Nghiên cứu phương pháp chuyển giao trong mạng wimax di độn

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮTAAS Advanced Antenna Systems - Các hệ thống anten thích nghiAES Advanced Encryption Standard - Chuẩn mã hóa nâng cao AK Authentication Key - Khóa chứng thực ARQ A

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành chương trình cao học và viết luận văn này, tôi đã nhận được sựhướng dẫn, giúp đỡ và góp ý nhiệt tình của quý thầy cô trường Đại học Công nghệthông tin và truyền thông – Đại học Thái Nguyên

Trước hết, tôi xin chân thành cảm ơn đến quí thầy cô trường Đại học Côngnghệ thông tin và truyền thông – Đại học Thái Nguyên, đặc biệt là những thầy cô đãtận tình dạy bảo cho tôi suốt thời gian học tập tại trường

Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến TS Phạm Thanh Giang đã dành rất nhiều thờigian và tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu và giúp tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Công nghệ thông tin

và truyền thông – Đại học Thái Nguyên đã tạo rất nhiều điều kiện để tôi học tập vàhoàn thành tốt khóa học

Xin cảm ơn các bạn bè, đồng nghiệp đã tạo diều kiện cũng như đã chỉ bảo tôi rấtnhiều trong thời gian thực hiện luận văn này

Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn gia đình đã động viên và tạo mọi điều kiệnthuận lợi để tôi có được kết quả như ngày hôm nay

Thái Nguyên, ngày 01 tháng 6 năm 2013

Học viên Lương Phúc Thanh

LỜI CAM ĐOANTôi xin cam đoan đề tài luận văn “Nghiên cứu phương pháp chuyển giao trong mạng wimax di động” là công trình nghiên cứu của bản thân tôi Các số liệu, kết quả

nghiên cứu nêu trong luận văn này là trung thực và không sao chép y nguyên từ một côngtrình nào khác Tôi xin chịu trách nhiệm về luận văn của mình

Thái Nguyên, tháng 06/2013

Người viết luận văn

Lương Phúc Thanh

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

DANH SÁCH BẢNG BIỂU vii

DANH SÁCH HÌNH ẢNH, HÌNH VẼ, SƠ ĐỒ viii

PHẦN MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I 3

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX 3

1.1 Giới thiệu về công nghệ WiMAX 3

1.1.1 Mở đầu 3

1.1.2 Sự phát triển của công nghệ WiMAX 3

1.1.3 Hoạt động WiMAX 4

1.1.4 Đặc điểm của WiMAX 5

1.2 Hệ thống chuẩn IEEE 802.16 8

1.2.1 Chuẩn 820.16 - phê duyệt vào tháng 12/2001: 8

1.2.2 Chuẩn 802.16a- 29/1/2003: 8

1.2.3 Chuẩn 802.16d( 802.16-2004)- 6/2004: 9

1.2.4 Chuẩn 802.16e - 2005 9

1.2.5 Các bổ sung cho chuẩn đang trong quá trình nghiên cứu: 9

1.3 Kiến trúc mạng WiMAX 10

1.3.1 Kiến trúc mạng WiMAX 10

1.3.1.1 Mạng dịch vụ truy nhập ASN 12

1.3.1.2 Mạng dịch vụ kết nối CSN 12

1.3.2 Cấu hình mạng 12

1.3.3 Mô hình tổng quát mạng WiMAX 14

1.4 Lớp vật lý (PHY) của WiMAX di động 14

1.4.1 Cơ sở OFDMA 14

1.4.2 Cấu trúc ký hiệu OFDMA và kênh con hoá 15

1.4.3 OFDMA theo tỉ lệ (scalable) 17

1.4.4 Cấu trúc khung TDD 18

1.5 Lớp MAC của WiMAX di động 19

1.5.1 Cấu trúc lớp MAC 19

1.5.2 Các dịch vụ MAC 22

1.5.3 Quản lý tính di động 25

1.5.4 An ninh 27

1.6 Các đặc trưng tiên tiến của WiMAX di động 28

1.6.1 Công nghệ anten thông minh 28

1.6.2 Tái sử dụng phân đoạn tần số 31

1.6.3 Dịch vụ đa hướng và quảng bá (MBS) 33

CHƯƠNG II 35

PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN GIAO TRONG WIMAX DI ĐỘNG 35

2.1 Khái niệm chuyển giao 35

2.2 Phân loại chuyển giao 35

2.2.1 Chuyển giao cứng (HHO): 35

2.2.2 Chuyển giao đa dạng (MDHO): 36

2.2.3 Chuyển giao mềm: 37

2.3 Quy trình chuyển giao 37

2.3.1 Chọn lại tế bào: 40

2.3.2 Quyết định chuyển giao 44

2.3.3 So sánh Phương pháp chuyển giao 46

2.4 Quản lý năng lượng 47

2.4.1 Chế độ ngủ 47

2.4.2 Chế độ nhàn rỗi 48

CHƯƠNG III: 50

MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN GIAO TRONG WIMAX DI ĐỘNG BẰNG NS2 50

3.1 Giới thiệu công cụ mô phỏng 50

3.2 Kịch bản mô phỏng và môi trường mô phỏng 56

3.2.1 Môi trường mô phỏng 56

3.2.2 Cài đặt NS2 và Add các Module mô phỏng 56

3.2.3 Kịch bản mô phỏng 62

3.2.4 Các thành phần 64

3.2.5 Kết quả mô phỏng 65

3.3 Kết luận 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 70

PHỤ LỤC 71

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮTAAS Advanced Antenna Systems - Các hệ thống anten thích nghi

AES Advanced Encryption Standard - Chuẩn mã hóa nâng cao

AK Authentication Key - Khóa chứng thực

ARQ Automatic Repeat reQuest - Tự động lặp lại yêu cầu

BER Bit Error Rate - Tỉ lệ lỗi bit

BPSK Binary Phase Shift Keying - điều chế pha nhị phân

CDMA Code Division Multiple AcceMS - Đa truy cập phân chia theo mãCID Connection Identifier - Định danh kết nối

CP Cyclic Prefix - Tiền tố vòng

CRC Cyclic Redundancy Check - Kiểm tra lỗi dư vòng

DFS Dynamic Frequency Selection – Lựa chọn tần số động

FDD Frequency Division Duplex - Ghép kênh phân chia theo tần số

GSM Global System for Mobile communications - Hệ thống thông tin di

động toàn cầu

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers - Học Viện của các

Kỹ Sư Điện và Điện Tử

LOS Line Of Sight - Tầm nhìn thẳng

MAC Media AcceMS Control - Điều khiển truy nhập môi trường

MAN Metropolitan Area Network – Mạng đô thị

MDHO Macro Diversity Handover - Chuyển giao đa dạng

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

MISO Multiple Input Single Output - Nhiều đầu vào, một đầu ra

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

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing - Ghép kênh phân chia

theo tần số trực giao

OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple AcceMS - Đa truy cập ghép

kênh chia tần số trực giao

PDU Packet Data Unit - Đơn vị gói dữ liệu

QoS Quality of Service - Chất lượng dịch vụ

RF Radio Frequency - Tần số vô tuyến

SA Security AMSociation – Tập hợp bảo mật

SDU Service Data Unit - Đơn vị dữ liệu dịch vụ

SNR Signal-to-Noise Ratio – Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu

MS Subscriber Station - Trạm thuê bao

TDM Time Division Multiplexing – Ghép kênh phân chia theo thời gianTEK Traffic Encryption Key - Khóa mã hóa lưu lượng

WiMAX Worldwide interoperability for Microwave AcceMS

WLAN WireleMS Local Area Network – Mạng cục bộ không dây

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Tổng kết các chuẩn 802.16 9

Bảng 1.2: Các thông số S-OFDMA 18

Bảng 1.3: Chất lượng dịch vụ và ứng dụng WiMAX di động 23

Bảng 1.4: Các lựa chọn anten tiên tiến 29

Bảng 1.5: Các tốc độ dữ liệu cho cấu hình SIMO/MIMO 30

DANH SÁCH HÌNH ẢNH, HÌNH VẼ, SƠ ĐỒ

Hình 1.1: Mô hình phân lớp trong hệ thống WiMax so sánh với OSI 7

Hình 1.2: Mô hình tham chiếu mạng Wimax 10

Hình 1.3: Kiến trúc mạng WiMAX trên cơ sở IP 11

Hình 1.4: Cấu hình điểm đa điểm WiMAX 13

Hình 1.5: Cấu hình mạng mắt lưới WiMAX 13

Hình 1.6: Mô hình tổng quát mạng WiMAX 14

Hình 1.7: Kiến trúc cơ bản của một hệ thống OFDM 14

Hình 1.8: Mô tả CP trong cấu trúc OFDM 15

Hình 1.9: Cấu trúc sóng mang con OFDMA 17

Hình 1.10: Kênh con phân tập tần số DL 17

Hình 1.11: Cấu trúc tile cho UL PUSC 19

Hình 1.12: Cấu trúc khung WiMAX OFDMA 19

Hình 1.13: Phân lớp MAC và các chức năng 19

Hình 1.14: Định dạng MAC PDU 20

Hình 1.15: Hỗ trợ QoS WiMAX di động 23

Hình 1.16: Chuyển mạch thích ứng cho anten thông minh 31

Hình 1.17: Cấu trúc khung đa vùng 32

Hình 1.18: Tái sử dụng phân đoạn tần số 32

Hình 1.19: Hỗ trợ MBS được ấn định với WiMAX di động các vùng MBS .34 Hình 2.1: Mô tả chuyển giao cứng 36

