỗi hình chữ nhật là một kênh con độc lập và được cấp cho những người sử dụng khác nhau [11]

2.4.2 Cấu trúc ký hiệu OFDMA và kênh con hóa

Hình 2.7: Mô hình kênh con hóa OFDM

OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access) là phương thức

đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao, cung cấp hoạt động ghép kênh luồng số liệu cho đa người sử dụng vào các kênh con đường xuống và đa truy nhập đường đa đường lên bằng phương tiện kênh con đường lên

OFDMA là công nghệ đa sóng mang phát triển trên nền kỹ thuật OFDM Trong OFDMA, một số sóng mang con, không nhất thiết là phải nằm kề nhau được gộp lại thành kênh con (sub-channel) và các user khi truy cập vào tài nguyên sẽ được cấp cho một hay nhiều kênh con để truyền nhận tùy theo yêu cầu lưu lượng

cụ thể [12]

OFDMA có một số ưu điểm như là tăng khả năng linh hoạt, thông lượng và tính

ổn định được cải thiện Việc ấn định các kênh con cho các thuê bao cụ thể, có thể xảy ra đồng thời với việc truyền nhận từ một số thuê bao mà không cần sự can thiệp nào, do đó sẽ giảm những tác động như nhiễu đa truy nhập (Multi Access Interference-MAI)

OFDMA cho phép nhiều người dùng truy nhập các sóng mang con cùng một lúc Ở mỗi đơn vị thời gian, tất cả các người dùng có thể truy nhập Việc ấn định các sóng mang con cho một người dùng có thể thay đổi ở mỗi đơn vị thời gian

Cấu trúc ký hiệu OFDMA bao gồm 3 kiểu sóng mang con như được chỉ ra trong hình sau:

ƒ Sóng mang con số liệu cho truyền dẫn số liệu

ƒ Sóng mang con dẫn đường (Pilot) cho mục đích ước lượng và đồng bộ hoá

ƒ Sóng mang con Null (DC) không sử dụng cho truyền dẫn, được sử dụng cho phần băng thông an toàn và tải mang DC

Hình 2.8: Cấu trúc sóng mang con OFDMA

Sóng mang con (số liệu và pilot) được nhóm thành từng nhóm gọi là kênh con Lớp vật lý WiMAX OFDMA hỗ trợ kênh con hoá trong cả DL và UL Khối nguồn tài nguyên thời gian-tần số tối ưu cho kênh con hoá là một khe, bằng 48 tone số liệu (sóng mang con)

Có 2 kiểu hoán vị sóng mang con cho kênh con hoá: phân tán và kề nhau Sự hoán vị phân tán dẫn đến các sóng mang con giả ngẫu nhiên để hình thành một kênh con Sự hoán vị này mang đến tính đa dạng tần số và trung bình xuyên nhiễu giữa các cell Sự hoán vị phân tán bao gồm DL FUSC (Sóng mang con sử dụng hoàn toàn), DL PUSC (Sóng mang con sử dụng một phần), UL PUSC và các hoán vị tuỳ chọn thêm Với DL PUSC, mỗi cặp ký hiệu OFDM, các sóng mang con có thể sử dụng hoặc khả dụng được nhóm thành các nhóm (cluster) chứa 14 sóng mang liền kề trên một ký hiệu, với sự phân bổ pilot và số liệu trên mỗi nhóm trong các ký hiệu chẵn và lẽ như hình 2.9

Nguyên lý sắp xếp lại được sử dụng để hình thành nhóm các cluster Một kênh con trong nhóm chứa 2 cluster và được được tạo bởi 48 sóng mang con số liệu

và 8 sóng mang con pilot Các sóng mang con số liệu trong mỗi nhóm được tiếp tục hoán vị để tạo thành các kênh con trong phạm vi nhóm Vì vậy, chỉ các vị trí

dẫn đường trong cluster là được biểu thị trong hình trên.Các song mang con dữ liệu trong cluster được phân bổ cho nhiều kênh con

Hình 2.9: Kênh con phân tập tần số DL

Tương tự với cấu trúc nhóm cho DL, cấu trúc kiểu lợp ngói (tile) được xác định cho UL PUSC có định dạng như hình 2.10

Hình 2.10: Cấu trúc tile của UL PUSC

Không gian sóng mang con hiệu dụng được chia thành các tile, được chọn từ phổ bằng sơ đồ hoán vị/ sắp xếp lại, sau đó được nhóm thành một khe bao gồm

