Mẫu sử dụng lại tần số kênh con được cấu hình để người dùng gần trạm gốc hoạt động trong khu vực sẵn có các kênh con.. Với cấu hình như vậy, một mẫu sử dụng lại tần số hợp lý sẽ được duy
Trang 1WiMAX di động: Tổng quan kỹ thuật - đánh giá hoạt động (phần 3)
Đỗ Ngọc Anh
Trong WiMax di động, việc sử dụng kênh con linh hoạt được thực hiện dễ dàng do phân đoạn kênh con và vùng hoán vị Một phân đoạn là một sự phân mảnh của các kênh con OFDMA sẵn
có (một đoạn có thể gồm toàn bộ các kênh con) Một đoạn được sử dụng để triển khai một trường hợp đơn lẻ của MAC Vùng hoán vị là một số lượng các ký hiệu OFDMA liền kề trong DL hoặc
UL mà sử dụng cùng hoán vị Khung con DL hoặc UL bao gồm nhiều hơn một vùng hoán vị được mô tả trên Hình 10
Mẫu sử dụng lại tần số kênh con được cấu hình để người dùng gần trạm gốc hoạt động trong khu vực sẵn có các kênh con Còn đối với người dùng ở đường biên, mỗi cell hoạt động trên vùng chỉ
có một phần kênh con sẵn có Trong Hình 11, F1, F2 và F3 biểu thị các tập kênh con khác nhau trong cùng một kênh tần số Với cấu hình như vậy, một mẫu sử dụng lại tần số hợp lý sẽ được duy trì cho người dùng ở trung tâm để tối đa hiệu suất phổ và sử dụng lại tần số một phần được thực hiện cho các thuê bao ở đường biên để đảm bảo thông lượng và chất lượng kết nối Kế hoạch sử dụng lại kênh con có thể được tối ưu theo cell trên cơ sở dung lượng mạng và tình trạng nhiễu khung Do đó tất cả các cell có thể hoạt động trên cùng kênh tần số mà không cần hoạch định tần số
Hình 10: Cấu trúc khung đa miền
Khung con DL
Khung con UL
Vùng chuyển mạch IEs trong DL_MAP
Phải xuất hiện trong mọi khung
Có thể xuất hiện trong một khung
AMC TUSC 1 TUSC 2
Trang 2Hình 12 mô tả cấu trúc vùng DL/UL khi kết hợp cả dịch vụ đơn hướng (unicast) và quảng
bá (broadcast) Vùng MBS hỗ trợ chế độ multi-BS MBS sử dụng mạng một tần số (SFN) và khoảng thời gian linh động của các vùng MBS cho phép ấn định mềm dẻo tài nguyên vô tuyến cho MBS Cần chú ý là các vùng đa MBS cũng khả thi
4 Tính toán hiệu suất hệ thống di động Wimax
4.1 Các thông số hệ thống di động Wimax
F1+F2+F3
F2
F1 F3
Hình 11: Sử dụng lại tần số chia nhỏ
Hình 12: Hỗ trợ MBS nhúng với những vùng WiMAX-MBS Di động
Vùng PUSC STC
H-ARQ REGION (VoIP)
COMPRESSED
DL MAP REGION MBS
H-ARQ REGION (VoIP)
Vùng PUSC thứ nhất
Khung con UL
Vùng MBS PUSC STC
Khung con DL
Vùng PUSC
Trang 3Khi WiMAX di động được dựa trên OFDMA theo mức, nó có thể cấu hình linh hoạt để hoạt động tại các băng thông khác nhau nhờ điều chỉnh các thông số hệ thống Chúng ta xem xét hệ thống WiMAX di động với các đặc tính sau đây như là một bài toán cho tính toán hiệu suất hệ thống di động Wimax Bảng 7 cung cấp các thông số hệ thống, Bảng 8 là các thông số OFDMA