Hình 2.2 : Mô tả các thủ tục thực hiện trong quá trình lựa chọn tế bào 38

Hình 2.3 : Lựa chọn tế bào khác nhau 41

Hình 2.4 : Tin Nhắn trong việc MS khởi xướng chuyển giao .43

Hình 3.1: Tổng quan về NS dưới góc độ người dung 50

Hình 3.2 : Luồng các sự kiện cho file Tcl chạy trong NS .52

Hình 3.3 : Kiến trúc của NS-2 53

Hình 3.4: C++ và OTcl: Sự đối ngẫu .53

Hình 3.5: TclCL hoạt động như liên kết giữa A và B .54

Hình 3.6: Cập nhật Ubuntu…… ……… 57

Hình 3.7: Giao diện chạy thử TCL 61

Hình 3.8: Giao diện chạy thử NAM 62

Hình 3.9: Kịch bản mô phỏng .63

Hình 3.10: Thời chuyển giao cho chuyển giao đầu tiên .67

Hình 3.11: Thời chuyển giao cho chuyển giao thứ hai 68

PHẦN MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, các dịch vụ ứng dụng trên Internet đã có bước pháttriển bùng nổ với nhiều loại hình dịch vụ mới như các dịch vụ mua bán trực tuyến,ngân hàng, du lịch hay các dịch vụ đào tạo từ xa, game trực tuyến Cùng với sự pháttriển bùng nổ của các loại hình dịch vụ trên Internet, các công nghệ truy cập cũng liêntục được phát triển để đáp ứng những đòi hỏi ngày càng cao về băng thông cho truycập Internet Các công nghệ truy cập băng rộng đã được phát triển nhanh chóng trongnhững năm gần đây bao gồm các công nghệ truy cập hữu tuyến và công nghệ vô tuyến.Một loạt các chuẩn về mạng truy cập băng rộng đã được nhiều tổ chức nghiên cứu,xây dựng và phát triển như chuẩn IEEE 802.11x, IEEE 802.15, IEEE 802.16, IEEE802.20, HIPERLAN 1/2, HomeRF, chuẩn Bluetooth,vv Phạm vi ứng dụng của cácchuẩn này bao trùm từ mạng cá nhân (PAN), mạng nội bộ (LAN), mạng diện rộng(MAN) và mạng diện rộng (WAN)

Hệ thống WiMAX được sản xuất dựa trên họ tiêu chuẩn IEEE 802.16 đang đượccác hãng cung cấp thiết bị cũng như nhà cung cấp dịch vụ quan tâm đặc biệt Các hệthống WiMAX cố định dựa trên chuẩn 802.16-2004 đã được sản xuất, đưa vào thửnghiệm và đã được diễn đàn WIMAX cấp chứng nhận đã cho thấy rõ những ưu điểmcủa công nghệ này Hệ thống WiMAX di động dựa trên tiêu chuẩn 802.16e cũng đangđược các nhà cung cấp thiết bị lên kế hoạch để đưa thiết bị vào thử nghiệm trong thờigian tới

WiMax tập trung giải quyết các vấn đề trong mạng vô tuyến ngoài trời băngrộng điểm – điểm, điểm – đa điểm Hoạt động của WiMAX rất mềm dẻo và tương tựnhư của WiFi khi truy cập mạng tức là khi một máy tính có nhu cầu truy cập mạng thì

nó sẽ tự động kết nối đến trạm anten WiMAX gần nhất Hệ thống WiMAX cũng đảmbảo cung cấp dịch vụ trong khi di chuyển giữa các BS WiMAX Tuy nhiên việc dichuyển giữa các BS gây trễ một khoảng thời gian để thực hiện việc chuyển giao gây

gián đoạn kết nối và ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ Mục tiêu của đề tài “Nghiên cứu phương pháp chuyển giao trong mạng wimax di động” tìm hiểu về mạng

WiMAX, phương pháp chuyển giao trong mạng WiMAX và đánh giá về độ trễ chuyểngiao trong một số mô hình mạng WiMAX Luận văn tốt nghiệp sẽ gồm 03 chương cụthể như sau:

Chương I: Tổng quan công nghệ wimax di động

Giới thiệu lịch sử, quá trình phát triển wimax và hệ thống chuẩn 802.16

Tìm hiểu cấu trúc lớp vật lý (PHY) và lớp MAC của wimax di động

Các đặc trưng tiên tiến của Wimax di động

Chương II: Phương pháp chuyển giao trong công nghệ wimax di động.

Đi sâu nghiên cứu các phương pháp chuyển giao và quá trình chuyển giao đểtiến hành đánh giá hiệu suất các phương pháp chuyển giao

Chương III: Mô phỏng phương pháp chuyển giao trong Wimax

Giới thiệu công cụ mô phỏng NS2, xây dựng kịch bản mô phỏng và đánh giá kếtquả mô phỏng

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX 1.1 Giới thiệu về công nghệ WiMAX.

1.1.1 Mở đầu.

WiMAX (World interoperability for Microwave AcceMS): Khả năng khai thác

liên mạng trên toàn cầu đối với truy nhập vi ba, là một công nghệ dựa trên các chuẩn,cho phép truy cập băng rộng vô tuyến đến đầu cuối (last mile) như một phương thứcthay thế cho cáp và DSL

Công nghệ này hiện đang phát triển rất nhanh với khả năng triển khai trên phạm

vi rộng và được coi là có tiềm năng to lớn mang lại khả năng kết nối Internet tốc độ caotới các gia đình và công sở WiMAX cho phép kết nối băng rộng vô tuyến cố định, bán

cố định (nomadic:người sử dụng có thể di chuyển nhưng cố định trong lúc kết nối),mang xách được (người sử dụng có thể di chuyển với tốc độ đi bộ) và cuối cùng là diđộng mà không cần thiết ở trong tầm nhìn thẳng (Line-of-Sight) trực tiếp tới một trạmgốc Trong một bán kính của một cell điển hình là từ 3 đến 10km, các hệ thống đã đượcDiễn đàn WiMAX (WiMAX Forum) chứng nhận sẽ có công suất lên tới 40Mbit/s mỗikênh cho các ứng dụng truy cập cố định và mang xách được

WiMax là công nghệ được được tối ưu hóa cho truyền dữ liệu tốc độ cao chongười sử dụng các dịch vụ cố định và di động Trong khi, 3G được tối ưu hóa cho dịch

vụ giọng nói, còn truyền dữ liệu lại chậm hơn đối với người sử dụng cần di chuyển ởmột tốc độ nhất định trong khu vực phủ sóng

1.1.2 Sự phát triển của công nghệ WiMAX.

Hiện nay WiMAX mới chỉ được thử nghiệm rải rác ở một số khu vực trên thếgiới Tuy phát triển sau nhưng WiMAX lại hứa hẹn những tiềm năng to lớn, đặc biệtkhi người ta chứng kiến những khó khăn về mặt kỹ thuật mà các thành phố lớn như

Philadelphia (Mỹ) phải đối mặt trong quá trình phủ sóng Wi-Fi trên diện rộng Vấn đềbảo mật, và sự không phù hợp với các mạng kết nối Internet phạm vi hẹp sẵn có, vớiviệc sử dụng băng tần 2,4 GHz chỉ là một vài trong số nhiều vấn đề phát sinh khi triểnkhai WiFi hiện nay Bên cạnh đó Tập đoàn Intel đã liên tục vận động và ủng hộ chuẩnWiMAX 802.16, mới đây họ đã đầu tư tới 600 triệu USD cho Clearwire, hãng cungcấp dịch vụ không dây tốc độ cao cho ngời tiêu dùng tại Mỹ

