Tìm hiểu hệ thống truy nhập vi ba WiMAX

Trong những năm gần đây, chúng ta đã chứng kiến sự bùng nổ của công nghệ mạng không dây. Khả năng liên lạc không dây đã gần như tất yếu trong các thiết bị cầm tay (PDA), máy tính xách tay, điện thoại di động và các thiết bị kỹ thuật số khác. Với các tính năng ưu việt về vùng phục vụ kết nối linh động, khả năng triển khai nhanh chóng, giá thành ngày càng giảm. Xu hướng kết nối không dây (vô tuyến) ngày càng trở nên phổ cập trong kết nối mạng máy tính. Với chiều hướng giá thành của máy tính xách tay ngày càng giảm và nhu cầu truy nhập Internet ngày càng tăng, tại các nước phát triển các dịch vụ truy nhập Internet không dây đã trở nên phổ cập, bạn có thể ngồi ở bất cứ nơi đâu và truy nhập Internet từ máy tính xách tay của mình một cách dễ dàng thông qua kết nối không dây và công nghệ dịch chuyển địa chỉ IP. Các công nghệ hiện tại đã đem đến cho người sử dụng những khả năng kết nối không dây thật hoàn hảo. Ví như Bluetooth kết nối không dây, WiFi truy xuất Internet không dây, điện thoại di động... Nhưng bên cạnh ưu điểm, công nghệ kết nối không dây hiện nay còn hạn chế và chưa thật sự liên thông với nhau. Vấn đề chính với truy nhập WiFi đó là các hotspot thì rất nhỏ, vì vậy phủ sóng rải rác. Cần có một hệ thống không dây mà cung cấp tốc độ băng rộng cao khả năng phủ sóng lớn hơn. Đó chính là WiMAX (Worldwide Interoperability Microwave Access). Nó cũng được biết đến như là IEEE 802.16. WiMAX là một công nghệ dựa trên nền tảng một chuẩn tiến hóa cho mạng không dây điểm đa điểm. Là giải pháp cho mạng đô thị không dây băng rộng với phạm vi phủ sóng tới 50km và tốc độ bit có thể lên tới 75Mbps với kênh 20MHz, bán kính cell từ 29km.

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, chúng ta đã chứng kiến sự bùng nổ củacông nghệ mạng không dây Khả năng liên lạc không dây đã gần nhưtất yếu trong các thiết bị cầm tay (PDA), máy tính xách tay, điện thoại

di động và các thiết bị kỹ thuật số khác Với các tính năng ưu việt vềvùng phục vụ kết nối linh động, khả năng triển khai nhanh chóng, giáthành ngày càng giảm

Xu hướng kết nối không dây (vô tuyến) ngày càng trở nên phổ cậptrong kết nối mạng máy tính Với chiều hướng giá thành của máy tínhxách tay ngày càng giảm và nhu cầu truy nhập Internet ngày càng tăng,tại các nước phát triển các dịch vụ truy nhập Internet không dây đã trởnên phổ cập, bạn có thể ngồi ở bất cứ nơi đâu và truy nhập Internet từmáy tính xách tay của mình một cách dễ dàng thông qua kết nối khôngdây và công nghệ dịch chuyển địa chỉ IP Các công nghệ hiện tại đãđem đến cho người sử dụng những khả năng kết nối không dây thậthoàn hảo Ví như Bluetooth kết nối không dây, Wi-Fi truy xuất Internetkhông dây, điện thoại di động

Nhưng bên cạnh ưu điểm, công nghệ kết nối không dây hiện naycòn hạn chế và chưa thật sự liên thông với nhau Vấn đề chính với truynhập WiFi đó là các hotspot thì rất nhỏ, vì vậy phủ sóng rải rác Cần cómột hệ thống không dây mà cung cấp tốc độ băng rộng cao khả năngphủ sóng lớn hơn Đó chính là WiMAX (Worldwide

Interoperability Microwave Access) Nó cũng được biết đến như làIEEE 802.16 WiMAX là một công nghệ dựa trên nền tảng một chuẩntiến hóa cho mạng không dây điểm- đa điểm Là giải pháp cho mạng đôthị không dây băng rộng với phạm vi phủ sóng tới 50km và tốc độ bit

có thể lên tới 75Mbps với kênh 20MHz, bán kính cell từ 2-9km

Chuẩn được thiết kế mới hoàn toàn với mục tiêu cung cấp nhữngtrục kết nối trực tiếp trong mạng nội thị (Metropolitan Area Network-MAN) đạt băng thông tương đương xDSL, trục T1/E1 phổ biến hiệnnay Công nghệ WiMax đang là xu hướng mới cho các tiêu chuẩn giaodiện vô tuyến trong việc truy nhập không dây băng thông rộng cho cảthiết bị cố định, xách tay và di động Chất lượng dịch vụ được thiết lậpcho từng kết nối, an ninh tốt, hỗ trợ multicast cũng như di động, sửdụng cả phổ tần cấp phép và không được cấp phép WiMax thực sựđang được các nhà cung cấp dịch vụ cũng như các nhà sản xuất quantâm

Nhận thấy Wimax là công nghệ mới có nhiều ứng dụng ở các nướctrên thế giới cũng như tại Việt nam trong tương lai, vì vậy em đã chọn

đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ mạng truy nhập không dây Wimax và khả năng ứng dụng tại Việt Nam”

Nội dung của luận văn được chia thành 5 chương như sau : Chương 1: Tổng quan về mạng không dây

Chương 2: Lớp PHY và MAC của chuẩn 802.16a

Chương 3: Nghiên cứu các vấn đề kỹ thuật mạng truy nhập

băng rộng không dây WiMax

Chương 4: Xây dựng chương trình Matlab để mô phỏng BER

trong hệ thống WiMax

Chương 5: Khả năng ứng dụng WiMax tại Việt Nam

Nội dung nghiên cứu luận văn này được xây dựng trên cơ sở nhữngkiến thức đã được tiếp thu trong quá trình học tập, nghiên cứu tại khoaĐiện tử Viễn thông - Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nộicũng như thời gian công tác tại Tổng Công ty truyền thông đa phươngtiện (VTC)

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG

KHÔNG DÂY

1.1 TỔNG QUAN VỀ CÁC CHUẨN KHÔNG DÂY [2]

Sự bùng nổ về nhu cầu truyền số liệu tốc độ cao và nhu cầu đadạng hoá các loại hình dịch vụ cung cấp như: truy nhập Internet, thưđiện tử, thương mại điện tử, truyền file, là sự thúc đẩy cho sự xuấthiện của hàng loạt các chuẩn không dây Hiện nay, căn cứ vào phạm vi

sử dụng, tốc độ kết nối, chúng ta có những chuẩn không dây tương ứngvới các mô hình mạng truyền thống

Hình 1.1: Tổng quan về các chuẩn không dây

- Mạng WPAN (Wireless Personal Area Network): Được ứng dụng

trong phạm vi gia đình, hoặc trong không gian xung quanh cá nhânnào đó, tốc độ truyền dẫn trong nhà có thể đạt 480 Mb/s trong phạm

vi 10m Trong mô hình mạng WPAN, có sự xuất hiện của các côngnghệ Bluetooth dựa trên chuẩn IEEE 802.15 (Institute for Electricaland Electronics Engineers) Hiện nay 802.15 này đang được pháttriển thành 802.15.3 được biết đến với tên công nghệ Ultrawideband -siêu băng thông