và Bảng 9 chỉ ra các mô hình truyền sóng được sử dụng cho tính toán hiệu suất
Bảng 7: Các thông số hệ thống WiMAX Di động
Các thông số Giá trị
Khoảng cách nhỏ nhất Di dộng-đến-BS 36 m Kiểu dáng anten
70 0 (-3dB) với
20 dB tỷ số giữa-đến-cuối
Sự tăng thêm anten BS 15 dBi
Sự tăng thêm anten MS -1 dBi Năng lượng khuếch đại công suất cực đại BS 43 dBm Năng lượng PA cực đại đầu cuối di động 23 dBm của anten Tx/Rx BS Tx: 2 hoặc 4; Rx: 2 hoặc 4
của anten Tx/Rx MS Tx: 1; Rx: 2
Bảng 8: Các thông số OFDMA
Các thông số Các giá trị
Băng thông kênh hệ thống (MHz) 10 Tần số lấy mẫu (F p là MHz) 11.2
Không gian tần số sóng mang con 10.94 KHz Thời gian symbol có ích (T b =1/f) 91.4 µs Thời gian giám sát (T g =T b /8) 11.4 µs Thời gian tồn tại ký hiệu OFDMA (Tần số=T b +T g ) 102.9 µs
Thời gian tồn tại khung 5 ms
Số lượng các symbol OFDMA 48
Các sóng mang con rỗng (Null) 184 Các sóng mang con dẫn đường 120 Các sóng mang con dữ liệu 720
DL PUSC
UL PUSC Các sóng mang con rỗng (Null) 184
Trang 4Các sóng mang con dẫn đường 280 Các sóng mang con dữ liệu 560
Bảng 9: Phương thức truyền bá
Phương thức truyền bá Ngoại ô COST 231 Hiệu ứng màn che bản ghi thông thường SD (σs) 8 dB
Sự tương quan hiệu ứng màn che BS 0.5
Bảng 10 : Quỹ đường truyền liên kết DL cho WiMAX Di động
Đường xuống WiMAX Di động
Cấu trúc trạm cơ sở MAP Đường truyền-PUSC Đơn vị
Khả năng Tx trên yếu tố anten 10.0 10.0 10.0 W
Số lượng các yếu tố anten Tx 2.0 2.0 2.0
Sự tăng thêm anten Tx 15.0 15.0 15.0 dBi
Số lượng sóng mang con đang sử dụng 840 840 840
Năng lực trên sóng mang con đang sử dụng 28.1 28.1 28.1 dBm
Đơn vị di động (Điện thoại cầm tay trong nhà)
Sự tăng thêm anten Rx -1.0 -1.0 -1.0 dBi
Sự tăng thêm tính đa dạng anten Rx (2 anten) 3.0 3.0 3.0 dB
Các số dư
Số dư giảm dần bản ghi thông thường 5.56 5.56 5.56 dB
Số dư sự giảm âm nhanh 6.0 2.0 2.0 dB
Độ nhạy Rx di động
Khoảng cách sóng mang con 10.94 10.94 10.94 KHz
Kiểu điều chế QPSK 1/8 PQSK 1/2 16QAM 1/2
Phạm vị khoảng cách ô giới hạn 0.82
Tỷ lệ dữ liệu đường truyền DL 2.88 5.76 Mbps
Độ nhạy Rx (trên sóng mang) -129.9 -123.2 -117.7 dBm
Trang 5Tổn thất thành phần cho phép tối đa 136.4 133.7 128.2 dB
Bảng 11: Quỹ đường truyền kết nối WiMAX Di động
Đơn vị di động (Điện thoại cầm tay
trong nhà) Kênh FB Sự chỉ định đầy đủ đường truyền Đơn vị
Khả năng Tx trên yếu tố anten 200 200 200 mW
Số lượng các yếu tố anten Tx 1.0 1.0 1.0
Sự tăng thêm anten Tx -1.0 -1.0 -1.0 dBi