WiMAX là một công nghệ mới, đang trong quá trình xây dựng, thử nghiệm đểtiến tới hoàn thiện Việc lựa chọn công nghệ, giải pháp và thiết bị sẽ do các nhà khaithác quyết định

1.1.3 Hoạt động WiMAX.

Thực tế WiMAX hoạt động tương tự WiFi nhưng ở tốc độ cao và khoảng cáchlớn hơn nhiều Một hệ thống WiMAX gồm hai phần:

+ Trạm gốc WiMax: trạm gốc bao gồm thiết bị điện tử trong nhà và thápWiMax Thông thường, một trạm gốc có thể phủ sóng trong bán kính 10 km (theo lýthuyết, một trạm gốc có thể phủ sóng trong bán kính 50 km) Mọi node vô tuyến bêntrong vùng phủ sóng có thể truy cập internet

+ Máy thu WiMax: máy thu và anten có thể là hộp riêng lẻ hoặc card PC ở trongmáy tính hay máy tính xách tay Truy cập tới trạm gốc WiMax tương đương với truycập tới điểm truy cập vô tuyến trong mạng WiFi, nhưng vùng phủ sóng lớn hơn Mộtvài trạm gốc được kết nối với một trạm gốc khác vởi việc sử dụng các liên kết sóng vi

ba backhaul tốc độ cao

Các trạm gốc được kết nối tới mạng internet thông qua các đường truyền tốc độcao dành riêng hoặc có thể được nối tới một trạm gốc khác như một trạm trung chuyểnbằng đường truyền thẳng (line of sight), và chính vì vậy WiMAX có thể phủ sóng đếnnhững vùng rất xa Các Anten thu/phát có thể trao đổi thông tin với nhau qua các tiasóng 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 Điều này cho phép thuê bao WiMax chuyển vùng từ một trạm gốcnày tới vùng trạm gốc khác, giống như chuyển vùng được cho phép bởi các công tyđiện thoại tổ ong

Băng tần sử dụng có thể dùng ở tần số cao đến 66 GHz 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 Đối vớitrường hợp tia phản xạ, WiMAX sử dụng băng tần thấp hơn, 2-11GHz, tương tự như ởWiFi, ở tần số thấp tín hiệu dễ dàng vượt qua các vật cản, có thể phản xạ, nhiễu xạ, uốncong, vòng qua các vật thể để đến đích

1.1.4 Đặc điểm của WiMAX.

WiMAX đã được tiêu chuẩn hóa ở IEEE 802.16 Hệ thống này là hệ thống đatruy cập không dây sử dụng công nghệ OFDMA có các đặc điểm sau:

+ Khoảng cách giữa các trạm thu và phát có thể tới 50km (theo lý thuyết)

+ Tốc độ truyền có thể thay đổi, tối đa là 70Mbit/s

+ Hoạt động trong cả hai môi trường truyền dẫn: Đường truyền tầm nhìn thẳngLOS (Line of sight) và đường truyền che khuất NLOS (Non Line of Sight)

+ Dải tần làm việc 2- 11GHz và từ 10- 66 GHz hiện đã và đang được tiêu chuẩnhóa Các băng tần được cấp phép: 2,3 GHz (2,3 – 2,4 GHz); 2,5 GHz (2,5 – 2,7 GHz);3,5 GHz (3,4 – 3,7 GHz)

+ Trong WiMAX hướng truyền tin được chia thành hai đường lên và xuống.Đường lên có tần số thấp hơn đường xuống và đều sử dụng công nghệ OFDM đểtruyền OFDM trong WiMAX sử dụng tổng cộng 2048 sóng mang, trong đó có 1536sóng mang dành cho thông tin được chia thành 32 kênh con tương đương với 48 sóngmang WiMAX sử dụng điều chế nhiều mức thích ứng từ BPSK, QPSK đến 256-QAMkết hợp các phương pháp sửa lỗi dữ liệu như ngẫu nhiên hóa, với mã hóa sửa lỗi ReedSolomon, mã xoắn tỉ lệ từ 1/2 đến 7/8

+ Độ rộng băng tần của WiMAX từ 5MHz đến trên 20MHz được chia thànhnhiều băng con 1,75MHz Mỗi băng con này được chia nhỏ hơn nữa nhờ công nghệOFDM, cho phép nhiều thuê bao có thể truy cập đồng thời một hay nhiều kênh mộtcách linh hoạt để đảm bảo tối ưu hiệu quả sử dụng băng tần Công nghệ này được gọi

là công nghệ đa truy nhập OFDMA (OFDM AcceMS)

+ Cho phép sử dụng cả hai công nghệ TDD (Time division duplexing) vàFDD(Frequency Division Dublexing) cho việc phân chia truyền dẫn của hướng lên(Uplink) và hướng xuống (downlink)

+ Về cấu trúc phân lớp, hệ thống WiMAX được phân chia thành 4 lớp: Lớp contiếp ứng (convergence) làm nhiệm vụ giao diện giữa lớp đa truy nhập và các lớp trên, lớp

đa truy nhập (MAC layer), lớp truyền dẫn (TransmiMSion layer ) và lớp vật lý (physicallayer ) Các lớp này tương đương với hai lớp dưới của mô hình OSI và được tiêu chuẩnhóa để có thể giao tiếp với nhiều ứng dụng lớp trên như mô tả ở hình 1.1 dưới đây

Frame relay Điểm-điểm

ảo Backhaul Cầu LAN

IP ATM

Điện thoại số Digital Audio/

Video multicash

{ {

Lớp vật lí OSI

Lớp liên kết dữ

liệu OSI

Vật lí Truyền dẫn MAC Hội tụ

Hình 1.1: Mô hình phân lớp trong hệ thống WiMax so sánh với OSI

Các ưu điểm nổi bật của WiMAX:

+ Kiến trúc mềm dẻo: WiMAX hỗ trợ một vài kiến trúc hệ thống, bao gồm

điểm tới điểm, điểm tới đa điểm và bao phủ khắp nơi MAC (Điều khiển truy nhập đaphương tiện) WiMAX hỗ trợ điểm tới đa điểm và các dịch vụ ở khắp nơi bằng cách sắpxếp một khe thời gian cho mỗi trạm thuê bao (MS) Nếu chỉ có một MS trong mạng, thì

trạm gốc WiMAX sẽ thông tin với MS trên cơ sở điểm tới điểm Một BS trong cấuhình điểm tới điểm có thể sử dụng một Anten bup hẹp hơn để phủ các vùng lớn hơn.

+ Bảo mật cao: WiMAX hỗ trợ ASE (chuẩn mật mã hóa tiên tiến) và 3DES

(chuẩn mật mã hóa số liệu) Bằng cách mật mã hóa các liên kết giữa BS và MS,WiMAX cung cấp các thuê bao riêng (chống nghe trộm) và bảo mật trên giao diệnkhông dây băng rộng

+ Triển khai nhanh: So với sự triển khai của các dải pháp dây, WiMAX yêu

cầu ít hoặc không yêu cầu kế hoạch mở rộng Ví dụ, đào hỗ để hỗ trợ rãnh của các cápkhông được yêu cầu Các nhà khai thác co giấy phép để sử dụng một trong các băngtần được cấp phát, hoặc có kế hoạch để sử dụng một trong các băng tần không đượccấp phép, không cần thiết xem xét sâu hơn các ứng dụng cho Chính Phủ Khi Anten vàthiết bị được lắp đặt và được cấp nguồn, WiMAX sẽ sẵn sàng phục vụ Trong hầu hếtcác trường hợp, triển khai WiMAX có thể hoàn thành trong khoảng mấy giờ, so vớimấy tháng so với các giải pháp khác

+ Dung lượng cao: Sử dụng điều chế bậc cao (64-QAM) và độ rộng băng tần

(hiện tại là 7MHz), các hệ thống WiMAX có thể cung cấp độ rộng băng tần đáng kểcho các người sử dụng đầu cuối

+ Độ bao phủ rộng hơn: WiMAX hỗ trợ các điều chế đa mức, bao gồm BPSK,

QPSK,16-QAM và 64-QAM Khi được trang bị với bộ khuyếch đại công suất lớn vàhoạt động với điều chế mức thấp (Ví dụ: BPSK hoặc QPSK), các hệ thống WiMAX cóthể bao phủ một vùng địa lý rộng khi đường giữa BS và MS thông suốt

+ Hiệu quả giá cả: WiMAX dựa trên tiêu chuẩn quốc tế mở Sự thông qua đa

số của chuẩn, và sử dụng giá thấp, các chíp sét được sản xuất hàng loạt sẽ điều khiểngiá hạ xuống và cạnh tranh gía cả sẽ cung cấp sự tiết kiệm giá cả cho các nhà cung cấpdịch vụ và các người sử dụng đầu cuối

+ Dịch vụ đa mức: Là loại mà QoS đạt được dựa vào hợp đồng mức dịch vụ

(SLA) giữa nhà cung cấp dịch vụ và người sử dụng Hơn nữa, một nhà cung cấp dịch

vụ có thể đưa ra các SLA khác nhau cho những người đăng ký khác nhau, hoặc thậmchí cho những người sử dụng khác nhau trong cùng một MS.