- Mạng WLAN (Wireless Local Area Network): Sử dụng chuẩn

IEEE 802.11 bao gồm các chuẩn 802.11a, 802.11b, 802.11g,802.11n… WLAN là một phần của giải pháp vǎn phòng di động, chophép người sử dụng kết nối mạng LAN từ các khu vực công cộngnhư văn phòng, khách sạn hay các sân bay Tại Việt Nam WLAN đãđược triển khai ứng dụng ở nhiều nơi Công nghệ này cho phépngười sử dụng có thể sử dụng, truy xuất thông tin, truy cấp Internetvới tốc độ lớn hơn rất nhiều so với phương thức truy nhập gián tiếptruyền thống

- Mạng WMAN (Wireless Metropolitan Area Network): Sử dụng

chuẩn IEEE

802.16, được hoàn thành vào tháng 10/2001 và được công bố vào ngày8/2002, định nghĩa đặc tả kỹ thuật giao diện không gian WirelessMANcho các mạng vùng đô thị Việc đưa ra chuẩn này mở ra một công nghệmới truy nhập không dây băng rộng WiMAX cho phép mạng khôngdây mở rộng phạm vi hoạt động tới gần 50 km và có thể truyền dữ liệu,giọng nói và hình ảnh video với tốc độ nhanh hơn so với đường truyền

cáp hoặc ADSL

- Mạng WWAN (Wireless Wide Area Network): Hệ thống WWAN

được triển khai bởi một công ty hay tổ chức trên phạm vi rộng, khaithác băng tần đã đăng ký trước với cơ quan chức năng và sử dụngchuẩn mở như AMPS, GSM, TDMA và CDMA

Khoảng cách hàng trăm km, tốc độ từ 5 kb/s đến 20 kb/s Trong tươnglai, các kết nối WirelessWAN sẽ dùng chuẩn 802.20 để thực hiện cáckết nối diện rộng

1.2 KIẾN TRÚC CHUNG CỦA CÁC CHUẨN IEEE 802.11 VÀ 802.16 [7]

Chuẩn IEEE 802.11 và 16 đặc tả lớp vật lý - PHY (Physical) và lớpđiều khiển truy nhập môi trường - MAC (Medium Access Control) chotruy nhập băng rộng không dây cố định - FBWA (Fixed BroadbandWireless Access) cho phạm vi mạng khu vực đô thị - MAN(Metropolitan Area Network)

Hình 1.2 minh hoạ vị trí của các chuẩn IEEE 802.11 và 16 trong hệthống các chuẩn IEEE 802

Hình 1.2: 802.11 và 802.16 trong hệ thống các chuẩn của IEEE

802.xx

1.3 CÔNG NGHỆ WIFI [2,7]

1.3.1 Giới thiệu

Hình 1.3: Cấu hình một mạng WLAN điển hình

WLAN là một hệ thống truyền thông dữ liệu mở để truy nhập vôtuyến đến mạng Internet và các mạng Intranet Nó cũng cho phép kếtnối LAN tới LAN trong một toà nhà hoặc một khu tập thể, hoặc mộtkhu trường đại học Một hệ thống WLAN có thể được tích hợp vớimạng vô tuyến diện rộng Tốc độ đạt được trong WLAN cần phải được

hỗ trợ truyền dẫn thích hợp từ mạng đường trục

Về mặt vật lý, WLAN có hai thành phần cơ bản là:

- Trạm gốc không dây (WBS) hay còn gọi là AP

(Access Point) - Khối giao tiếp người sử dụng đầu

cuối hay còn gọi là CPE

AP là thiết bị đặt ở phía nhà cung cấp dịch vụ, nó phải được đấunối với mạng của nhà cung cấp đó để truy cập vào mạng Internet.Thông thường AP được đấu với Router, Hub hoặc Switch để đượccấp một địa chỉ IP riêng Sau đó kết nối tới mạng của nhà cung

cấp dịch vụ thông qua các hệ thống truyền dẫn thông dụng nhưcáp quang, cáp đồng hoặc viba AP có khả năng chuyển đổi tínhiệu số đến từ mạng của nhà cung cấp dịch vụ thành dạng tín hiệu

số tương thích với các chuẩn truyền dẫn vô tuyến AP bao gồmmột bộ thu phát (Transceiver) và một bộ điều khiển (Controller)thực hiện các chức năng chủ yếu như:

 Cung cấp giao diện cho kết nối với mạng của nhà khai thác,giao diện vô tuyến hướng phía khách hàng

 Đảm bảo chức năng an toàn thông tin trên giao tiếp vô tuyến,chứng thực giao diện kết nối với khách hàng

 Quản trị tài nguyên vô tuyến

 Đăng ký khối giao diện người sử dụng

 Cung cấp giao diện vô tuyến hướng tới trạm gốc của nhà cungcấp dịch vụ

 Cung cấp giao diện cho các thiết bị đầu cuối của khách hàng

 Chuyển đổi giao thức, chuyển đổi mã, cấp nguồn

1.3.2 Các chuẩn IEEE 802.11 tiêu biểu

• Chuẩn IEEE 802.11: IEEE 802.11b định nghĩa lớp vật lý và lớp

con MAC cho việc truyền tin qua mạng LAN không dây dùng chung

Tại lớp vật lý, IEEE 802.11b hoạt động tại tần số vô tuyến 2,45GHz

với tốc độ bit tối đa là 11 Mbps Nó sử dụng công nghệ truyền dẫn trải

trải phổ dãy trực tiếp (DSSS)

• Chuẩn IEEE 802.11g: Do IEEE phát triển, những mạng dùng

chuẩn 802.11b cho phép dữ liệu được truyền với dung lượng tối đa 10

megabit/giây (trung bình là 4

Mbps) Chuẩn mới hơn là IEEE 802.11g cho phép truyền dữ liệu với

dung lượng cao nhất - 54 Mbps (trung bình 22 Mbps) Cả hai chuẩn

này đều dùng băng tần 2,4 GHz và hoạt động tương tác

• Chuẩn IEEE 802.11a: Chuẩn IEEE 802.11a hoạt động trong dải

tần 5 GHz, tạo cho các kết nối sử dụng chuẩn 802.11a ít bị ảnh hưởng

hơn đối với sự giao thoa sóng điện từ mà các kết nối sử dụng chuẩn

802.11b, 802.11g hoạt động ở tần số 2,4 GHz có thể gây ra Bởi dải tần

2,4 GHz thường được dùng trong công nghiệp, y tế, và sử dụng trong

các thiết bị gia đình Bảng 1.1 dưới đây sẽ so sánh các chuẩn IEEE

802.11:

Chuẩn Tần số Tốc độ Ghép kênh Ghi chú

IEEE 802.11 900 MHz 2 Mbps FHSS

DSSS IEEE 802.11b 2,4 GHz

IEEE 802.11e 5 GHz UNII 54 Mbps OFDM

WiMAX (Worldwide Interoperability Microwave Access) là hệ

thống truy nhập vi ba có tính tương thích toàn cầu dựa trên cơ sở tiêu

chuẩn IEEE 802.16 Công nghệ WiMAX cung cấp phạm vi và băng

thông lớn hơn họ các chuẩn Wi-Fi WiMAX là một chuẩn không dây

đang phát triển rất nhanh, hứa hẹn tạo ra khả năng kết nối băng thông

rộng tốc độ cao cho cả mạng cố định lẫn mạng không dây di động,

phạm vi phủ sóng được mở rộng Hình 1.4 mô tả một ví dụ về ứng

dụng mạng WiMAX

Hình 1.4: Mô hình mạng WiMAX

1.4.2 Các ưu điểm của WiMax o Cấu trúc mềm dẻo: WiMAX

hỗ trợ các cấu trúc hệ thống bao gồm điểm-điểm, điểm - đa điểm, mạng

lưới (mesh) o Chất lượng dịch vụ QoS : WiMAX có thể được tối ưu

động đối với hỗn hợp lưu lượng sẽ được mang Có 4 loại dịch vụ được

hỗ trợ: dịch vụ cấp phát tự nguyện (UGS - Unsolicited Grant Service),dịch vụ hỏi vòng thời gian thực (rtPS), dịch vụ hỏi vòng không thời