Các sóng mang con được xác định 70 72 216 Các sóng mang dữ liệu được xác định 60 48 144 Năng lượng trên sóng mang con đang
Sự tăng thêm anten Rx 15.0 15.0 15.0 dBi
Sự tăng thêm đa dạng anten Rx 3.0 3.0 3.0 dBi
Số dư giảm dần bản ghi thông thường 5.56 5.56 5.56 dB
Số dư sự giảm âm nhanh 4.0 2.0 2.0 dB
Tổn thất xuyên âm 10.0 10.0 10.0 dB
Tạp âm nhiệt -174 -174 -174 dBm/KHz Khoảng cách sóng mang con 10.94 10.94 10.94 KHz Kiểu điều biên Ranging QPSK 1/8 PQSK 1/8
Độ nhạy Rx (trên sóng mang con) -135.6 -132.1 -132.1 dBm
Độ nhạy Rx (tổng hợp) -117.8 -111.1 -108.8 dBm
Tổn thất thành phần cho phép tối đa 134.6 133.0 128.2 dB
4.2 Quỹ đường truyền WiMAX di động
Tính toán quỹ đường truyền dựa trên các thông số hệ thống và mô hình truyền sóng kênh tại
Bảng 11 Giá trị 5,56 dB được sử dụng cho độ dự trữ suy hao giả định trong bảng chiếm 75% khả
năng phủ sóng tại đường biên cell và 90% khả năng phủ sóng trên toàn vùng Dự trữ nhiễu là 2
dB cho DL và 3dB cho UL với mẫu sử dụng lại tần số là (1,1,3) Dự trữ nhiễu có thể giảm xuống
0,2% cho mẫu sử dụng lại tần số (1,3,3) nhưng tại giá trị ảnh hưởng phổ tần số giảm Độ lợi phân
tập Macro là 4 dB khi hiệu chỉnh fading giả định là 0.5 Phạm vi phủ sóng một cell được ước tính
từ quỹ đường truyền theo bất kỳ mô hình truyền sóng nào (như mô hình Hata hay mô hình
Erceg) Mô hình Hata dựa trên kết quả thu được theo kinh nghiệm trên dải tần 2Ghz và tiến tới
Trang 6dự đoán tương đối tại 2,5 GHz Mô hình Erceg là một mô hình khác được sử dụng phổ biến dải tần số này và dự đoán được xấp xỉ 70% hoặc cao hơn Cũng chú ý rằng, suy hao đường truyền cho phép tối đa là 128,2 dB tương ứng với tốc độ dữ liệu vùng biên cell hướng DL là 5,76 Mbps
và UL là 115kbps; cao hơn tốc độ dữ liệu của hệ thống 3G Tốc độ dữ liệu cao hơn tại vùng biên cell và tần số sóng mang cao hơn dẫn đến kích thước cell nhỏ hơn Quỹ đường truyền tốt hơn và kích thước cell lớn hơn có thể đạt được ở các tốc độ dữ liệu ở biên cell thấp hơn như chỉ ra ở Bảng 10 và 11
4.3 Độ tin cậy và mào đầu của MAP trong WiMAX di động
Thông tin điều khiển WiMAX di động có định dạng là các bản tin MAP đứng đầu mỗi khung Bản tin MAP điều khiển vị trí DL và UL Bản tin MAP cho phép điều khiển linh hoạt cấp phát tài nguyên đối với cả DL và UL để cải thiện hiệu suất phổ và QoS
Khi các bản tin MAP chứa thông tin cấp phát tài nguyên cho toàn bộ khung thì độ tin cậy của bản tin MAP ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất hệ thống Vùng phủ kênh điều khiển DL được
mô phỏng theo cấu hình mô phỏng đã được đề cập trước đây với và không phân tập phát dịch