+ Khả năng cùng vận hành: WiMAX dựa vào các chuẩn cung cấp trung lập, quốc

tế, làm cho người sử dụng đầu cuối dễ dàng truyền tải và sử dụng MS của họ tại các vị tríkhác nhau, hoặc với các nhà cung cấp dịch vụ khác nhau Khả năng cùng vận hành bảo vệvốn đầu tư ban đầu của nhà khai thác vì nó có thể chọn thiết bị từ các đại lý thiết bị khácnhau, và nó sẽ tiếp tục làm giảm giá thiết bị

+ Khả năng mang theo được: Với các hệ thống tổ ong hiện nay, khi MS

WiMAX được cấp công suất, nó tự nhận dạng, xác định các đặc tính của liên kết với

BS, chỉ cần MS được đăng ký trong cơ sở dữ liệu hệ thống, và sau đó đàm phán cácđặc tính truyền dẫn phù hợp

1.2 Hệ thống chuẩn IEEE 802.16

1.2.1 Chuẩn 820.16 - phê duyệt vào tháng 12/2001:

Xác định giao diện vô tuyến (Air Interface)của truy cập miền rộng (WirelleMSMAN) trong băng tần miễn cấp phép 10- 66 GHz (chặng cuối của truy nhập mạng) vớitruy nhập đường truyền tầm nhìn thẳng (LOS) Đồng thời chuẩn cũng định nghĩa lớpđiều khiển truy nhập môi trường ( MAC) với các đặc tính hỗ trợ cho các lớp vật lý tuỳbiến theo băng tần sử dụng Lớp MAC cho phép các luồng đa dịch vụ với các thông sốQoS khác nhau trên cùng một trạm thuê bao

1.2.3 Chuẩn 802.16d( 802.16-2004)- 6/2004:

Chuẩn 802.16d được thiết kế để xác định các đặc tả của giao diện vô tuyến (airinterface) bao gồm cả tầng điều khiển truy nhập ( MAC) và tầng vật lý của hệ thốngtruy nhập vô tuyến băng rộng cố định (BWA), bổ sung và củng cố cho các chuẩncùng họ từ trước

1.2.4 Chuẩn 802.16e - 2005

Được thiết kế để hỗ trợ cho truy nhập băng rộng di động Nó tăng cường tínhnăng mới cho OFDMA thành SOFDMA ( Scalable OFDMA)của lớp vật lý và bổ sungthêm các tính năng mới cho mạng cố định, di động

1.2.5 Các bổ sung cho chuẩn đang trong quá trình nghiên cứu:

+ 802.16f - Quản lý cơ sở thông tin ( Management Information Base)

+ 802.16g - Quản lý thủ tục kế hoạch và dịch vụ ( Management PlaneProcedures and Services)

+ 802.16h - Tăng cường cơ chế cùng tồn tại đối với hoạt động trong vùng phân

bổ tần số

+ 802.16i - Quản lý di động cơ sở thông tin( Mobile Management InformationBase)

Bảng 1 1: Tổng kết các chuẩn 802.16Ngày hoàn

Tầm nhìn khôngthẳng

Tầm nhìnkhông thẳng

Tầm nhìnkhông thẳng

kênh 20 MHz

75 Mbps trongkênh 20 MHz

15 Mbpstrong kênh 5MHz

256 sóng mangcon OFDM,

256 sóng mang

QPSK, 16QAM,64QAM

QPSK,16QAM,64QAM

Lựa chọn giữa1,25-20 MHz

Giống như802.16a vớicác kênh conđường xuốngBán kính tế

bào đặc trưng

1.3 Kiến trúc mạng WiMAX.

1.3.1 Kiến trúc mạng WiMAX

Kiến trúc mạng Wimax chứa các thủ tục và các quy tắc để làm cách nào màmạng hỗ trợ tính di động, bảo mật, tương tác mạng và nhận thực với một trạm thuê baoWimax

R1 SS/

Hình 1.2: Mô hình tham chiếu mạng Wimax

Việc miêu tả kiến trúc mạng được trình bày trong hình 1.3 Nó chứa các thực thểnhư các trạm thuê bao (di động) MS (MMS), mạng dịch vụ truy nhập ASN, và mạngdịch vụ kết nối CSN Hình 1.3 chứa các giao diện giữa các thực thể khác nhau Các

giao diện này định nghĩa các thủ tục và các giao thức và các liên kết logic, liên kết vật

Cổng mạng dịch vụ truy nhập (ASN- GW)

Mạng dịch vụ truy cập

Server AAA MIP HA

Billing hỗ trợ hệ thống

Các dịch vụ nội dung Các dịch vụ IMS Hoạt động

hỗ trợ hệ thống

Mạng dịch vụ lõi

Cung cấp dịch

vụ IP dựa vào các mạng lõi

Giao diện vô tuyến Giao diện chuyển vùng

Các giao diện tương tác mạng

Các thành phần COTS Các thành phần WiMAX

Hình 1.3: Kiến trúc mạng WiMAX trên cơ sở IP

Các tiêu chuẩn mạng cho các hệ thống WiMAX được xây dựng trên một sốnguyên tắc kiến trúc mạng cơ sở bao gồm:

- Đảm bảo phân tách logic giữa các thủ tục như: đánh địa chỉ IP, định tuyến, cácthủ tục quản lý kết nối và các giao thức để có thể sử dụng các phần tử kiến trúc cơ bảntrong các kịch bản đứng riêng hay triển khai tương tác

- Hỗ trợ dùng chung các ASN của các nhà cung cấp truy nhập mạng (NAP:Network Acces Provider) giữa các nhà cung cấp dịch vụ mạng NSP

- Cho phép một nhà cung cấp dịch vụ mạng cung cấp dịch vụ trên nhiều ASNđược quản lý bởi một hay nhiều nhà cung cấp truy nhập mạng NAP

- Hỗ trợ MS (hay MS) phát hiện và lựa chọn các NSP khả truy nhập

- Hỗ trợ NAP sử dụng một hay nhiều cấu hình ASN

- Hỗ trợ hầu hết các kịch bản thông thường khi một nhà khai thác triển khaiASN cùng với tập hữu hạn các chức năng CSN, để nhà khai thác có thể cung cấp dịch

vụ truy nhập internet không có chuyển mạng và tương tác

1.3.1.1 Mạng dịch vụ truy nhập ASN

ASN bao gồm một hay nhiều cổng ASN và các trạm gốc, bao phủ vô tuyếnWiMAX được cung cấp đến một vùng địa lí Một ASN quản lí truy nhập MAC về mặtchức năng như đệm, định vị, quản lý nguồn vô tuyến RRM và tính di động giữa các BS

ASN quản lí các liên kết vô tuyến WiMAX, đưa ra nhiều mức quản lí cao đếnCSN ASN cũng có thể được dùng như một sự ủy quyền, như trong trường hợp của IP

di động ủy quyền (MIP)

ASN trình bày một ranh giới cho tính tương tác về chức năng với một máykhách WiMAX, các chức năng dịch vụ kết nối WiMAX và việc tập hợp các chức năngđược bao gồm bởi nhiều nhà cung cấp khác nhau

1.3.1.2 Mạng dịch vụ kết nối CSN

Một CSN là một tập hợp các chức năng mạng mà cung cấp kết nối IP đến cáctrạm thuê bao WiMAX CSN chứa các cổng để truy nhập Internet, các bộ định tuyến,các máy chủ hay các ủy quyền cho AAA, phân phối IP, cơ sở dữ liệu của người dùng

và các thiết bị tương tác mạng Nó cũng quản lý việc cấp phát và chính sách điềukhiển, tính di động giữa ASN và các dịch vụ WiMAX cụ thể như các dịch vụ trên cơ sởđịnh vị hay các dịch vụ tuân theo quy luật

1.3.2 Cấu hình mạng

1.3.2.1 Cấu hình điểm đa điểm PMP (point multi point)

PMP là một mạng truy nhập với một hoặc nhiều BS có công suất lớn và nhiều

MS nhỏ hơn MS có thể sử dụng các anten tính hướng đến các BS, ở các BS có thể cónhiều anten có hướng tác dụng theo mọi hướng hay một cung.Với cấu hình này trạmgốc BS là điểm trung tâm cho các trạm thuê bao MS ở hướng DL có thể là quảng bá,

