Một số biện pháp kỹ thuật quản lý và tối ưu tài nguyên vô tuyến

Có rất nhiều phương pháp để giải quyết vấn đề quản lý tài nguyên vô tuyến, ví dụ như điều khiển công suất, lựa chọn tần số động, yêu cầu lặp tự động, điều khiển thích ứng, chỉ thị chất l

LỜI CAM ĐOAN

Luận văn của tôi được hoàn thành sau một thời gian nghiên cứu và tìm hiểu các nguồn tài liệu sách báo chuyên ngành đáng tin cậy Chi tiết tài liệu tham khảo được liệt kê ở cuối luận văn Tôi xin cam đoan luận văn này không phải là bản sao chép của bất cứ công trình nghiên cứu cũng như các luận văn trước đây Nếu sai với những gì đã cảm đoan tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Hà Nội tháng 10 năm 2015

Nguyễn Tuấn Hiệu

LỜI NÓI ĐẦU

Quản lý và tối ưu tài nguyên vô tuyến trong mạng 4G là một vấn đề hết sức quan trọng và được nhiều người quan tâm nghiên cứu Với sự phát triển nhanh chóng của các dịch vụ băng thông rộng nên yêu cầu về băng thông ngày một tăng Các nhà khai thác mạng phải nâng cấp mở rộng mạng lưới để đáp ứng được nhu cầu này Tuy nhiên việc nâng cấp về thiết bị cũng đạt tới một số giới hạn, do đó đòi hỏi phải

có những biện pháp tối ưu tài nguyên vô tuyến Tài nguyên vô tuyến là hữu hạn, do

đó cần phải có những biện pháp để tối ưu nó Với sự sự định hướng của các thầy cô tại trường đại học Bách Khoa Hà Nội đặc biệt là sự chỉ bảo của PGS.TS Phạm Minh Hà và PGS.TS Nguyễn Hữu Thanh, tôi đã đi vào nghiên cứu và tìm hiểu những phương pháp để quản lý và tối ưu tài nguyên vô tuyến mà cụ thể ở đây là tài nguyên băng thông Để giải quyết vấn đề này tôi sẽ tìm hiểu một số thuật toán lập lịch và ánh xạ để có thể sử dụng băng thông một cách hiệu quả hơn Đồng thời tôi

sẽ mô phỏng những thuật toán mới trong bộ lập lịch và bộ sắp xếp dữ liệu nhằm tối

ưu hóa tài nguyên vô tuyến Qua mô phỏng tôi sẽ phân tích kết quả và nêu lên biện pháp để quản lý và tối ưu tài nguyên vô tuyến một cách tối ưu nhất

Do thời gian nghiên cứu không được nhiều và giới hạn kiến thức của bản thân nên chắc chắn luận văn của tôi còn có nhiều thiếu sót Tôi mong nhận được sự quan tâm

và góp ý của các thầy giáo, cô giáo và của các bạn để hoàn thiện hơn nữa kiến thức của bản thân