vòng (CSTD – Cyclic Shift Transmit Diversity) CSTD chính là sự phân tập trễ thích nghi của các
hệ thống OFDM Với CSTD, mỗi thành phần anten trong mảng sẽ phát một phiên bản của symbol miền thời gian OFDM (symbol b), x(n,b) (0≤n≤N-1 ,với N là cỡ FFT của hệ thống) Ví
dụ, nếu có Mb anten truyền tại trạm gốc, anten 1 gửi một phiên bản không dịch của biểu trưng
OFDM, anten m truyền biểu trưng OFDM tương tự nhưng được dịch vòng đi (m-1)D mẫu theo
thời gian Chú ý rằng mỗi anten thêm một tiền tố vòng sau khi dịch vòng biểu trưng OFDM và do
đó sự bảo vệ trễ dải rộng được chỉ ra bởi tiền tố vòng là không ảnh hưởng bởi CSTD
Hình 13: Mô phỏng hiệu suất của vùng phủ kênh điều khiển cho kênh TU
Rep = 1 Rep = 2 Rep = 4 Rep = 6
Độ trễ CSTD
- 2 anten: 1,785 µs
- 4 anten: 0,893 µs/anten
100
95
90
85
80
75
70
65
60
55
50
45
40
-3 -2,5 -2 -1,5 -1 -0,5 0
Đồ thị bao phủ MAP
X
X ) 4Tx_10W
Trang 7Hình 13 chỉ ra hàm phân phối tích luỹ (CDF) của vùng phủ kênh điều khiển cho các tỉ lệ lặp là 1,2,4 anten sử dụng mô hình truyền sóng định nghĩa ở Bảng 9 Nó có thể được quan sát từ số liệu
sử dụng CSTD với 2 anten phát và thu, R=1/2CTC với hệ số lặp là 6, xấp xỉ 95% vùng phủ ô đạt được tại điểm hoạt động PER là 1% Chú ý rằng hiệu suất MAP có thể tăng cao bằng cách sử dụng bộ khử nhiễu tại máy di động
Bản tin MAP có kích thước thay đổi, nó thay đổi theo số lượng các user trong khung Khi mạng hầu hết là lưu lượng của FTP và HTTP, số lượng user được lập lịch trên một khung là nhỏ hơn
10 Trong trường hợp này, cấp phát tài nguyên chiếm hiệu quả nhất và bản tin MAP gần như chỉ chứa mào đầu MAP cố định Mào đầu của MAP trong trường hợp này chiếm khoảng 10% trong một kênh 10 MHz với cỡ khung là 5ms Khi mạng sử dụng hầu hết là tải VoIP, số lượng user lập lịch trên mỗi khung là lớn Mào đầu bản tin MAP tăng tuyến tính với số lượng user được lập lịch
Để điều khiển mào đầu MAP, WiMAX di động đưa ra bản tin sub-MAP multicast cho phép bản tin này được gửi tại các tốc độ dữ liệu khác nhau với SINR khác nhau Do đó, khi bản tin broadcast được gửi với sự tin cậy cao nhất phải phù hợp với vùng phủ ở biên cell, bản tin điều khiển chung như cấp phát tải tin có thể được nhận một cách hiệu quả hơn do tình trạng SINR của user Như chỉ ra ở hình 13, đa số vùng phủ sóng có thể hỗ trợ tỷ lệ tốc độ dữ liệu cao hơn QPSK 1/12 tại 1% PER (và là 60% đối với QPSK 1/4) Do đó, với bản tin sub-MAP multicast thì mào đầu điều khiển có thể giảm một cách đáng kể Thậm chí với một số lượng lớn các user (20 user
Hình 14: Cụm con MAP (Sub – MAP Burst)
Số ký hiệu OFFDMA
k k+1 k+3 k+5 k+7 k+9 k+11 k+13 k+15 k+17 k+19