đa điểm hay đơn điểm

Hình 1.4: Cấu hình điểm đa điểm WiMAX

1.3.2.2 Cấu hình mắt lưới MESH

Với cấu hình này MS có thể liên lạc trực tiếp với nhau Trạm gốc MESH BS kếtnối với một mạng ở bên ngoài mạng MESH Một số điểm phân biệt như sau:

Neighbor: Kết nối trực tiếp đến một node mạng

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

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

Hình 1.5: Cấu hình mạng mắt lưới WiMAX

1.3.3 Mô hình tổng quát mạng WiMAX

Hình 1.6: Mô hình tổng quát mạng WiMAX

1.4 Lớp vật lý (PHY) của WiMAX di động

1.4.1 Cơ sở OFDMA

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) là một kỹ thuật ghép kênhchia nhỏ băng thông thành nhiều sóng mang con tần số như trong hình 1.7 Trong một

hệ thống OFDM, luồng dữ liệu đầu vào được chia thành một số luồng con song song

có tốc độ dữ liệu giảm (vì vậy tăng khoảng ký hiệu) và mỗi luồng con được điều chế,được phát trên một sóng mang con trực giao riêng Khoảng thời gian ký hiệu tăng cảithiện độ mạnh của OFDM cho trải trễ

Kênh đa đường

Bộ lọc đối xứng xung thu

Hình 1.7: Kiến trúc cơ bản của một hệ thống OFDM

Hơn nữa, tiền tố vòng (CP) có thể loại trừ hoàn toàn nhiễu ký hiệu (ISI) chỉ cầnkhoảng thời gian CP dài hơn trải trễ kênh CP thường là sự lặp lại các mẫu trước đó củaphần dữ liệu khối được gắn vào điểm bắt đầu tải trọng dữ liệu như trong hình 1.8 CPngăn chặn nhiễu khối, tạo vòng xuất hiện kênh và cho phép cân bằng miền tần số ítphức tạp Mặt hạn chế của CP là nó đưa ra tiêu đề (overhead) làm giảm hiệu quả băngthông Khi mà CP làm giảm một phần băng thông, thì ảnh hưởng của CP giống với “hệ

số roll-off” trong hệ thống đơn sóng mang sử dụng bộ lọc cosin tăng Trong OFDM,một phần lớn băng thông kênh được cấp phát có thể được sử dụng cho truyền dẫn dữliệu, điều này có thể làm giảm tổn thất hiệu quả vì tiền tố vòng

Chu kì kí hiệu tổng

Chu kì kí hiệu hữu ích

Hình 1.8: Mô tả CP trong cấu trúc OFDM

OFDM khai thác phân tập tần số của kênh đa đường bởi mã hoá và đan xenthông tin qua sóng mang con trước khi truyền dẫn Điều chế OFDM có thể được thựchiện hiệu quả với biến đổi Fourrier ngược nhanh (IFFT), mà cho phép một số lượnglớn sóng mang con (lên tới 2048) với độ phức tạp thấp Trong một hệ thống OFDM, tàinguyên khả dụng trong miền thời gian là các ký hiệu OFDM và trong miền tần số làcác sóng mang con Các tài nguyên thời gian và tần số có thể được sắp xếp thành cáckênh con để cấp phát cho từng người sử dụng Đa truy nhập ghép kênh phân chia theotần số trực giao (OFDMA)

1.4.2 Cấu trúc ký hiệu OFDMA và kênh con hoá

Cấu trúc ký hiệu OFDMA gồm có 3 loại sóng mang con

• Sóng mang con dữ liệu để truyền dẫn dữ liệu

• Sóng mang con hoa tiêu cho mục đích ước tính và đồng bộ.

• Sóng mang con Null không dùng cho truyền dẫn, mà sử dụng cho các dải bảo

vệ và các sóng mang DC

Các sóng mang con tích cực (dữ liệu và hoa tiêu) được nhóm thành các tập congọi là các kênh con Lớp vật lý OFDMA WiMAX hỗ trợ kênh con trong cả DL và UL.Đơn vị tài nguyên thời gian-tần số nhỏ nhất của phân kênh con là một khe bằn 48 tone

dữ liệu Có hai loại hoán vị sóng mang con cho kênh con hoá: phân tập và liền kề.Hoán vị phân tập đưa các sóng mang con giả ngẫu nhiên vào dạng một kênh con Nócung cấp phân tập tần số và lấy trung bình hoá nhiễu giữa các tế bào Các hoán vị phântập bao gồm DL FUSC, DL PUSC, UL PUSC và các hoán vị không bắt buộc

Sóng mang con dữ liệu

Sóng mang con DC

Sóng mang con hoa tiêu

Sóng mang con bảo vệ

Hình 1.9: Cấu trúc sóng mang con OFDMA

Với DL PUSC, mỗi cặp ký hiệu OFDM, các sóng mang con khả dụng hoặcthích hợp được nhóm thành các cụm bao gồm 14 sóng mang con liền kề trên một chu

kì ký hiệu, có cấp phát hoa tiêu và dữ liệu ở mỗi cụm trong các ký hiệu lẻ và chẵn đượcbiểu diễn như trong hình 1.9

Các kí hiệu chẵn

Các kí hiệu lẻ

Sóng mang con dữ liệu

Sóng mang con hoa tiêu

Hình 1.10: Kênh con phân tập tần số DL

Kế hoạch sắp xếp lại được sử dụng để nhóm các cụm sao cho mỗi nhóm đượccấu thành từ các cụm được phân bố khắp không gian sóng mang con Một kênh controng một nhóm gồm hai cụm và được cấu thành từ 48 sóng mang con dữ liệu, 8 sóngmang con hoa tiêu Các sóng mang con dữ liệu trong mỗi nhóm được hoán vị để tạo racác kênh con trong nhóm Vì vậy, chỉ các vị trí hoa tiêu trong cụm được biểu tronghình 1.10 Các sóng mang con dữ liệu trong cụm được phân bố cho nhiều kênh con.

Tương tự với cấu trúc cụm DL, một cấu trúc tile được định nghĩa cho UL PUSC

có dạng như hình 1.11

Kí hiệu 0

Kí hiệu 1

Kí hiệu 2

Sóng mang con hoa tiêu Sóng mang con dữ liệu

Hình 1.11: Cấu trúc tile cho UL PUSC

Không gian sóng mang con khả dụng được chia thành các tile và 6 tile đượcchọn qua toàn bộ phổ bởi kế hoạch hoán vị/sắp xếp lại, được nhóm lại để hình thànhmột khe Khe gồm có 48 sóng mang con dữ liệu và 24 sóng mang con hoa tiêu trong 3

ký hiệu OFDM

1.4.3 OFDMA theo tỉ lệ (scalable)

Mô hình OFDMA MAN không dây (IEEE 802.16e-2005) dựa vào khái niệmOFDMA theo tỉ lệ (S-OFDMA) S-OFDMA hỗ trợ một dải rộng băng thông với địa chỉlinh động cần cho cấp phát phổ khác nhau và các yêu cầu mô hình thông thường

Tính linh động được hỗ trợ bởi điều chỉnh cỡ FFT trong khi đó cố định khoảngcách tần số sóng mang con bằng 10,94 KHz Các thông số S-OFDMA được liệt kêtrong bảng 1.2 Các băng thông hệ thống cho hai thiết kế ban đầu được phát triển bởinhóm công nghệ diễn đàn WiMAX trong phát hành 1 là 5 và 10 MHz

Độ dài ký hiệu OFDMA

• TDD đảm bảo đặc quyền kênh để hỗ trợ tốt hơn thích ứng liên kết, MIMO vàcác công nghệ anten tiên tiến vòng kín khác

• Không giống với FDD yêu cầu một cặp kênh, TDD chỉ yêu cầu một kênh cho

cả đường lên và đường xuống, cung cấp tính mềm dẻo tốt hơn để thích ứng cho các cấpphát phổ toàn bộ khác nhau

• Thiết kế máy thu phát vô tuyến cho TDD ít phức tạp hơn và do đó rẻ hơn

Hình 1.12 minh hoạ cấu trúc khung OFDM cho sự thực hiện truyền dẫn songcông phân chia theo thời gian (TDD)

• Tiêu đề điều khiển khung (FCH): FCH nằm sau đoạn mào đầu Nó cung cấp thôngtin cấu hình khung như độ dài bản tin MAP, sơ đồ mã hoá và các kênh con thích hợp

• DL-MAP và UL-MAP: DL-MAP và UL-MAP cung cấp cấp phát kênh con vàcác thông tin điều khiển khác tương ứng cho khung con DL và UL

• Sắp xếp UL: Kênh con sắp xếp UL được cấp phát cho trạm di động (MS) để thựchiện điều chỉnh thời gian, tần số và công suất vòng kín cũng như các yêu cầu băng thông

• UL CQICH: Kênh UL CQICH được cấp phát cho MS để hồi tiếp thông tintrạng thái kênh.