gian thực (nrtPS), nỗ lực tốt nhất (BE)

o Triển khai nhanh: So sánh với triển khai các giải pháp có dây,

WiMAX yêu cầu ít hoặc không có bất cứ sự xây dựng thiết lập bênngoài

o Dịch vụ đa mức: Một nhà cung cấp dịch vụ có thể cung cấp các

SLA khác nhau tới các thuê bao khác nhau, thậm chí tới nhữngngười dùng khác nhau sử dụng cùng MS

o Tính tương thích: WiMAX dựa vào quốc tế, các chuẩn không có

tính chất rõ rệt nhà cung cấp, tạo ra sự dễ dàng đối với người dùngcuối cùng để truyền tải và sử dụng MS của họ ở các vị trí khác nhau,

hoặc với các nhà cung cấp dịch vụ khác nhau o Di động: IEEE

802.16e bổ sung thêm các đặc điểm chính hỗ trợ khả năng di động.Những cải tiến lớp vật lý OFDM (ghép kênh phân chia tần số trựcgiao) và OFDMA (đa truy nhập phân chia tần số trực giao) để hỗ trợcác thiết bị và các dịch vụ trong một môi trường di động Những cảitiến này, bao gồm OFDMA mở rộng được, MIMO (nhiều đầu ranhiều đầu vào), và hỗ trợ đối với chế độ idle/sleep và hand-off, sẽcho phép khả năng di động đầy đủ ở tốc độ tới 160 km/h MạngWiMax di động cho phép người sử dụng có thể truy cập Internet

không dây băng thông rộng tại bất cứ trong thành phố nào o Lợi

nhuận: WiMAX dựa vào một chuẩn quốc tế mở Sự chấp nhận đa số

của chuẩn và sử dụng chi phí thấp, các chip được sản xuất hàng loạt,

sẽ đưa chi phí giảm đột ngột và giá cạnh tranh xảy ra sẽ cung cấp sựtiết kiệm chi phí đáng kể cho các nhà cung cấp dịch vụ và người sửdụng cuối cùng

o Hoạt động không nằm trong tầm nhìn thẳng (NLOS): Khả năng

họat động của mạng WiMAX mà không đòi hỏi tầm nhìn thẳng giữa

BS và MS Khả năng này của nó giúp các sản phẩm WiMAX phân

phát dải thông rộng trong một môi trường NLOS o Phủ sóng rộng

hơn: WiMAX hỗ trợ động nhiều mức điều chế, bao gồm BPSK,

QPSK, 16QAM, 64QAM Khi yêu cầu với bộ khuếch đại công suấtcao và hoạt động với điều chế mức thấp (ví dụ BPSK hoặc QPSK).Các hệ thống WiMAX có thể phủ sóng một vùng địa lý rộng khiđường truyền giữa BS và MS không bị cản trở Ở những điều kiệntốt nhất có thể đạt được phạm vi phủ sóng 50 km với tốc độ dữ liệu

bị hạ thấp (một vài Mbit/s), phạm vi phủ sóng điển hình là gần 5 kmvới CPE (NLOS) trong nhà và gần 15km với một CPE được nối với

một anten bên ngoài (LOS) o Dung lượng cao: Có thể đạt được

dung lượng 75 Mbit/s cho các trạm gốc với một kênh 20 MHz trongcác điều kiện truyền sóng tốt nhất

o Tính mở rộng: Chuẩn 802.16-2004 hỗ trợ các dải thông kênh tần

số vô tuyến (RF) mềm dẻo và sử dụng lại các kênh tần số này như làmột cách để tăng dung lượng mạng Chuẩn đã được thiết kế để đạt tỷ

lệ lên tới hàng trăm thậm chí hàng nghìn người sử dụng trong một

kênh RF o Bảo mật: Bằng cách mật hóa các liên kết vô tuyến giữa

BS và MS, sử dụng chuẩn mật hóa tiên tiến AES ở chế độ CCM,đảm bảo sự toàn vẹn của dữ liệu trao đổi qua giao diện vô tuyến.Cung cấp cho các nhà vận hành với sự bảo vệ mạnh chống lại nhữnghành vi đánh cắp dịch vụ

1.4.3 Các chuẩn của Wimax [31]

1.4.3.1 Chuẩn IEEE 802.16 - 2001 [11]

Chuẩn IEEE 802.16-2001 được hoàn thành vào tháng 10/2001 vàđược công bố vào 4/2002, định nghĩa đặc tả kỹ thuật giao diện khônggian WirelessMAN™ cho các mạng vùng đô thị Đặc điểm chính củaIEEE 802.16 - 2001:

Giao diện không gian cho hệ thống truy nhập không dây băngrộng cố định họat động ở dải tần 10 - 66 GHz, cần thỏa mãntầm nhìn thẳng  Lớp vật lý PHY: WirelessMAN-SC

Tốc độ bit: 32 - 134 Mbps với kênh 28 MHz

Điều chế QPSK, 16 QAM và 64 QAM

Các dải thông kênh 20 MHz, 25 MHz, 28 MHz  Bán kínhcell: 2 - 5 km

Kết nối có định hướng, MAC TDM/TDMA, QoS, bảo mật

1.4.3.2 Chuẩn IEEE 802.16a - 2003

Chuẩn này được mở rộng hỗ trợ giao diện không gian cho nhữngtần số trong băng tần 2-11 GHz, bao gồm cả những phổ cấp phép vàkhông cấp phép và không cần thoả mãn điều kiện tầm nhìn thẳng Đặcđiểm chính của IEEE 802.16a như sau:

Bổ sung 802.16, các hiệu chỉnh MAC và các đặc điểm PHYthêm vào cho dải 2 - 11 GHz (NLOS)

Tốc độ bit : tới 75Mbps với kênh 20 MHz

Điều chế OFDMA với 2048 sóng mang, OFDM 256 sóngmang, QPSK, 16 QAM, 64 QAM

Dải thông kênh có thể thay đổi giữa 1,25MHz và 20MHz Bán kính cell: 6 - 9 km

Lớp vật lý PHY: WirelessMAN-OFDM, OFDMA, SCa

Các chức năng MAC thêm vào: hỗ trợ PHY OFDM vàOFDMA, hỗ trợ công nghệ Mesh, ARQ

1.4.3.3 Chuẩn IEEE 802.16 - 2004

Tháng 7/2004, chuẩn IEEE 802.16 - 2004 hay IEEE 802.16d đượcchấp nhận thông qua, kết hợp của các chuẩn IEEE 802.16 - 2001, IEEE802.16a, ứng dụng LOS ở dải tần số 10- 66 GHz và NLOS ở dải 2- 11GHz Khả năng vô tuyến bổ sung như là “beam forming” và kênh conOFDM

Tiêu chuẩn này sử dụng phương thức điều chế OFDM và có thểcung cấp các dịch vụ cố định, nomadic (người sử dụng có thể di chuyểnnhưng cố định trong lúc kết nối) theo tầm nhìn thẳng (LOS) và khôngtheo tầm nhìn thẳng (NLOS)