Tôi xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI NÓI ĐẦU 2

MỤC LỤC 3

DANH SÁCH HÌNH VẼ 5

DANH SÁCH BẢNG 7

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 8

Chương 1 Tổng quan mạng 4G 13

1.1 Tổng quan mạng 4G 13

1.2 Giới thiệu công nghệ LTE 14

1.2.1 Đặc tính cơ bản của LTE 15

1.2.2 Cấu trúc hệ thống LTE 16

1.2.3 Các công nghệ sử dụng trong LTE 18

1.3 Giới thiệu công nghệ Wimax 22

1.3.1 Tổng quan 22

1.3.2 Đặc tính cơ bản của WiMAX 26

1.3.3 Cấu trúc hệ thống của Wimax 28

1.3.4 Các kỹ thuật sử dụng trong Wimax 34

1.4 So sánh công nghệ Wimax và công nghệ LTE 45

CHƯƠNG 2 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN GIẢI QUYẾT 46

2.1 Quản lí và tối ưu tài nguyên vô tuyến 46

2.1.1 Đặt vấn đề 46

2.1.2 Một số biện pháp kỹ thuật quản lí và tối ưu tài nguyên vô tuyến 47

2.2 Tác động của môi trường tới chất lượng kênh 55

2.3 Lập lịch sắp xếp dữ liệu 60

2.3.1 Lập lịch 60

2.3.2 Sắp xếp dữ liệu 66

2.4 Tính công bằng 71

2.5 Các nhiệm vụ mà đề tài sẽ giải quyết 72

2.5.1 Thuật toán sắp xếp dữ liệu trong LTE 72

2.5.2 Thuật toán TF-BMA 76

CHƯƠNG 3 ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA THUẬT TOÁN LẬP LỊCH VÀ SẮP XẾP DỮ LIỆU 83

3.1 Mô phỏng trong thuật toán lập lịch và ánh xạ trong LTE 83

3.1.1 Thuật toán lập lịch 2 bước trong LTE [18] 83

3.1.2 Thuật toán sắp xếp dữ liệu trong LTE [16] 88

3.1.2.1 Các bước tiến hành 88

3.1.2.2 Thông số hệ thống 90

3.1.2.4 Kết quả mô phỏng và đánh giá 91

3.2 Mô phỏng tối ưu trong Wimax 99

3.2.1 Sơ đồ khối 99

3.2.2 Các bước tiến hành mô phỏng 100

3.2.3 Tham số mô phỏng của hệ thống 103

3.2.4 Kết quả mô phỏng 104

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN, HƯỚNG PHÁT TRIỂN 112

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1 1 Lộ trình phát triển 4G 13