48 sóng mang số liệu và 24 sóng mang pilot trong 3 ký hiệu OFDM

Hoán vị liền kề nhóm một khối các sóng mang con liền kề để hình thành kênh con Hoán vị liền kề bao gồm DL AMC và UL AMC, và có cùng một cấu trúc Một “thùng” (bin) bao gồm 9 sóng mang con trong một ký hiệu, trong đó 8 sóng mang con được gán cho số liệu và 1 sóng mang con được gán cho pilot Một khe (slot) trong AMC được xác định như là một tập hợp các bin với kiểu (N*M=6), trong đó N là số bin liền kề và M là số ký hiệu liền kề Do đó, các kiểu hoán vị này có thể là (6 bin, 1 ký hiệu, 3 bin, 2 ký hiệu, 1 bin 6 ký hiệu) Hoán vị AMC cho phép nhiều người sử dụng bằng cách chọn kênh con với sự phản hồi tần số tốt nhất

Nói chung, kiểu hoán vị sóng mang con phân tán thực hiện tốt trong các ứng dụng di động trong khi đó hoán vị sóng mang con liền kề lại phù hợp tốt cho môi trường di động thấp, hoặc có thể lưu động hoặc cố định Những tuỳ chọn này cho phép người thiết kế hệ thống lựa chọn ra kiểu hoán vị phù hợp với hệ thống của mình [12]

2.4.4 OFDMA theo tỷ lệ xích (S-OFDMA)

Đây là một đặc điểm bổ sung cho IEEE 802.16e để hỗ trợ chuyển giao dễ dàng Trong OFDM-TDMA và OFDMA, số lượng sóng mang con thường được giữ bằng nhau với phổ có sẵn Số sóng mang con không thay đổi dẫn đến không gian sóng mang con thay đổi trong các hệ thống khác nhau Điều này làm cho việc chuyển giao giữa các hệ thống gặp khó khăn Ngoài ra, mỗi hệ thống cần một thiết kế riêng và chi phí cao

OFDMA theo tỉ lệ xích (S-OFDMA) giải quyết các vấn đề này bằng cách giữ cho không gian sóng mang con không thay đổi Nói cách khác, số sóng mang con có thể tăng hoặc giảm với những thay đổi trong một băng tần cho trước Ví

dụ, nếu một băng tần 5MHz được chia thành 512 sóng mang con, một băng tần 10MHz sẽ được chia thành 1024 sóng mang con

Bởi vì không gian sóng mang con là giữ nguyên trong S-OFDMA nên một máy

di động có thể chuyển giao giữa các hệ thống một cách suôn sẻ Ngoài ra, với không gian sóng mang con không thay đổi, một thiết kế là phù hợp cho nhiều hệ thống và có thể tái sử dụng Chi phí cho thiết kế và sản phẩm sẽ thấp hơn

Cụ thể hơn thì S-OFDMA hỗ trợ một khoảng rộng băng thông để giải quyết một cách mềm dẻo việc phân chia phổ thay đổi và đáp ứng các yêu cầu khác hữu ích Khả năng thay đổi tỷ lệ xích (scability) thực hiện bằng cách điều chỉnh kích thước FFT trong khi vẫn cố định khoảng cách tần số cho một sóng mang là 10.94 kHz Do băng thông sóng mang con và độ dài của ký tự là cố định, tác động tới lớp cao hơn là nhỏ khi thay đổi băng tần Các tham số S-OFDMA được

mô tả trong bảng 3.1 Băng tần hệ thống của profile ban đầu được phát triển với phiên bản-1 là 5 và 10 MHz (được tô sáng trong bảng)

Parameters Values

FFT Size (NFFT) 128 512 1024 2048

Bảng 2.1: Các tham số tỉ lệ OFDMA 2.4.5 So sánh OFDM và OFDMA

Theo kỹ thuật ghép kênh cơ bản thì OFDM được sử dụng cho định dạng 802.16 - 2004 rất phù hợp với các ứng dụng cố định, trong khi chuẩn 802.16e lại

sử dụng OFDMA lại đặc biệt thích hợp với mục đích ứng dụng trong di dộng và

về bản chất OFDM ít phức tạp hơn so với SOFDMA

Hình 2.11: Tương quan so sánh giữa OFDM và SOFDMA

OFDMA tạo cho các định dạng 802.16e linh hoạt hơn rất nhiều trong việc quản

lý các dịch vụ người dùng khác nhau với nhiều kiểu anten và yếu tố hình dạng khác nhau, làm giảm bớt can nhiễu cho các thiết bị khách hàng có anten đẳng

hướng và khả năng truyền NLOS được cải thiện - những yếu tố rất cần thiết khi

hỗ trợ các thuê bao di động Việc tạo kênh phụ thuộc sẽ xác định các kênh con

để có thể gán cho các thuê bao khác nhau, tùy thuộc vào trạng thái kênh và các yêu cầu dữ liệu của chúng Điều này tạo điều kiện cho các nhà khai thác linh hoạt hơn trong việc quản lý băng thông và công suất phát, từ đó dẫn đến việc sử dụng tài nguyên hiệu quả hơn