1.4.3.4 Chuẩn IEEE 802.16e

Đầu năm 2005, chuẩn không dây băng thông rộng 802.16e với tên gọi Mobile WiMax đã được phê chuẩn, cho phép trạm gốc kết nối tới những thiết bị đang di chuyển Chuẩn này giúp cho các thiết bị từ các nhà sản xuất này có thể làm việc, tương thích tốt với các thiết bị từ các

nhà sản xuất khác 802.16e hoạt động ở các băng tần nhỏ hơn 6 GHz, tốc

độ lên tới 15 Mbps với kênh 5 MHz, bán kính cell từ 2 - 5 km

802.16e hỗ trợ cho phương thức điều chế SOFDMA (ScalableOrthogonal Frequency Division Multiplexing), cho phép số sóng mangthay đổi, thực hiện các chức năng chuyển vùng và chuyển mạng, có thểcung cấp đồng thời dịch vụ cố định, nomadic, mang xách được (người

sử dụng có thể di chuyển với tốc độ đi bộ), di động hạn chế và di động.802.16e đưa ra hỗ trợ cải tiến hỗ trợ MIMO và AAS, cũng như cáchandoff cứng và mềm Nó cũng cải tiến các khả năng tiết kiệm côngsuất cho các thiết bị di động và các đặc điểm bảo mật linh hoạt hơn

1.4.3.5 So sánh tóm tắt các chuẩn IEEE 802.16 cơ bản

- Kênh trong giải tần số 20 MHz

- Thiết kế cho 10s MAC

- Không phân chia nhiều mức dịch vụ khác nhau cho người

- Chất lượng dịch vụ theo mứctập trung

Tầm hoạt

động

- Hoạt động trong vòng 100m - Không có hỗ trợ cho khoảng cách xa, gần

- Thiết kế cho môi trường multipath trong nhà

- Lớp vật lý và lớp MAC thiết kế cho khoảng cách gần

- Tối ưu cho NLOS ngoài trời -

Hỗ trợ MESH và kỹ thuật Anten tiên tiến

Bảo mật Sử dụng chuẩn WEP Sử dụng Tripple DES (128bits) và

2.1 MÔ HÌNH THAM CHIẾU [12,37]

Hình 2.1 và 2.2 minh họa mô hình tham chiếu và phạm vi của

chuẩn Trong mô hình tham chiếu này, lớp PHY tương ứng với lớp 1

(lớp vật lý) và lớp MAC tương ứng với lớp 2 (lớp liên kết dữ liệu)

trong mô hình OSI

Hình 2.1: Vị trí tương đối của các lớp MAC và PHY

Hình 2.2: Mô hình phân lớp trong hệ thống WiMax so sánh với OSI

Trên hình ta có thể thấy lớp MAC bao gồm 3 lớp con Lớp con hội

tụ chuyên biệt dịch vụ cung cấp bất cứ biến đổi hay ánh xạ dữ liệumạng bên ngoài, mà nhận được qua điểm truy nhập dịch vụ CS (CSSAP), vào trong các MAC SDU được tiếp nhận bởi lớp con phần chungMAC (CPS) qua SAP MAC Tức là phân loại các đơn vị dữ liệu dịch

vụ mạng ngoài (các SDU) và kết hợp chúng với định danh luồng dịch

vụ (SFID) MAC và định danh kết nối (CID) riêng Nó cũng có thể baogồm các chức năng như nén đầu mục tải (PHS) Nhiều đặc tính CSđược cung cấp cho giao tiếp với các giao thức khác nhau Định dạngbên trong của payload CS là duy nhất với CS, và MAC CPS khôngđược đòi hỏi phải hiểu định dạng hay phân tích bất cứ thông tin này từpayload CS MAC CPS cung cấp chức năng MAC cốt lõi truy nhập hệthống, định vị dải thông, thiết lập kết nối, và quản lý kết nối Nó nhận

dữ liệu từ các CS khác nhau, qua MAC SAP, mà được phân loại tới cáckết nối MAC riêng MAC cũng chứa một lớp con bảo mật riêng cungcấp nhận thực, trao đổi khóa bảo mật, và mật hóa

Lớp vật lý là một ánh xạ hai chiều giữa các MAC-PDU và cáckhung lớp vật lý được nhận và được truyền qua mã hóa và điều chế cáctín hiệu RF

- WirelessMAN - OFDMA và SOFDMA: 2 - 11 GHz

Sau đây sẽ đi nghiên cứu và phân tích cụ thể từng thành phần

2.2.1 Đặc tả WirelessMAN-SC PHY

Đặc tả này được thiết kế nhằm mục đích cho hoạt động ở dải tần10-66GHz, với mức độ mềm dẻo cao để cho phép các nhà cung cấpdịch vụ có thể tối ưu các triển khai hệ thống đối với quy hoạch cell, chiphí, khả năng vô tuyến, các dịch vụ và dung lượng

Để cho phép sử dụng phổ mềm dẻo, cả TDD và FDD được hỗ trợ.Hai công nghệ này sử dụng một định dạng truyền dẫn burst mà cơ cấukhung của nó hỗ trợ burst profiling thích ứng, ở đó những tham sốtruyền, bao gồm các kế hoạch điều chế và mã hóa, có thể được điềuchỉnh riêng cho mỗi trạm thuê bao trên cơ sở từng khung một Điềuchế QPSK, 16QAM, 64QAM

Cấu trúc khung bao gồm một khung con đường xuống và mộtkhung con đường lên Kênh đường xuống là TDM, với thông tin chomỗi MS được ghép kênh trên một luồng dữ liệu duy nhất và được nhậnbởi tất cả các MS trong cùng dải quạt Để hỗ trợ các MS bán song côngphân chia tần số, đường xuống cũng được cấu tạo chứa một đoạnTDMA

Kênh đường lên được phân thành một số khe thời gian Số các khethời gian được gán cho các sử dụng khác nhau (đăng ký, cạnh tranh,

bảo vệ, hoặc lưu lượng) được điều khiển bởi MAC trong BS và có thểthay đổi đối với thời gian để chất lượng tối ưu

Mỗi MS sẽ cố gắng nhận tất cả các phần của đường xuống trừnhững burst mà burst profile của nó hoặc không được thực hiện bởi MShoặc không mạnh bằng burst profile đường xuống hoạt động hiện thờicủa MS Các MS bán song công sẽ không cố gắng nghe các phần trùngkhớp đường xuống với truyền dẫn đường lên được chỉ định cho chúng,nếu có thể, được điều chỉnh bởi sự sớm định thời truyền của chúng.Các chu kỳ khung có thể là 0,5 ms, 1 ms, 2ms

2.2.2 Đặc tả PHY WirelessMAN-SCa

WirelessMAN-SCa PHY dựa vào công nghệ điều chế sóng mangđơn và được thiết kế cho hoạt động NLOS ở các dải tần dưới 11GHz.Các thành phần trong PHY này gồm:

 Các định nghĩa TDD và FDD, một trong hai phải được hỗ trợ

 Đường lên TDMA, đường xuống TDM hoặc TDMA

 Điều chế thích ứng Block và mã hóa FEC cho cả đường lên vàđường xuống

 Các cấu trúc khung mà cho phép sự cân bằng và chỉ tiêu đánhgiá kênh được cải thiện đối với NLOS và các môi trường trảirộng trễ được mở rộng

 FEC ràng buộc vào nhau sử dụng Reed-Solomon và điều chếđược mã hóa mắt lưới thực dụng với chèn tùy chọn

 Các tùy chọn FEC BTC và CTC bổ sung

 Tùy chọn không FEC sử dụng ARQ cho điều khiển lỗi

 Tùy chọn phân tập truyền mã hóa thời gian không gian (STC)

 Các chế độ mạnh cho hoạt động CINR thấp

 Các thiết lập tham số và các bản tin MAC/PHY mà thuận tiệncho các bổ sung AAS tùy chọn

2.2.3 Đặc tả PHY WirelessMAN-OFDM

2.2.3.1 Đặc điểm

WirelessMAN-OFDM PHY dựa vào điều chế OFDM và được thiết

kế cho họat động NLOS ở các dải tần số dưới 11GHz OFDM, một lược đồ ghép kênh phân chia tần số trực giao (OFDM) với