FCH
A SUB-DL-UL-M
Truyền chuỗi DL #1
Truyền chuỗi DL #2
Truyền chuỗi DL #6 Truyền chuỗi DL #5
Truyền chuỗi DL #4 Truyền
chuỗi
DL #3
Truyền chuỗi DL #7
Thứ tự ánh xạ khe cho những tin nhắn ánh xạ DL
Trang 8trong DL và 20 user trong UL) của 1 khung, mào đầu bản tin MAP nhỏ hơn 20% Do đó, bản tin điều khiển WiMAX di động rất linh hoạt đối với truyền dữ liệu
4.4 Hiệu suất hệ thống WiMAX
Mô phỏng dựa trên phương pháp ước lượng 1xEVDV được sử dụng để đánh giá hiệu suất của WiMAX di động Các thông số hệ thống của WiMAX di động được miêu tả ở bảng 7, 8, 9 của phần 5.1 Mô phỏng hiệu suất cho thấy hỗn hợp người sử dụng với một lượng user di động được miêu tả ở bảng 12 và 13
Bảng 12: Các kiểu kênh đa đường cho sự mô phỏng hiệu suất
Kiểu kênh Đường 1 (dB) Đường 2 (dB) Đường 3 (dB) Đường 4 (dB) Đường 5 (dB) Đường 6 (dB) Răng cưa Bộ thu
ITU Ped B
Ch-103 -3.92 -4.82 -8.82 -11.92 -11.72 -27.82 1,2,3,4,5,6 ITU Veh A
Ch-104 -3.14 -4.14 -12.14 -13.14 -18.14 -23.14 1,2,3,4,5,6
Bảng 13: Mô hình kênh người dùng hỗn hợp để mô phỏng hiệu suất
Kiểu kênh Số lượng đường Tốc độ Sự giảm âm Xác xuất ấn định
ITU Ped B Ch-103 6 3 km/h Chấp nhận 0.60
6 30 km/h Chấp nhận 0.30 ITU Veh A Ch-104
6 120 km/h Chấp nhận 0.10
Có 10 user trên một sector Lưu lượng được giả định trên toàn bộ tải bộ đệm FTP, và giả định tỉ
lệ lập lịch hợp lý Mỗi trạm gốc được cấu hình với ba sector và hệ số sử dụng lại tần số sector là bằng 1 Giả định rằng đánh giá kênh là lý tưởng, sự thích nghi đường truyền là thực tế Tần số sóng mang cho tính toán WiMAX di động là 2,5 GHz Mào đầu khung (Preamble), MAP OH và
kênh điều khiển UL là 7 symbol OFDMA trong DL và 3 ký hiệu OFDMA trong UL Một ký hiệu
được chỉ định cho TTG là một tổng của 11 symbol mào đầu và 37 biểu trưng dữ liệu cho cả DL
và UL Cấu hình cụ thể và những yếu tố giả định được chỉ ra ở Bảng 14
Hiệu suất được tính toán trong Bảng 15 cho một thực hiện TDD với dải thông kênh truyền là
10 MHZ, các cấu hình anten SIMO, MIMO và các tỉ lệ DL/UL tương ứng là 28:9 và 22:15 Các kết quả này chỉ ra rằng hệ thống WiMAX di động có hiệu suất phổ cao Với hai anten thu, hiệu suất phổ sector DL là khoảng 1,2 bit/sec/Hec và sector UL là 0,55 bit/sec/Hz Với 2x2 MIMO hiệu suất phổ được cải thiện tới 50% đến 60% trong DL và khoảng 35% trong UL Hiệu suất phổ cảo bao gồm dải thông kênh truyền lớn, cung cấp thông lượng sector cao cho hệ thống WiMAX
di động Với 2x2 MIMO và tỉ lệ DL/UL là 3:1, thông lượng sector DL là 13,60 Mbps và thông lượng sector UL là 1,83 Mbps; với tỉ lệ DL/UL là 3:2 thông lượng sector là 10,63 Mbps và 3,05 Mbps tương ứng với DL và UL Thông lượng dữ liệu sector cao là cần thiết cho dịch vụ dữ liệu băng thông rộng bao gồm cả video và VoIP