Hình 1 2 Cấu trúc của LTE 17

Hình 1 3 Kiến trúc mạng LTE 17

Hình 1 4 Công nghệ đa ăng ten MISO 20

Hình 1 5 Công nghệ đa ăng ten MIMO 20

Hình 1 6 Phối hợp đa điểm 22

Hình 1 7 Mô hình phân lớp trong WiMAX 29

Hình 1 8 Quá trình phân loại MAC SDU 31

Hình 1 9 Định dạng của một TDD frame 35

Hình 1 10 Khoảng bảo vệ hạn chế nhiễu 36

Hình 1 11 Lựa chọn khoảng dãn giữa những sóng mang 36

Hình 1 12 Tiền tố vòng CP 37

Hình 1 13 Phân loại sóng mang con 38

Hình 1 14 Các vùng hoán vị trong OFDMA frame 41

Hình 1 15 Các dạng Slot theo các chế độ hoán vị 41

Hình 1 16 Cấu trúc khung của OFDMA 43

Hình 2 1 Quy trình lựa chọn tần số động 49

Hình 2 2 MISO 51

Hình 2 3 MIMO 52

Hình 2 4 MS chuyển tới cấu hình mạnh hơn 54

Hình 2 5 Mô hình hệ thống nhiễu đồng kênh 58

Hình 2 6 Cách sử dụng quỹ tần số hiệu quả trong mạng tế bào [7] 59

Hình 2 7 Cấu trúc bộ lập lịch và sắp xếp dữ liệu hai chiều trong OFDMA-TDD 60

Hình 2 8 Sắp xếp dữ liệu trong thuật toán eOCSA 68

Hình 2 9 Mô tả thuật toán quét “Bucket” 69

Hình 2 10 Mô tả việc quét dọc 69

Hình 2 11 Mô tả việc quét ngang [4] 70

Hình 2 12 Tranh chấp băng thông ở đầu ra [1] 71

Hình 2 13 Cấu trúc một khối tài nguyên trong LTE 72

Hình 2 14 Khối tài nguyên với 12 sóng mang phụ và 7 OFDM symbols 73

Hình 2 15 Các vùng trống khi sắp xếp các khối dữ liệu vào khung OFDMA 76

Hình 2 16 Tranh chấp kênh con giữa hai MS trong khung OFDM-TDD 77

Hình 2 17 Bảng các mức điều chế trên các kênh của hai MS 79

Hình 2 18 Xếp dữ liệu khi chỉ có môt MS đạt max trên kênh 80

Hình 2 19 Xếp dữ liệu khi chỉ có hai MS đạt max trên kênh, độ dài dữ liệu nhỏ 80

Hình 2 20 TH1 xếp dữ liệu khi chỉ có hai MS đạt max trên kênh 81

Hình 2 21 TH2 xếp dữ liệu khi chỉ có hai MS đạt max trên kênh 82

Hình 3 1 Số lượng khối tài nguyên người sử dụng tốt nhất[18] 86

Hình 3 2 Thông lượng người sử dụng tốt nhất[18] 86

Hình 3 3 Thông lượng qua cell[18] 87

Hình 3 4 So sánh tính công bằng của thuật toán so với PF và Round robin[18] 87

Hình 3 5 Phân bố người dùng trong mô phỏng LTE 91

Hình 3 6 Mô phỏng thông lượng với kiểu phân bố Random[16] 92

Hình 3 7 Mô phỏng thông lượng với kiểu phân bố Cell-Edge[16] 92

Hình 3 8 Mô phỏng thông lượng với kiểu phân bố Cell-center[16] 93

Hình 3 9 Thông lượng với kiểu phân bố Random với 10 user [16] 94

Hình 3 10 Thông lượng với kiểu phân bố Cell-Edge với 10 user [16] 94

Hình 3 11 Thông lượng với kiểu phân bố cell-center với 10 user [16] 95

Hình 3 12 Thông lượng với kiểu phân bố Random với 50 user [16] 95

Hình 3 13 Thông lượng với kiểu phân bố cell-edge với 50 user [16] 96

Hình 3 14 Thông lượng với kiểu phân bố cell-center với 50 user [16] 96

Hình 3 15 Tính công bằng với kiểu phân bố Random [16] 97

Hình 3 16 Tính công bằng với kiểu phân bố Cell-edge [16] 98

Hình 3 17 Tính công bằng với kiểu phân bố Cell-center [16] 98

Hình 3 18 Sơ đồ khối hệ thống mô phỏng 100

Hình 3 19 Thuật toán mô phỏng hệ thống 102

Hình 3 20 Mô hình mô phỏng wimax 104

Hình 3 21 So sánh tính công bằng trong cấp phát băng thông cho từng MS 106

Hình 3 22 So sánh tính công bằng trung bình trong cấp phát băng thông cho từng MS 107

Hình 3 23 So sánh tính công bằng trong cấp phát slot cho từng MS 108

Hình 3 24 So sánh tính công bằng trung bình trong cấp phát slot cho từng MS 109

Hình 3 25 Lưu lượng hệ thống 110

Hình 3 26 Lưu lượng hệ thống trung bình 110

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 1 Các thông số vật lý của LTE 16

Bảng 2 Tốc độ truyền dẫn của hệ thống OFDM 39

Bảng 3 So sánh công nghệ Wimax và công nghệ LTE 45

Bảng 4 Ngưỡng SNR cho các mức điều chế 55

Bảng 5 Thông số của người sử dụng trong thuật toán eOCSA 67

Bảng 6 Các kí hiệu sử dụng trong thuật toán sắp xếp dữ liệu trong LTE 74

Bảng 7 Thông số mô phỏng thuật toán lập lịch LTE 85

Bảng 8 Thông số mô phỏng trong thuật toán sắp xếp dữ liệu LTE[16] 90

Bảng 9 Tham số mô phỏng của hệ thống Wimax 103

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

AMC Adaptive Modulation and Coding

ARQ Automatic Repeat Request

CC Convolutional Coding

CINR Carrier - to - Interference - and-Noise Ratio

CQICH Channel Quality Indicator Channel

CRC Cyclic Redundancy Checking

CTC Convolutional Turbo Coding

C/N Carrier - to - Noise Ratio

DBPC-REQ Data Buoy Cooperation Panel-Request

DFS Dynamic Frequency Selection

DIUC Downlink Interval Usage Code

DLFP Downlink Frame Prefix

DRR Deficit Round Robin

EDF Earliest Deadline First

eOCSA enhanced One Column Striping with non-increasing Area FCH Frame Control Header