WirelessMAN-256 sóng mang Đa truy nhập của các trạm thuê bao khác nhau dựa vào

đa truy nhập phân chia thời gian (TDMA)

 Lớp PHY OFDM hỗ trợ các hoạt động TDD và FDD, với hỗtrợ cho các SS cả FDD và H - FDD

 Mã hóa sửa lỗi trước FEC: một lược đồ mã xoắn RS-CC tốc

độ thay đổi được kết hợp, hỗ trợ các tốc độ mã hóa 1/2, 2/3, 3/4 và5/6 BTC tốc độ thay đổi (tùy chọn) và mã CTC cũng được hỗ trợtùy chọn  Chèn (Interleaving)

 Điều chế: Chuẩn hỗ trợ các mức điều chế, gồm BPSK,QPSK, 16- QAM và 64-QAM

 Hỗ trợ (tùy chọn) phân tập phát ở đường xuống sử dụngSTC và các hệ thống anten thích nghi (AAS) với SDMA Lược đồphân tập sử dụng hai anten ở BS để truyền một tín hiệu được mã hóaSTC

 Nếu phân tập truyền được sử dụng, một phần khung DL(được gọi là miền) có thể được định rõ để trở thành miền phân tậptruyền Tất cả các burst dữ liệu trong miền phân tập truyền sử dụng

mã hóa STC Cuối cùng, nếu AAS được sử dụng, một phần khungcon DL có thể được chỉ định như là miển AAS Trong phần củakhung con này, AAS được sử dụng để giao tiếp với các SS có khảnăng AAS AAS cũng được hỗ trợ trong UL

 Truyền kênh con ở đường lên là một tùy chọn cho một SS,

và sẽ chỉ được sử dụng nếu các tín hiệu BS có khả năng giải mã cáctruyền dẫn như vậy

sự trực giao Hình 2.3 minh họa cấu trúc này

Hình 2.3: Cấu trúc thời gian symbol OFDM

Ở miền tần số, một symbol OFDM bao gồm các sóng mang con,

số sóng mang con xác định kích thước FFT được sử dụng Có ba loạisóng mang con:

Sóng mang con dữ liệu: cho truyền dữ liệu

Sóng mang con pilot: cho các mục đích ước lượng khác nhau

Sóng mang con Null: không truyền dẫn, dùng cho các dải bảo vệ,các sóng mang con không hoạt động và sóng mang con DC

Hình 2.4: Cấu trúc symbol OFDM miền tần số

Mục đích của các dải bảo vệ là để cho phép tín hiệu suy yếu và tạo

ra FFT dạng hình “brick wall” Các sóng mang phụ không hoạt độngchỉ trong trường hợp truyền kênh con bởi một SS

2.2.3.3 Cấu trúc khung

OFDM PHY hỗ trợ truyền dựa theo khung Một khung chứa khungcon đường xuống và đường lên Khung con đường xuống chỉ chứa mộtPHY PDU đường xuống Mỗi PHY PDU được truyền từ một SS khácnhau Xem minh họa trên hình 2.5

Hình 2.5: Cấu trúc khung OFDM với TDD

Trong mỗi khung TDD, TTG và RTG sẽ được chèn giữa khung conđường xuống và đường lên và ở cuối mỗi khung, tách biệt ra cho phép

BS chuyển hướng

Trong hệ thống FDD, cấu trúc khung UL và DL tương tự, ngoại trừ

UL và DL được truyền trên các kênh riêng rẽ Khi các SS là H-FDD,

BS phải đảm bảo rằng không lập lịch để truyền và nhận cùng thời điểm

2.2.4 Đặc tả PHY WirelessMAN-OFDMA

2.2.4.1 Đặc điểm

Lớp PHY OFDMA WirelessMAN cũng được thiết kế dựa trên điềuchế OFDM WirelessMAN-OFDMA, lược đồ OFDM 2048 sóng mangOFDM Đa truy nhập được thực hiện bằng cách gán một tập con các

sóng mang cho một máy thu cá nhân, và vì vậy nó được xem như làOFDMA Nó hỗ trợ kênh con ở UL và DL Chuẩn hỗ trợ 5 lược đồkênh con khác nhau Lớp PHY OFDMA hỗ trợ hai họat động TDD vàFDD Mã xoắn (CC) là lược đồ mã hóa được yêu cầu và các tốc độ mãhóa giống nhau được hỗ trợ như được hỗ trợ bởi lớp PHY OFDM Cáclược đồ mã hóa BTC và CTC được hỗ trợ tùy chọn

2.2.4.2 Symbol OFDMA

Ở miền tần số, cấu trúc một symbol OFDMA cũng giống nhưOFDM, bao gồm 3 loại sóng mang con (data, pilot, null), số sóng mangxác định kích thước FFT sử dụng Hình 2.6 và 2.7 minh họa cấu trúcnày

Hình 2.6: Cấu trúc sóng mang con OFDMA

Hình 2.7: Cấu trúc symbol OFDMA trong WiMax

(Các sóng mang con có cùng màu biểu thị cho cùng một kênh con)

Trong chế độ OFDMA, các sóng mang con hoạt động được chiathành các tập sóng mang con, mỗi tập được xem như một kênh con Ởđường xuống, một kênh con có thể được dành cho (nhóm) các máy thukhác nhau; ở đường lên, một máy phát có thể được gán cho một hoặchơn các kênh con, nhiều máy phát có thể truyền đồng thời Các sóngmang con tạo ra một kênh con có thể, nhưng không cần thiết phải kềnhau Symbol được chia thành các kênh con logic để hỗ trợ khả năng

mở rộng, đa truy nhập, và các khả năng xử lý ma trận ăng ten tiên tiến

2.2.4.3 Cấu trúc khung

Trong hệ thống TDD, mỗi khung ở truyền dẫn đường xuống bắt đầuvới một preamble và theo sau bởi một đoạn truyền dẫn DL và một đoạntruyền dẫn UL Ở mỗi khung, TTG và RTG sẽ được chèn giữa đườnglên và đường xuống ở cuối mỗi khung cho phép BS chuyển hướng

Hình 2.8: Cấu trúc khung OFDMA WiMax

Trong các hệ thống TDD và H-FDD, các hạn định cho phép trạmthuê bao phải được thực hiện bởi một SSRTG và bởi một SSTTG BS

sẽ không truyền thông tin đường xuống tới một trạm muộn hơn(SSRTG+RTD) trước định vị đường lên được lập lịch của nó, và sẽkhông truyền thông tin đường xuống tới nó sớm hơn (SSTTG+RTD)sau tận cùng của định vị đường lên được lập lịch, ở đó RTD biểu thị trễtoàn phần Các tham số SSRTG và SSTTG có khả năng được cung cấpbởi MS tới BS dựa vào yêu cầu trong thời gian vào mạng

Hai kênh con được truyền đầu tiên trong symbol dữ liệu đầu tiêncủa đường xuống được gọi là FCH FCH sẽ được truyền sử dụng QPSKtốc độ 1/2 với 4 lần lặp sử dụng sơ đồ mã hóa bắt buộc (thông tin FCH

sẽ được gửi trên 4 kênh con liền kề) trong một vùng PUSC FCH chỉ rõchiều dài của bản tin DL-MAP mã hóa được sử dụng cho bản tin DL-MAP

Những chuyển tiếp giữa điều chế và mã hóa xảy ra trên các biênsymbol OFDMA ở miền thời gian và trên các kênh con trong mộtsymbol OFDMA trong miền tần số