• UL ACK: UL ACK được cấp phát cho MS để hồi tiếp chấp nhận DL HARQ

M à

o đ u

ACK -CH

Hồi tiếp nhanh (CQICH) Burst#5 Burst#4 Burst#3 Burst#2

Burst#1

F C

D

L A

U L M A

1

S-1 s S+1

Hình 1.12: Cấu trúc khung WiMAX OFDMA

1.5 Lớp MAC của WiMAX di động

1.5.1 Cấu trúc lớp MAC

Hình 1.13: Phân lớp MAC và các chức năng

Nhiệm vụ chíg1nh của lớp MAC là quản lý các tài nguyên vô tuyến của giaodiện vô tuyến một cách hiệu quả Lớp MAC bao gồm 3 lớp con: Lớp con hội tụ đặc thùdịch vụ: MSCS ; Lớp con phần chung MAC (CPS) và lớp con an ninh PS.

1.5.1.1 Phân lớp con hội tụ dịch vụ MAC-MSCS

MAC MSCS nằm trên MAC CPS và sử dụng thông qua MAC SAP, các dịch vụđược cung cấp bởi MAC CPS CS thực hiện các chức năng sau:

 Nhận các đơn vị dữ liệu giao thức (PDU) từ lớp cao hơn

 Thực hiện Phân loại các PDU lớp cao hơn

 Xử lí (nếu cần) các PDU lớp cao hơn trên cơ sở phân loại

 Phát các CS PDU đến các MAC SAP thích hợp

 Nhận CS PDU từ thực thể cựng cấp

Hiện nay CS cung cấp hai chi tiết kĩ thuật: CS kiểu truyền đồng bộ ATM và CSkiểu gói ATM CS được định nghĩa cụ thể để hỗ trợ cho sự hội tụ của các PDU đượctạo ra bởi giao thức lớp ATM của mạng ATM Bởi vỡ các luồng tế bào ATM được tạo

ra theo các chuẩn ATM nên không yêu cầu các từ gốc dịch vụ ATM CS

CS kiểu gói được dùng để truyền tải cho tất cả các giao thức trên cơ sở gói như

là giao thức liên mạng IP, giao thức điểm-điểm (PPP) và IEEE 802.3 (Ethernet)

1.5.1.2 Phân lớp con hội tụ phần chung MAC-CPS

a, Định dạng và phân loại MAC PDU

Định dạng MAC PDU

Hình 1.14: Định dạng MAC PDU

CRC (tùy chọn)

Tiêu đề MAC

 MAC PDU dữ liệu

Tiêu đề là tiêu đề MAC chung với HT=0 (HT: Header type)

Tải trọng là các MAC SDU, hay các phân đoạn là dữ liệu từ lớp phía trên (các CSPDU) Được phát trờn các kết nối truyền tải

 Các MAC PDU quản lớp

Tiêu đề là tiêu đề MAC chung với HT=0

Tải trọng là các bản tin quản lí MAC Được phát trên các kết nối quản lí

 Các MAC PDU yêu cầu băng thông (BW)

Tiêu đề là tiêu đề yêu cầu băng thông với HT=1 và không cú tải trọng

b, Truyền MAC PDU

Các MAC PDU được truyền trong các cụm Các cụm PHY có thể chứa nhiều khốiFEC Các MAC PDU có thể kéo dài qua các đường biên khối Quá trình truyền gồmcác bước sau:

1 Ghộp nối: Có nhiều MAC PDU được ghép nối trong cùng một burst PHY

Phân đoạn: Mỗi MAC SDU có thể được phân đoạn thành nhiều phân đoạn, mỗiphân đoạn được đóng gói thành một MAC PDU Quá trình này được đảm bảo để chophép sử dụng băng tần có sẵn hiệu quả liên quan đến các yêu cầu QoS của mỗi luồngdịch vụ của một kết nối

2 Đóng gói: Đóng gói được thực hiện trên mỗi kết nối, MAC có thể gói nhiều

MAC SDU vào một MAC PDU đơn Đóng gói tạo ra việc sử dụng chỉ số thuộc tính kếtnối là kết nối mang các gói có độ dài thay đổi hay độ dài cố định

3 Tách CRC: Một luồng dịch vụ có thể yêu cầu CRC thêm vào mỗi MAC PDU

mang dữ liệu cho luồng dịch vụ đó Trong trường hợp này với HT=0, một CRC sẽđược gắn vào tải trọng MAC PDU CRC sẽ kiểm soát tiêu đề MAC chung và tải trọngMAC PDU CRC sẽ đuợc tính toán sau khi mật mã hóa chẳng hạn CRC bảo vệ tiêu đềchung và mật mã hóa tải trọng

4 Mật mã hóa: Khi phát một MAC PDU trên một kết nối được ánh xạ đến một

SA, phía gửi sẽ thực hiện mật mã hóa và nhận thực dữ liệu của tải trọng MAC PDU khiđược chỉ thị bởi SA Khi nhận một MAC PDU trên một kết nối được ánh xạ đến một SA,đầu thu sẽ thực hiện giải mật mã và nhận dữ liệu của MAC khi được chỉ thị bởi SA

5 Đệm: Không gian được ấn định trong một burst dữ liệu mà chưa được sử dụng

sẽ được khởi tạo cho một trạng thái được nhận biết Điều này có thể được hoàn thànhbằng cách thiết lập mỗi byte chưa dùng thành một giá trị byte đệm (0xFF)

1.5.1.3 Lớp con an ninh (PS)

An ninh được thực hiện bằng cách mã hoá các kết nối giữa MS và BS, đưa rabiện pháp bảo vệ chống lại kẻ xâm phạm bằng cách sử dụng một giao thức quản lýkhoá chủ/khách được nhận thực và chứng nhận số Có hai giao thức: giao thức đónggói cho dữ liệu gói, đặc biệt cho các tải trọng MAC PDU và một giao thức quản lýkhoá (PKM), các MS sử dụng để thu được nhận thực và khoá từ BS

1.5.2 Các dịch vụ MAC

1.5.2.1.Hỗ trợ chất lượng dịch vụ (QoS).

Trong lớp MAC WiMAX di động, QoS được cung cấp qua các luồng dịch vụnhư mô tả trong hình 2.9 Đó là một luồng các gói theo một hướng duy nhất được cungcấp một tập các thông số QoS riêng biệt

Trước đây khi cung cấp một loại dịch vụ dữ liệu nào đó, thì trước tiên trạm gốc

và đầu cuối người sử dụng thiết lập một liên kết logic theo một hướng duy nhất giữacác MAC ngang cấp được gọi là kết nối Sau đó MAC ngoài cùng kết hợp các gói đingang qua giao diện MAC thành một luồng dịch vụ, rồi được chuyển qua kết nối Cácthông số QoS kết hợp với luồng dịch vụ định nghĩa lập lịch và thứ tự truyền trên giaodiện vô tuyến Vì vậy QoS hướng kết nối có thể cung cấp điều khiển chính xác qua

giao diện vô tuyến Vì giao diện vô tuyến thường bị nghẽn cổ chai, nên QoS hướng kếtnối cho phép điều khiển hiệu quả QoS đầu cuối-đầu cuối.