FDD Frequency Division Duplexing

FEC Forward Error Correction

FFT Fast Fourier Transform

FRR Fair Resource Rate

FRS Fair Resource Scheduling

FUSC Full Usage of the SubChannels

FWA Fixed Wireless Access

GMH General MAC Header

HBR Header Bandwidth Request

ICI Inter-Channel Interference

IFFT Inverse Fast Fourier Transform

IR Incremental Redundancy

ISI Inter-Symbol Interference

MAC Media Access Control

MAC-CPS MAC Common Part Sub-Layer

MAC-CPS MAC Common Part Sub-Layer

MAC-CS MAC Service - specific Convergence Sub-Layer MCS Modulation and Coding Scheme

MS Mobile Station

MESH Multipoint to Multipoint

MSDU MAC Service Data Unit

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access OPUSC Optional PUSC

PDU Protocol Data Unit

PF Proportional Fair

PHS Payload Header Suppression

PMP Point to Multipoint

PSAM pilot symbol assisted modulation

PUSC Partial Usage of the SubChannels

QAM Quadrature Amplitude Modulation

RNG–REQ Ranging – Request

RSSI Received Signal Strength Indicator

SDMA Space Division Multiple Access

SDU Service Data Unit

SFID Service Flow Identifier

SNR Signal to Noise Ratio

SS Subscriber Station

SSU Specific Spectrum Users

SOFDMA Scalable Orthogonal Frequency Division Multiple Access TDD Time Division Duplexing

TLV Type, Length, Value

TUSC Tile Usage of SubChannels

UCD Uniform Call Distribution

UIUC Uplink Interval Usage Code

WBA WideBand Access

WFQ Weighted Fair Queuing

WiMAX Worldwide interoperability of Microwave Access

WRR Weighted Round Robin

PHẦN MỞ ĐẦU

Luận văn tốt nghiệp “Một số biện pháp kỹ thuật quản lý và tối ưu tài nguyên vô

tuyến” tập trung giải quyết vấn đề quản lý nguồn tài nguyên vô tuyến hiệu quả dựa

vào thông số là lưu lượng mạng và tính công bằng trong cấp phát băng thông, slot nhờ kỹ thuật OFDMA Có rất nhiều phương pháp để giải quyết vấn đề quản lý tài nguyên vô tuyến, ví dụ như điều khiển công suất, lựa chọn tần số động, yêu cầu lặp

tự động, điều khiển thích ứng, chỉ thị chất lượng kênh truyền, các thuật toán lập lịch, ánh xạ dữ liệu… Với kỹ thuật OFDMA, tôi sử dụng các thuật toán lập lịch và ánh xạ dữ liệu, theo đó quá trình cấp phát tài nguyên thực hiện theo hai bước: lập lịch và ánh xạ

Trong luận văn tôi xin trình bày một số biện pháp để tối ưu bộ lập lịch và sắp xếp

dữ liệu nhằm nâng cao tốc độ truyền dẫn trong khi đó vẫn đảm bảo tính công bằng trong cấp phát tài nguyên Khi dữ liệu của người dùng tới bộ lập lịch thì tại bộ lập lịch sẽ có nhiệm vụ chọn ra người sử dụng phù hợp để truyền, cơ chế để chọn người