2.3 LỚP MAC TRONG CHUẨN IEEE 802.16 [12, 13, 14, 15]

2.3.1 Lớp con hội tụ MAC chuyên biệt về dịch vụ (CS)

Chuẩn định nghĩa hai lớp con quy tụ chuyên biệt về dịch vụ tổngthể để ánh xạ các dịch vụ đến và từ những kết nối MAC Lớp con quy

tụ ATM được định nghĩa cho những dịch vụ ATM và lớp con quy tụ góiđược định nghĩa để ánh xạ các dịch vụ gói như IPv4, IPv6, Ethernet vàVLAN Nhiệm vụ chủ yếu của lớp con là phân loại các SDU (đơn vị dữliệu dịch vụ) theo kết nối MAC thích hợp, bảo toàn hay cho phép QoS

và cho phép định vị dải thông Ngoài những chức năng cơ bản này, cáclớp con quy tụ có thể cũng thực hiện nhiều chức năng phức tạp hơn nhưchặn và xây dựng lại đầu mục tải tối đa để nâng cao hiệu suất kết nối

không gian

2.3.2 Lớp con phần chung MAC (Common Part Sublayer MAC)

Lớp con phần chung MAC (MAC CPS) là trung tâm của chuẩn.Trong lớp con này, các quy tắc cho quản lý kết nối, định vị dải thông và

cơ cấu cho truy nhập hệ thống được định nghĩa Ngoài ra các chức năngnhư lập lịch đường lên, yêu cầu và cấp phát dải thông, và yêu cầu lặplại tự động (ARQ) cũng được định nghĩa

2.3.2.1 Các định dạng MAC PDU

Hình 2.9: Các định dạng MAC PDU

MAC-BS và MAC-MS trao đổi các bản tin, và các bản tin nàyđược xem như các PDU Định dạng của MAC PDU như hình 2.9 Trênhình ta có thể thấy bản tin bao gồm ba phần: header MAC chiều dài cốđịnh là 6 bytes, payload chiều dài thay đổi và CRC Các MAC PDU cóthể chứa hoặc các bản tin quản lý MAC hoặc dữ liệu lớp con hội tụ -MAC SDU Payload là tùy chọn, CRC cũng tùy chọn và chỉ được sửdụng nếu MS yêu cầu trong các tham số QoS

Có hai loại header MAC: header MAC chung (GMH) và headerMAC yêu cầu dải thông (BR) GMH được sử dụng để truyền dữ liệuhoặc các bản tin quản lý MAC Header BR được sử dụng bởi MS đểyêu cầu nhiều dải thông hơn trên UL

Header MAC và các bản tin quản lý MAC không được mật hóa

Các loại MAC - PDU bao gồm:

- MAC PDU dữ liệu: payload là các MAC SDU, các segment

- MAC PDU quản lý: payload là các bản tin quản lý MAC hoặc cácgói IP được gói gọn trong các MAC CS PDU, được truyền trên cáckết nối quản lý

- Các MAC PDU yêu cầu dải thông: HT =1; và không có payload,chỉ có header

2.3.2.2 Cơ cấu ARQ

ARQ sẽ không được sử dụng với đặc tả PHY WirelessMAN-SC

Cơ cấu ARQ là một phần của MAC, mà là tùy chọn bổ sung Khi được

bổ sung, ARQ có thể được phép trên cơ sở mỗi kết nối Mỗi kết nốiARQ sẽ được chỉ rõ và được dàn xếp trong thời gian tạo kết nối Mộtkết nối không thể có sự kết hợp cả lưu lượng ARQ và không ARQ Chỉhiệu quả với các ứng dụng không thời gian thực

2.3.2.3 Truy nhập kênh và QoS

IEEE 802.16 có thể hỗ trợ nhiều dịch vụ thông tin (dữ liệu, thoại,video) với các yêu cầu QoS khác nhau Cơ cấu nguyên lý để cung cấpQoS là phải kết hợp các gói qua giao diện MAC vào một luồng dịch vụđược nhận biết bởi CID Một luồng dịch vụ là một luồng vô hướng màđược cung cấp một QoS riêng biệt MS và BS cung cấp QoS này theotập tham số QoS được định nghĩa cho luồng dịch vụ Mục đích chínhcủa các đặc tính QoS được định nghĩa ở đây là để xác định thứ tự vàlập lịch truyền ở giao diện không gian

2.3.3 Lớp con bảo mật

Toàn bộ bảo mật của 802.16 dựa vào lớp con bảo mật Lớp con bảomật là lớp con giữa MAC CPS và lớp vật lý Mục tiêu của nó là đểcung cấp điều khiển truy nhập, bảo mật liên kết dữ liệu, chịu trách

nhiệm mật hóa, giải mã dữ liệu vào/ra ở lớp vật lý (PHY) Đồng thời sử

dụng cho cấp phép và trao đổi khóa bảo mật, ngăn chặn đánh cắp dịch

vụ

Bảo mật của 802.16 gồm các thành phần sau: các liên kết bảo mật

(SA), chứng nhận X.509, giao thức cấp phép quản lý khóa riêng tư

(authorization PKM), quản lý khóa và riêng tư (PKM), mật hóa dữ liệu

Chương 3 sẽ nghiên cứu sâu hơn về vấn đề bảo mật trong WiMax

2.4 LỚP CON HỘI TỤ TRUYỀN TC

Giữa PHY và MAC là một lớp con hội tụ truyền dẫn TC Lớp này

thực hiện sự biến đổi các MAC PDU độ dài có thể thay đổi vào trong

các khối FEC độ dài cố định (cộng thêm có thể là một khối được rút

ngắn vào đoạn cuối) của mỗi cụm Lớp TC có một PDU có kích thước

khớp với khối FEC hiện thời bị đầy Nó bắt đầu với 1 con trỏ chỉ ra vị

trí đầu mục MAC PDU tiếp theo bắt đầu bên trong khối FEC

Hình 2.10: Định dạng TC PDU

Khuôn dạng PDU TC cho phép đồng bộ hoá MAC PDU tiếp sau

trong trường hợp khối FEC trước đó có những lỗi không thể phục hồi

được Không có lớp TC, một SS hay BS nhận sẽ mất toàn bộ phần còn

lại của một cụm khi có một lỗi không thể sửa chữa xuất hiện

PDU của lớp con TC

P = con trỏ 1 byte

Preamble Khối PDU đầu tiên

khởi đầu trong TC hiện tại

Trong mạng truy nhập băng rộng không dây WiMax có rất nhiều

vấn đề kỹ thuật cần phải nghiên cứu, tìm hiểu để lựa chọn được

phương án kỹ thuật tối ưu với chi phí triển khai mạng kinh tế và hiệu

quả Trong phạm vi của luận văn này sẽ đề cập tới một số vấn đề chính

và có liên hệ với tình hình thực tế tại Việt nam như: băng tần, topo

mạng, điều chế, mã hóa, đa truy nhập và song công, trải phổ, mô hình

kênh, mô hình suy hao đường truyền, dung lượng, bảo mật, anten.