PDU (SFID, CID)

Phân loại

Lập lịch

MS 2

PDU (SFID, CID)

Các kết nối MAC (các thông số QoS)

rtPS

Dịch vụ theo dõi thời gian thực

Dòng Audio hoặcVideo

Tốc độ dành riêng nhỏ nhấtTốc độ duy trì lớn nhấtDung sai trễ lớn nhất

Ưu tiên lưu lượngErtPS

Dịch vụ theo dõi thời gian thực

mở rộng

Thoại với tách súngtích cực (VoIP)

Tốc độ dành riêng nhỏ nhấtTốc độ dữ liệu lớn nhấtDung sai trễ lớn nhấtDung sai trượt

Ưu tiên lưu lượngnrtPS

Dịch vụ theo dõi phi thời thực

Giao thức truyền file(FTP)

Tốc độ dành riêng nhỏ nhấtTốc độđuy trì lớn nhất

Ưu tiên lưu lượngBE

Dịch vụ nỗ lực tốt nhất

Truyền dữ liệu, trìnhduyệt Web,

Tốc độ duy trì lớn nhất

Ưu tiên lưu lượng

Các thông số luồng dịch vụ có thể được quản lý tự động qua các bản tin MAC

để điều chỉnh các yêu cầu dịch vụ động Kỹ thuật QoS dựa vào luồng dịch vụ áp dụngcho cả DL và UL để cung cấp QoS được cải thiện trong cả hai hướng WiMAX di động

hỗ trợ đủ mọi loại dịch vụ dữ liệu và ứng dụng có các yêu cầu QoS thay đổi Tất cảđược tổng kết trong bảng 6

1.5.2.2 Dịch vụ lập lịch MAC

Dịch vụ lập lịch MAC WiMAX di động được thiết kế để truyền hiệu quả cácdịch vụ băng rộng bao gồm thoại, dữ liệu và video qua kênh vô tuyến băng rộng biếnthiên theo thời gian Dịch vụ lập lịch MAC có các đặc điểm sau đây:

• Bộ lập lịch dữ liệu nhanh: bộ lập lịch MAC phải cấp phát hiệu quả tài nguyên

khả dụng đáp ứng cho lưu lượng dữ liệu cụm và các điều kiện kênh biến thiên theo thờigian Bộ lập lịch được đặt tại mỗi trạm gốc cho phép đáp ứng nhanh các yêu cầu lưulượng và các điều kiện kênh Các gói dữ liệu được kết hợp thành các luồng dịch vụ vớicác thông số QoS xác định trước trong lớp MAC sao cho bộ lập lịch có thể xác địnhchính xác thứ tự truyền dẫn gói qua giao diện vô tuyến Kênh CQICH cung cấp thôngtin hồi tiếp kênh nhanh cho phép bộ lập lịch lựa chọn điều chế và mã hoá thích hợp chomỗi cấp phát Điều chế/mã hoá thích ứng kết hợp với HARQ cung cấp truyền dẫn tốthơn qua kênh biến thiên theo thời gian

• Lập lịch cho cả UL và DL: dịch vụ lập lịch được cung cấp cho cả lưu lượng

UL và DL Bộ lập lịch MAC thực hiện cấp phát tài nguyên hiệu quả và cung cấp QoSmong muốn trong UL, UL phải hồi tiếp chính xác và thông tin đúng lúc như các điềukiện lưu lượng và các yêu cầu QoS Nhiều kỹ thuật yêu cầu băng thông đường lên, nhưyêu cầu băng thông qua kênh sắp xếp, yêu cầu piggyback và thăm dò được thiết kế để

hỗ trợ các yêu cầu băng thông UL Luồng dịch vụ UL xác định kỹ thuật hồi tiếp chomỗi kết nối đường lên để đảm bảo dự báo hoạt động của bộ lập lịch UL Hơn nữa, các

kênh con UL trực giao, không có nhiễu liên tế bào Lập lịch UL có thể cấp phát tàinguyên hiệu quả hơn và QoS tốt hơn.

• Cấp phát tài nguyên động: MAC hỗ trợ cấp phát tài nguyên thời gian-tần số

cho cả UL và DL trên cơ sở từng khung Cấp phát tài nguyên được truyền trong cácbản tin MAC tại bắt đầu mỗi khung Vì vậy, cấp phát tài nguyên có thể được thay đổitrên từng khung đáp ứng với các điều kiện kênh và lưu lượng Thêm nữa, lượng tàinguyên trong mỗi cấp phát có thể trải rộng từ một khe đến toàn bộ khung Cấp phát tàinguyên tốt và nhanh cho phép QoS mong ước cho lưu lượng dữ liệu

• QoS định hướng: Bộ lập lịch MAC điều khiển truyền dữ liệu trên cơ sở từng

kết nối Mỗi kết nối được kết hợp với một dịch vụ dữ liệu có một tập các thông số QoS

để xác định khía cạnh hoạt động của nó Với khả năng cấp phát động tài nguyên cho cả

UL và DL, bộ lập lịch có thể cung cấp QoS mong muốn cho cả lưu lượng UL và DL.Đặc biệt với lập lịch đường lên –Tài nguyên đường lên được cấp phát hiệu quả hơn,hiệu suất dễ tiên đoán hơn và QoS tốt hơn

• Lập lịch lựa chọn tần số: Bộ lập lịch có thể hoạt động trên các loại kênh con

khác nhau Với các kênh con tần số thay đổi khác nhau như hoán vị PUSC, các sóngmang con trong các kênh con được phân bố giả ngẫu nhiên dọc theo băng thông, cáckênh con có chất lượng như nhau Lập lịch tần số thay đổi khác nhau có thể hỗ trợ QoS

có tính chất tốt hơn và lập lịch tài nguyên thời gian-tần số linh hoạt Với hoán vị liền kềnhư hoán vị AMC, các kênh con phải chịu suy hao khác nhau Lập lịch lựa chọn tần số

có thể cấp phát các người sử dụng di động cho các kênh con tương ứng mạnh nhất Lậplịch lựa chọn tần số có thể làm tăng dung lượng hệ thống với sự tăng vừa phải trongtiêu đề CQI ở UL

1.5.3 Quản lý tính di động.

Tuổi thọ của pin và chuyển giao là hai vấn đề then chốt của các ứng dụng diđộng WiMAX di động hỗ trợ chế độ Sleep và chế độ Idle cho phép hoạt động MS hiệu

quả về công suất WiMAX di động cũng hỗ trợ chuyển giao cho phép MS chuyểnmạch từ một trạm gốc tới trạm khác mà không làm ngắt quãng kết nối.

1.5.3.1 Quản lý công suất

WiMAX di động hỗ trợ hai chế độ để vận hành công suất hiệu quả-chế độ Sleep

và chế độ Idle Chế độ Sleep là một trạng thái trong đó MS kiểm soát các khoảng thờigian vắng mặt ở giao diện vô tuyến trạm gốc phục vụ được đàm phán trước Khoảngthời gian này được đặc trưng bởi tính không không khả dụng của MS, được quan sát từtrạm gốc phục vụ, tới lưu lượng DL hoặc UL Chế độ Sleep nhằm tối thiểu hoá sự sửdụng công suất MS và sử dụng tài nguyên giao diện vô tuyến trạm gốc phục vụ Chế độSleep cũng cung cấp tính linh hoạt cho MS để quét các trạm gốc khác nhằm thu thậpthông tin cần cho chuyển giao trong suốt chế độ Sleep

Chế độ Idle cung cấp một kỹ thuật cho MS để trở nên có hiệu lực một cách định

kì cho bản tin lưu lượng quảng bá DL mà không có sự đăng kí tại một trạm gốc đặcbiệt khi MS đi qua môi trường liên kết vô tuyến có nhiều trạm gốc cư trú Chế độ Idlegiúp ích cho MS bằng cách chuyển các yêu cầu cho chuyển giao, các hoạt động thôngthường khác; giúp ích cho mạng và trạm gốc bằng cách loại trừ giao diện vô tuyến vàlưu lượng chuyển giao từ các MS không tích cực khi mà vẫn cung cấp một phươngpháp đơn giản và hợp lí (gói) để báo cho MS về lưu lượng DL

1.5.3.2 Chuyển giao

Có ba phương pháp chuyển giao được hỗ trợ trong chuẩn 802.16e- chuyển giaocứng (HHO), chuyển mạch trạm gốc nhanh (FBMS), và chuyển giao phân tập macro(MDHO) Trong đó, HHO là bắt buộc còn FBMS và MDHO là hai chế độ tự chọn.Diễn đàn WiMAX đã triển khai một vài kỹ thuật để tối ưu hoá chuyển giao cứng trongchuẩn 802.16e Sự cải thiện này được triển khai với mục đích giữ trễ chuyển giao lớp 2luôn nhỏ hơn 50 ms

Khi FBMS được hỗ trợ, MS và BS duy trì một danh sách các BS được bao hàmtrong FBMS cùng với MS Tập này được gọi là tập tích cực Trong FBMS, MS giámsát liên tục các trạm gốc trong tập tích cực Trong số các BS ở tập tích cực, một BS neođược định nghĩa Khi hoạt động trong FBMS, MS chỉ liên lạc với BS neo bằng các bảntin đường xuống và đường lên bao gồm các kết nối lưu lượng và quản lý Sự chuyểntiếp từ một BS neo này tới BS khác (tức là chuyển mạch BS) được thực hiện mà khôngcần viện dẫn các bản tin báo hiệu HO rõ ràng Thủ tục cập nhật neo được cho phép bởi