Cũng lưu ý rằng 11 symbol mào đầu là một ước tính vừa phải cho mào đầu Đối với hầu hết ứng dụng dữ liệu, lưu lượng là tập trung và WiMAX có thể hoạt động hiệu quả hơn là với mào đầu ít hơn 11 biểu trưng Hơn nữa, kênh con được xem xét cho trường hợp này là kênh con hoá phân tập PUSC và sự gia tăng hoạch định lựa chọn tần số không được tính toán đến trong mô phỏng, Với kênh con hoá lựa chọn tần số AMC, hiệu suất phổ có thể tăng thêm 15 đến 25% Do
đó, với hệ thống WiMAX di động tối ưu thì hiệu suất phổ và thông lượng có thể được cải thiện
Trang 920 đến 30% so với kết quả được chỉ ra tại bảng 15 Sự cải tiến về hiệu suất phổ trong trường hợp này được minh hoạ ở hình 15 với cấu hình anten 2x2 MIMO
Bảng 14: Các giả định cấu hình WiMAX Di động
Các thông số Giá trị
Sử dụng lại tần số 1/3/1
Kiểu đường truyền Bộ đệm đầy đủ Đánh giá kênh Ý tưởng Trừu tượng hóa PHY EESM
Bộ lập chương trình Có tỷ lệ hợp lý thuộc quyền sở hữu riêng
Sự thích ứng liên kết Hiện thực với phản hồi trễ Cấu hình anten 1x2, 2x2
DL Alamouti STC, VSM
Hỗ trợ MIMO
UL Cộng tác SÓNG MANG Chuyển mạch MIMO Chuyển mạch STC/VSM thích ứng HARQ CC, 3 sự chuyển tiếp
Duy trì khung 11 ký hiệu OFDM (7 DL, 3 UL, 1 TTG)
Ký hiệu dữ liệu/khung 37
A 28:9
Sự phân chia DL/UL
B 22:15
Bảng 15: Hiệu suất hệ thống di động WiMAX
Các trường hợp DL: 28 ký hiệu dữ liệu
UL: 9 ký hiệu dữ liệu
DL: 22 ký hiệu dữ liệu UL: 15 ký hiệu dữ liệu Anten Liên kết Thông lượng vùng quang phổ Hiêu suất Thông lượng vùng quang phổ Hiệu suất
DL 8.8 Mbps 1.21 bps/Hz 6.6 Mbps 1.09 bps/Hz SIMO
UL 1.38 Mbps 0.55 bps/Hz 2.20 Mbps 0.59 bps/Hz
DL 13.60 Mbps 1.87 bps/Hz 10.63 Mbps 1.76 bps/Hz MIMO
UL 1.83 Mbps 0.73 bps/Hz 2.74 Mbps 0.83 bps/Hz
+ 30%
+ 20%
Đường cơ sở
Tỷ lệ DL/UL Tỷ lệ DL/UL
MIMO hiệu quả quang phố DL (2x2) MIMO hiệu quả quang phố UL (2x2)
Trang 10Một thuận lợi khác của hệ thống WiMAX là khả năng cấu hình lại một cách tự động tỉ số DL/UL
để đáp ứng lưu lượng mạng với sự tận dụng phổ tối đa, thông lượng séctơ đường xuống DL tối đa
có thể lớn hơn 20Mbs và thông lượng sector đường lên UL tối đa có thể lớn hơn 8Mbs Với một
tỉ lệ DL/UL nhất định thuộc dải từ 3:1 đến 1:1, thông lượng sector đường xuống có thể biến thiên
từ 10 – 17 Mbs; thông lượng sector đường lên có thể biến thiên từ 2 – 4 Mbs
Kết quả này dựa trên cấu hình MIMO cơ bản của WiMAX di động, các cải tiến hiệu suất tốt hơn
có thể được thực hiện với các đặc tính cao cấp của WiMAX chẳng hạn như AAS
(Còn tiếp)