Trong đó sẽ tập trung đi sâu vào mô hình suy hao đường truyền

WiMax

3.1 CÁC BĂNG TẦN CHO WIMAX [34, 38, 39]

Bảng 3.1 trình bày các dải tần số có thể sử dụng trong WiMax

Tên dải tần Dải tần số Độ rộng dải tần Loại

Với các tần số càng thấp, sóng vô tuyến truyền lan càng xa, số trạm

gốc cần sử dụng càng ít, tức mức đầu tư cho hệ thống thấp đi Vì vậy,WiMax Forum cũng đang xem xét khả năng sử dụng các băng tần dưới1GHz, đặc biệt là băng 698MHz - 806MHz Hiện nay, một số nướcđang thực hiện việc chuyển đổi từ truyền hình tương tự sang truyềnhình số, nên sẽ giải phóng được một phần phổ tần sử dụng choWBA/WiMax

Với Việt Nam, do đặc điểm có rất nhiều đài truyền hình địa phươngnên các kênh trong giải 470-806MHz dành cho truyền hình được sửdụng dày đặc cho các hệ thống truyền hình tương tự Hiện chưa có lộtrình cụ thể nào để chuyển đổi các hệ thống truyền hình tương tự nàysang truyền hình số, nên chưa thấy có khả năng có băng tần để cấp choWBA/WiMax ở đây

10 khối 5MHz trong dải 23002350MHz để sử dụng cho WBA với cácđiều kiện tương tự như với băng 2.5GHz Úc chia băng tần này thànhcác khối 7MHz, không qui định cụ thể về công nghệ hay độ rộng kênh,

ưu tiên cho ứng dụng cố định Mỹ chia thành 5 khối 10MHz, không quiđịnh cụ thể về độ rộng kênh, cho phép triển khai cả TDD và FDD Đốivới Việt Nam, đây cũng là một băng tần có khả năng sẽ được sử dụng

để triển khai Mobile WiMax (theo chuẩn 802.16e - 2005)

3.1.1.3 Băng tần 2,5 GHz

Đã được cấp phát trong phần lớn các nước trên thế giới, bao gồmbắc Mỹ, Mỹ Latin, Đông và Tây Âu và nhiều vùng của châu Á - TháiBình Dương Mỗi quốc gia thường cấp phát dải khác nhau, vì vậy phổđược cấp phát qua các vùng có thể từ 2,495 GHz đến 2,690 GHz Tổngphổ khả dụng là 195 MHz, bao gồm các dải phòng vệ và các kênhMDS, gữa 2.495 GHz và 2.690 GHz Hỗ trợ FDD, TDD Phổ trên mỗiđăng ký là 22.5 MHz, một block 16.5 MHz và một block 6 MHz, tổng

số 8 đăng ký

Băng tần này là băng tần được WiMax Forum ưu tiên lựa chọn choWiMax di động theo chuẩn 802.16-2005 Có hai lý do cho sự lựa chọnnày Thứ nhất, so với các băng trên 3GHz điều kiện truyền sóng củabăng tần này thích hợp cho các ứng dụng di động Thứ hai là khả năngbăng tần này sẽ được nhiều nước cho phép sử dụng WBA bao gồm cảWiMax WiMax ở băng tần này có độ rộng kênh là 5MHz, chế độ songcông TDD, FDD Vì vậy, hiện đã có một số nước như Mỹ, Brazil,Mexico, Singapore, Canada, Liên hiệp Anh (UK), Australia cho phép

sử dụng một phần băng tần tần này cho WBA Trung Quốc và Ân Độcũng đang xem xét

Với Việt Nam, Quy hoạch phổ vô tuyến điện quốc gia được Thủtướng Chính phủ phê duyệt cuối năm 2005 đã quy định băng tần 2500-

2690 MHz sẽ được sử dụng cho các hệ thống thông tin di động thế hệmới, không triển khai thêm các thiết bị khác trong băng tần này Vì vậy,

có thể hiểu công nghệ WiMax di động cũng là một đối tượng của quyđịnh này

3.1.1.4 Băng tần 3.3 GHz

Băng tần này đó được phân bổ ở Ấn Độ, Trung Quốc và Việt Namđang xem xét phân bổ chính thức Do Ấn Độ và Trung Quốc là hai thịtrường lớn, nên dù chưa có nhiều nước cấp băng tần này cho WBA,nhưng thiết bị WiMAX cũng đã được sản xuất Chuẩn WiMax áp dụng

ở băng tần này tương tự như với băng 3.5GHz, đó là WiMax cố định,chế độ song công FDD hoặc TDD, độ rộng kênh 3.5MHz hoặc 7MHz

Do Ấn Độ chỉ cho phép sử dụng đoạn băng tần 3316-3400MHz, nêncác thiết bị WiMax hiện tại cũng chỉ làm việc trong đoạn này với tối đa2x9 kênh 3.5MHz Vì vậy, nếu cứ 4 nhà khai thác sử dụng băng tần nàythì thường mỗi nhà khai thác chỉ được cấp sử dụng 2x2 kênh 3.5MHz.Trong khi đó, theo ý kiến của các chuyên gia Alvarion, một trongnhững hãng cung cấp thiết bị WiMax, thì để khai thác hiệu quả, mỗinhà khai thác nên được cấp ít nhất 2x3 kênh 3.5MHz

3.1.1.5 Băng tần 3,5 GHz

Ở châu Âu, Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu đã phân phối dải3,5 GHz cho các giải pháp WiMAX đăng ký Tổng phổ khả dụng, thayđổi theo quốc gia nhưng nói chung khoảng 200MHz giữa 3,4 GHz và

3,8 GHz Hỗ trợ cả FDD và TDD, một vài quốc gia chỉ sử dụng FDD

trong khi các quốc gia khác cho phép sử dụng FDD hoặc TDD Phổtrên mỗi đăng ký thay đổi từ 25MHz đến 256 MHz

3.1.1.6 Băng 3,7 GHz

Băng 3600-3800MHz được một số nước châu Âu xem xét để cấpcho WBA Tuy nhiên, do một phần băng tần này (từ 3.7-3.8GHz) đangđược nhiều hệ thống vệ tinh viễn thông sử dụng (đường xuống băng C),đặc biệt là ở khu vực châu Á, nên ít khả năng băng tần này sẽ đượcchấp nhận cho WiMax ở châu Á

3.1.1.7 Băng tần 10,5 GHz và 26 GHz

Các dải tần 3,5GHz, 10,5Ghz, 26Ghz được khuyến cáo dùng chomạng FBWA ở Châu Âu Dải tần 3,5Ghz và 10,5Ghz được dự định sửdụng cho các ứng dụng điểm - đa điểm, trong khi đó dải tần 26Ghzđược triển khai rất tốt cho các liên kết radio cố định điểm - điểm truyềnthống

3.1.2 Băng tần không cấp phép

3.1.2.1 Băng tần 5GHz

Dải tần 5 GHz radio LAN (RLAN) trên thực tế có hai băng tần số:5,150 - 5,350 GHz và 5,470 - 5,725 GHz Các dải tần này được chỉđịnh dùng cho RLAN, nó được tổ chức viễn thông thế giới ITU(International Telecommunication Union) giới hạn sử dụng cho cácmạng WLAN Dải tần này không cần cấp phép nhưng lại chỉ có thể sửdụng cho các thiết bị RLAN Thực tế chỉ có băng tần 5,470 - 5,725được dự định sử dụng cho các ứng dụng ngoài trời thông thường, độrộng dải tần tối đa có thể sử dụng là 255 MHz Độ rộng dải tần lớn cho

phép chúng ta sử dụng nhiều kênh hoạt động trong cùng một khu vựcđịa lý, làm gia tăng dung lượng tiềm năng của mạng, giảm can nhiễu vàlàm cho việc thiết kế mạng dễ dàng hơn nhiều

3.1.2.2 Băng tần 5.8 GHz

Băng tần này được WiMax Forum quan tâm vì đây là băng tầnđược nhiều nước cho phép sử dụng không cần cấp phép và với côngsuất cao hơn so với các đoạn băng tần khác trong dải 5GHz (5125-5250MHz, 5250-5350MHz), vốn thường được sử dụng cho các ứngdụng trong nhà Theo WiMax Forum thì băng tần này thích hợp để triểnkhai WiMax cố định, độ rộng phân kênh là 10MHz, phương thức songcông được sử dụng là TDD, không có FDD