độ dài của tín hiệu thông tin của BS phục vụ qua kênh CQI Một chuyển giao FBMSbắt đầu với quyết định thu hoặc phát dữ liệu của MS từ BS neo mà có thể thay đổitrong tập tích cực MS quét các BS lân cận và lựa chọn cái nào được cho là phù hợptrong một phiên thiết lập tích cực MS báo cáo lựa chọn các BS và thủ tục cập nhậtthiết lập tích cực được thực hiện bởi BS và MS MS giám sát liên tục độ dài tín hiệucủa các BS trong thiết lập tích cực và lựa chọn một BS từ thiết lập BS neo MS báo cáolựa chọn BS trên CQICH hoặc MS khởi đầu bản tin yêu cầu HO Một yêu cầu quantrọng của FBMS là dữ liệu được phát cùng một lúc tới tất cả các bộ phận của một thiếtlập tích cực của các BS có thể phục vụ MS

1.5.4 An ninh.

WiMAX di động hỗ trợ các đặc điểm lớp an ninh bằng cách các công nghệ khảdụng tốt nhất hiện nay Hỗ trợ nhận thực người sử dụng / thiết bị tương hỗ, giao thứcquản lý khoá linh hoạt, mật hoá lưu lượng, quản lý và điều khiển bảo vệ bản tin và tối

ưu hoá giao thức an ninh cho các chuyển giao nhanh

• Giao thức quản lý khoá: giao thức quản lý khoá và mật mã riêng phiên bản 2

(PKMv2) là cơ sở của an ninh WiMAX di động, được định nghĩa trong 802.16e Giaothức này quản lý an ninh MAC sử dụng các bản tin PKM-REQ/RSP Nhận thực PKMEAP, điều khiển mật hoá lưu lượng, trao đổi khoá chuyển giao và tất cả các bản tin anninh đa hướng/quảng bá đều dựa vào giao thức này

• Nhận thực người sử dụng/thiết bị: WiMAX di động sử dụng giao thức IETF

EAP để hỗ trợ nhận thực người sử dụng và thiết bị bằng cách cung cấp hỗ trợ dựa vàoSIM, USIM hoặc chứng nhận số hoặc dựa vào username/paMSword Các phương phápnhận thực EAP-SIM, EAP-AKA, EAP-TLS hoặc EAP-MSCHAPv2 tương ứng được

hỗ trợ qua giao thức EAP Phương pháp chuyển khoá chỉ được giao thức EAP hỗ trợ

• Mật hoá lưu lượng: AES-CCM là mật mã được sử dụng để bảo vệ tất cả dữ

liệu người sử dụng trên giao diện MAC WiMAX di động Các khoá sử dụng để tạo mật

mã được tạo ra từ nhận thực EAP Một kỹ thuật trạng thái mật hoá lưu lượng có một kỹthuật nạp lại khoá chu kì (TEK) cho phép duy trì liên tục trạng thái chuyển tiếp của cáckhoá để cải thiện sự bảo vệ

• Bảo vệ bản tin điều khiển: dữ liệu điều khiển được bảo vệ bằng sử dụng AES

dựa vào CMAC, hoặc MD5 dựa vào kế hoạch HMAC

• Hỗ trợ chuyển giao nhanh: Kế hoạch bắt tay ba bước được hỗ trợ bởi

WiMAX di động để tối ưu kỹ thuật nhận thực lại cho mục đích chuyển giao nhanh Kỹthuật này cũng có ích để ngăn chặn kẻ xâm phạm (man-in-the-middle-attacks)

1.6 Các đặc trưng tiên tiến của WiMAX di động.

1.6.1 Công nghệ anten thông minh.

Công nghệ anten thông minh thường gồm có vector phức hoặc ma trận hoạtđộng trên các tín hiệu nhờ có nhiều anten OFDMA cho phép vận hành anten thôngminh được thực hiện trên các sóng mang con vector phẳng Các bộ cân bằng phức tạpkhông được yêu cầu để bù cho pha đinh lựa chọn tần số Vì vậy OFDMA là thích hợp

để hỗ trợ công nghệ anten thông minh Thực tế, MIMO-OFDM/OFDMA được mongđợi như là nền tảng cho các hệ thống thông tin băng rộng thế hệ tiếp theo WiMAX diđộng hỗ trợ đủ các loại công nghệ anten thông minh để tăng hiệu suất hệ thống Cáccông nghệ anten thông minh được hỗ trợ bao gồm:

• Hệ thống sử dụng nhiều anten để phát các tín hiệu để cải thiện vùng phủ sóng

và dung lượng của hệ thống và giảm thiểu xác xuất ngừng phục vụ

• Mã không gian-thời gian (STC): phát phân tập như mã Alamouti được hỗ trợ

để cung cấp phân tập không gian và giảm dư âm

• Ghép kênh không gian (SM): ghép kênh không gian được hỗ trợ để đạt được

ưu điểm: tốc độ đỉnh cao hơn và thông lượng tăng Trong UL, mỗi người sử dụng chỉ

có một anten phát, hai người sử dụng có thể phát cộng tác trong cùng một khe như thểhai dòng được ghép kênh không gian từ hai anten của cùng người sử dụng điều nàyđược gọi là UL cộng tác SM

Các đặc trưng được hỗ trợ trong sơ lược hiệu suất WiMAX di động được liệt kêtrong bảng dưới đây:

Bảng 1.4: Các lựa chọn anten tiên tiến

Đường Tạo búp Mã hóa không, gian

thời gian Ghép kênh không gian

độ vùng trong đó PER đích phải được giới hạn Mặt khác STC cung cấp mật độ rộngbất chấp điều kiện kênh nhưng không cải thiện tốc độ dữ liệu đỉnh WiMAX di động hỗtrợ chuyển mạch MIMO thích ứng (AMS) giữa các mô hình đa MIMO để cực đại hoáhiệu quả phổ tần với không giảm trong vùng mật độ Hình 1.16 biểu diễn kiến trúc để

hỗ trợ các đặc trưng của anten thông minh Bảng dưới đây cung cấp một tổng kết củacác tốc độ dữ liệu đỉnh lý thuyết cho các tỉ lệ DL/UL khác nhau cho rằng băng tần kênh

là 10 MHz, khoảng khung là 5ms với 44 ký hiệu dữ liệu OFDM (trong 48 ký hiệuOFDM tổng) và kênh con PUSC Với MIMO 2x2, DL sử dụng và tốc độ dữ liệu đỉnh

bộ phận là gấp đôi lý thuyết Tốc độ dữ liệu đỉnh DL cực đại là 63,36 Mbps khi tất cảcác ký hiệu dữ liệu được dành cho DL Với UL cộng tác SM, tốc độ dữ liệu đỉnh bộphận UL là gấp đôi trong khi đó tốc độ dữ liệu đỉnh ngưòi sử dụng là không đổi

Bảng 1.5: Các tốc độ dữ liệu cho cấu hình SIMO/MIMO

(đối với kênh 10 MHz, khung 5 ms, kênh con PUSC, 44 ký hiệu dữ liệu OFDM)

MIMO(2x2)

MIMO(2x2)

Mã hoá Sắp xếp kí hiệu

VSM

STC Enc

Sắp xếp Sub-CH

Sắp xếp Sub-CH

Sắp xếp Sub-CH

W

IFFT IFFT

IFFT

IFFT IFFT

IFFT IFFT

IFFT IFFT

Giải sắp xếp

Giải mã

Hình 1.16: Chuyển mạch thích ứng cho anten thông minh

Tốc độ dữ liệu đỉnh người sử dụng UL và tốc độ dữ liệu đỉnh bộ phận là 14,11Mbps và 28,22 Mbps đặc biệt khi tất cả các ký hiệu dữ liệu được dành cho UL Bằngứng dụng tỉ lệ DL/UL khác nhau, băng tần có thể được điều chỉnh giữa DL và UL đểtrợ giúp các mẫu lưu lượng khác nhau Nó có thể được chú ý rằng các trường hợp caonhất giống như sự phân chia tất cả UL và tất cả DL hiếm khi được sử dụng Sơ lượcWiMAX hỗ trợ dải các tỉ lệ DL/UL từ 3:1 tới 1:1 để trợ giúp các sơ lược lưu lượngkhác nhau

1.6.2 Tái sử dụng phân đoạn tần số.

WiMAX di động hỗ trợ dùng lại tần số của 1, ví dụ tất cả tế bào/sector hoạtđộng trên kênh tần số giống nhau để cực đại hoá hiệu quả phổ tần Tuy nhiên, vì nhiễukênh nặng (CCI) trong sự triển khai dùng lại tần số của 1, các người sử dụng tại cạnh tếbào phải chụi đựng sự giảm chất lượng kết nối Với WiMAX di động, các người sử