Trong OFDM, tất cả các sóng mang đều được phát đi một cách song song với cùng một biên độ trong khi OFDMA chia không gian sóng mang thành NG nhóm mỗi nhóm có NE sóng mang và NE kênh con, mỗi kênh con này mang một sóng mang cho mỗi nhóm Việc tạo kênh con này giúp cải thiện hiệu năng khi công suất phát từ một thiết bị người dùng bị hạn chế Chẳng hạn trong OFDMA có

2048 sóng mang biến đổi thành NE = 32 và NG = 48 trong tuyến xuống và NG =

53, NE =32 trong tuyến lên với các sóng mang còn lại được dùng cho các băng bảo vệ và báo hiệu

Hình 2.12: So sánh OFDM và OFDMA

Trong OFDM, các thiết bị người dùng phát đi bằng cách sử dụng toàn bộ một kênh cùng một lúc như hình vẽ bên dưới Trong khi đó, OFDMA hỗ trợ đa truy nhập cho phép người dùng chỉ phát đi qua các kênh con được gán cho chúng Như ví dụ trên, nếu 2048 sóng mang và 32 kênh con, nếu chỉ một kênh

con được gán cho một thiết bị thì toàn bộ công suất phát ra sẽ được tập trung trong 1/32 phổ khả dụng và có thể đem lại một độ lợi 15dB so với OFDM Hơn thế nữa, hình thức đa truy nhập này là đặc biệt có lợi khi sử dụng các kênh rộng

Hình 2.13: Đường lên trong OFDM và OFDMA

Trong OFDM, các thiết bị người dùng được gán các khe thời gian để phát, nhưng chỉ một thiết bị người dùng có thể phát trong một khe thời gian duy nhất Trong OFDMA, việc tạo kênh con cho phép một số thiết bị được phát trong tại cùng một thời điểm thông qua các kênh con được gán cho chúng

2.4.6 Cấu trúc khung TDD

Hình 2.14: Cấu trúc khung TDD của WiMAX di động

PHY 802.16e hỗ trợ TDD, FDD và hoạt động FDD bán song công (half-duplex) Tuy nhiên, phiên bản ban đầu của profile WiMAX di động chỉ có với chế độ TDD Với phiên bản đang được nghiên cứu, profile FDD sẽ được xem xét bởi diễn đàn WiMAX để tạo ra các cơ hội kinh doanh mới cho những nơi có các yêu cầu về phổ nội hạt hoặc cấm đối với TDD, phù hợp hơn với triển khai FDD TDD là một ứng dụng của công nghệ đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA (Time Division Multiple Access) để phân tách tín hiệu đi và tín hiệu về TDD có một tiện ích lớn trong trường hợp bất đối xứng giữa tốc độ dữ liệu đường lên và và đường xuống Khi số liệu đường lên tăng lên thì sẽ có một dải thông rộng hơn có thể phân phối cho nó giông như trước khi nó được co lại để

có thể truyền đi Một tiện ích khác khiến TDD được sử dụng trong WiMAX di động thế hệ đầu là đường tín hiệu radio đường lên và đường xuống là rất giống trong hệ thống di chuyển chậm điều đó có nghĩa là các công nghệ như tạo búp sóng (beamforming) làm việc rất tốt với hệ thống TDD Sự sắp xếp có hệ thống của TDD có thể cấp phát một cách linh hoạt số lượng khe thời gian cho hai chiều truyền và nhận dữ liệu, điều này đặc biệt quan trọng trong các đường truyền Internet với tỉ lệ UL/DL không bị bắt buộc phải là 50/50 Xét một cách tổng quát thì TDD có thể mang lại sự linh hoạt cũng như giúp nâng cao năng lực của hệ thống lên rất nhiều Tuy nhiên, việc sử dụng TDD trong phiên bản đầu này của WiMAX di động gặp phải một nhược điểm đó là bị hạn chế bởi dài tần nhỏ

Để tăng tính hiệu quả, TDD chia dòng dữ liệu ra thành nhiều khung và với mỗi khung này lại chia thành các khe thời gian để truyền đi và nhận về

Đối với vấn đề xuyên nhiễu, TDD không yêu cầu sự đồng bộ hệ thống ở diện rộng, trái lại TDD sẽ ưu tiên chế độ song công vì những lý do sau:

ƒ TDD cho phép điều chỉnh tỷ số đường xuống/đường lên để hỗ trợ lưu lượng đường xuống/đường lên một cách hiệu quả, trong khi đó với FDD, đường xuống và đường lên luôn luôn bị cố định

ƒ TDD đảm bảo sự trao đổi kênh để hỗ trợ khả năng điều chỉnh đường truyền, anten MIMO và các công nghệ anten tiên tiến khác

ƒ Không giống như FDD với việc yêu cầu một cặp kênh, TDD chỉ yêu cầu một kênh đơn cho cả đường xuống và đường lên, điều này dẫn đến mềm dẻo hơn đối với sự phân chia phổ thay đổi