3.1.3 Lựa chọn băng tần WiMax tại Việt Nam [22, 25, 26]

Khi thiết kế một mạng truy nhập băng rộng không dây ta phải lựachọn băng tần hoạt động cho mạng trong số các băng tần được phép sửdụng Các tiêu chí để lựa chọn băng tần hoạt động bao gồm:

• Dải tần cấp phép

• Dung lượng tập trung phụ thuộc vào vùng dịch vụ

• Mật độ thuê bao trong vùng dịch vụ, địa hình của vùng dịch vụ

• Mức độ nhiễu trong các băng tần không cần cấp phép

• Vấn đề suy hao đường truyền vô tuyến trong băng tần đó

• Giá thành thiết bị hoạt động trong băng tần đó

Hình 3.1: Dải tần số triển khai WiMax ở một số khu vực trên thế giới

Lựa chọn sử dụng băng tần cấp phép hay không cấp phép đòi hỏiphải có một sự tính toán rất kỹ lưỡng Trong mỗi khu vực địa lý mỗinhà cung cấp dịch vụ được cấp phép duy nhất quyền sử dụng một sốdải tần trong các băng tần này, do đó các băng tần được cấp phép cókhả năng bảo vệ hệ thống WiMax khỏi sự can nhiễu các hệ thống khác.Trong các băng tần không cấp phép mức can nhiễu là không thể dựđoán cũng như kiểm soát được Vùng phủ sóng và mức năng lượngphát xạ của mỗi BS được kiểm soát, tính toán chặt chẽ, chính xác Hình3.1 là sự lựa chọn băng tần triển khai WiMax ở một số khu vực trên thếgiới

Tại Việt nam, băng tần 3.3GHz được lựa chọn cho hệ thống Fixed WiMax (theo chuẩn IEEE 802.16d - 2004) và băng tần 2,3 GHz (hoặc 2,5 GHz) được lựa chọn cho hệ thống Mobile WiMax (theo chuẩn 802.16e - 2005) Sự lựa chọn trên dựa theo các tiêu chí:

• Đây là băng tần cấp phép nên có thể kiểm soát can nhiễu

• Trong bảng trên ta thấy đây là băng tần cho phép năng lượngtruyền lớn

• Những tần số thuộc băng tần này bé nên có thể thoả mãn yêu cầuNLOS

• Tốc độ dữ liệu cao khoảng 15Mbps cho mỗi sector

- Mạng lưới (Mesh): Mỗi thiết bị đầu cuối hoạt động như các bộ

định tuyến (router) cho các lưu lượng khác nhau Mạng Mesh cungcấp một cách để mở rộng vùng phục vụ của một mạng truy nhậpkhông dây, khi mỗi thuê bao lại có thể coi như một trạm phát gốcphục vụ cho các thuê bao ở gần nó Tuy nhiên, tại cùng một thời điểmdung lượng của một số liên kết có thể bị méo (strained) Thiết bị đầucuối phía người dùng cũng phức tạp hơn, bởi vì nó cần phải có chứcnăng định tuyến

Trên thực tế mạng WiMax thường sử dụng phối hợp nhiều loạitopo mạng khác nhau Ví dụ như, thường sử dụng liên kết PTP như làmột đường trục cho nhiều trạm gốc PMP Có thể kết hợp nhiều côngnghệ vô tuyến khác nhau trong một mạng Trong chuẩn IEEE 802.16,đặc tả cả hai loại topo mạng Mesh và PMP Trên thực tế, hầu hết các hệ

thống trên thị trường là hệ thống PMP Một số hệ thống dựa trên topodạng Mesh cũng được giới thiệu, tuy nhiên hệ thống PMP sẽ chiếm ưuthế vượt trội trong tương lai gần Do đó, trong phạm vi của luận vănnày chỉ nghiên cứu hệ thống PMP

3.2.2 Cấu trúc mạng Điểm - Đa điểm (PMP) [24]

Mạng điểm - đa điểm FBWA về cơ bản là một mạng được khu vựchoá bao gồm hai thành phần chính: Một trạm gốc (Base Station - BS)

và thiết bị giao tiếp đầu cuối khách hàng (Customer PremisesEquipment - CPE) như hình vẽ 3.2

Hình 3.2: Ví dụ về kiến trúc của một mạng Fixed WiMax

Trạm gốc BS bao gồm một hoặc nhiều thiết bị thu phát vô tuyến,mỗi thiết bị chịu trách nhiệm kết nối với nhiều CPE trong khu vực phủsóng Các modem không dây (Radio modems) kết nối tới một bộ đacông (Multiplexer), tương tự như một khoá chuyển đổi, nó tập hợp lưulượng từ các sector khác nhau và gửi chuyển (forward) chúng tới một

bộ định tuyến (Router) cung cấp kết nối tới giao thức (IP) của nhà cungcấp dịch vụ mạng

Thiết bị giao tiếp đầu cuối khách hàng CPE bao gồm 3 thành phầnchính: một modem, một radio, và một anten Modem cung cấp mộtgiao diện giữa mạng của khách hàng với mạng FBWA của nhà cungcấp dich vụ Radio cung cấp một giao diện giữa modem với anten Bathành phần có thể là riêng biệt hoặc tích hợp một phần hay hoàn toànlên một hay hai phần nhỏ của thiết bị

3.2.3 Tầm nhìn thẳng trong mạng điểm - đa điểm (PMP) [23, 36]

Chất lượng phục vụ của mạng truy nhập băng rộng không dây cốđịnh (FBWA) phụ thuộc nhiều vào vị trí của CPE đến BS của hệ thống.Nếu từ CPE đến BS có vật cản thì hiệu quả truyền sóng sẽ kém đi rấtnhiều

Hình 3.3: Ví dụ về một mạng PMP có thể triển khai trong thực tế

Vì vậy cho nên mạng FBWA điểm - đa điểm thường được chia

thành hai loại: Hệ thống nằm trong tầm nhìn thẳng (Line-Of-Sight:

LOS), và hệ thống không nằm trong tầm nhìn thẳng

(Non-Line-Of-Sight: NLOS) Hầu hết mọi sản phẩm của các nhà sản xuất thiết bị

WiMax trên thị trường đều có khả năng hỗ trợ NLOS Trong công

nghiệp giới hạn của việc truyền NLOS cũng khác nhau Sự khác nhau

đó được thể hiện chi tiết trong bảng 3.2

Loại hệ thống Hệ thống LOS Hệ thống NLOS

LOS Gần LOS NLOS ngoài trời NLOS trong nhà Đường đi của

sóng radio

Thẳng, không

có vật cản trở

Thẳng, có vật cản trở, ví dụ như cây cối

Phản xạ, không

có thành phần nhìn thẳng

Phản xạ, không cóthành phần nhìn thẳng

Anten CPE Có hướng tính

cao, được đặt ben ngoài các toà nhà

Có hướng tính cao, đượcđặt bên ngoài các toà nhà

Có tính định hướng, được đặt bên ngoài các toà nhà

Thu được tất cả các hướng, tích hợp với CPE, có thể đặt trong nhà

Bảng 3.2: So sánh hệ thống LOS và NLOS

Các mạng có khả năng NLOS thường vượt trội hơn so với các

mạng LOS vì vùng phủ sóng của các trạm gốc FBWA là tốt hơn nên có

thể có nhiều thuê bao gốc hơn Việc cung cấp dịch vụ cho các thuê bao

FBWA cũng dễ dàng hơn vì mạng có khả năng phủ hết tất cả các điểm

trong một vùng nhất định Trong trường hợp của mạng NLOS trong

nhà, CPE rất dễ cài đặt và có thể được cài đặt bởi người dùng