sử dụng này dựa vào các thuật toán ở bộ lập lịch

Do LTE và Wimax là hai công nghệ khác nhau nên cách lập lịch trong bộ lập lịch trong hai công nghệ này cũng khác nhau, do đó trong luận văn tôi cũng đánh giá bộ lập lịch dựa trên hai công nghệ khác nhau này Bộ lập lịch trong LTE được đề cập trong luận văn là bộ lập lịch hai lần Nó đảm bảo tối ưu hóa tốc độ truyền dẫn trong khi đó vẫn đảm bảo được tính công bằng Trong khi đó bộ lập lịch trong công nghệ Wimax tôi xin đề xuất và mô phỏng sử dụng thuật toán FRS Với thuật toán này sau khi dữ liệu người dùng đi qua bộ lập lịch này sẽ được lựa chọn theo một tiêu chí riêng để đảm bảo tính công bằng trong khi đó vẫn có tốc độ cao Vấn đề thứ hai tôi

sẽ đề cập trong luận văn là việc xắp xếp dữ liệu của người dùng Do cấu trúc và kiều đóng khung của LTE và Wimax cũng khác nhau nên trong luận văn tôi cũng trình bày thuật toán để xắp xếp dữ liệu dựa trên hai công nghệ này LTE thì dữ liệu người dùng được xắp xếp vào các khối tài nguyên, còn Wimax thì dữ liệu người dùng được xắp xếp và các khe dữ liệu Đối với việc xắp xếp dữ liệu trong wimax tôi

đề xuất thuật toán TF-BMA để cải tiến bộ xắp xếp dữ liệu Qua mô phỏng sẽ thể hiện được sự tối ưu của thuật toán mới trong tăng thông lượng trong khi vẫn đảm bảo được tính công bằng

Tôi xin trình bày luận văn thành 4 chương như sau:

Chương 1: Giới thiệu tổng quát về WiMAX và các kỹ thuật ứng dụng trong WiMAX

Chương 2: Một số biện pháp để quản lý tài nguyên vô tuyến, một số kỹ thuật lập lịch, ánh xạ sử dụng công nghệ đa truy cập trong WiMAX, LTE Ngoài các bộ lập lịch đã có tôi xin đề xuất các bộ lập lịch mới, với ưu điểm về lưu lượng so với các bộ lập lịch cũ và ưu điểm về cấp phát tài nguyên công bằng Kỹ thuật ánh xạ dữ liệu cũng là một biện pháp để nâng cao lưu lượng của hệ thống nhờ việc sắp xếp hiệu quả dữ liệu Ở đây tôi xin trình bày thuật toán mới kết hợp cùng với thuật toán quét mành trong việc sắp xếp dữ liệu

Chương 3 Mô tả các quá trình mô phỏng, các kết quả nhận được, nhận xét điểm vượt trội của thuật toán mới trong việc lý và tối ưu tài nguyên vô tuyến

Chương 4 Một số nhận xét về kết quả đã làm được và hướng phát triển đề tài

Chương 1 Tổng quan mạng 4G

1.1 Tổng quan mạng 4G

Ngành công nghệ viễn thông đã chứng kiến những phát triển ngoạn mục trong những năm gần đây Khi mà công nghệ mạng thông tin di động thế hệ thứ ba 3G chưa có đủ thời gian để khẳng định vị thế của mình trên toàn cầu, người ta đã bắt đầu nói về công nghệ 4G (Fourth Generation) từ nhiều năm gần đây Thế nhưng, nói một cách chính xác thì 4G là gì? Liệu có một định nghĩa thống nhất cho thế

hệ mạng thông tin di động tương lai 4G? Có nhiều định nghĩa khác nhau về 4G,

có định nghĩa theo hướng công nghệ, có định nghĩa theo hướng dịch vụ Đơn giản nhất, 4G là thế hệ tiếp theo của mạng thông tin di động không dây 4G là một giải pháp để vượt lên những giới hạn và những điểm yếu của mạng 3G Thực

tế, vào giữa năm 2002, 4G là một khung nhận thức để thảo luận những yêu cầu của một mạng băng rộng tốc độ siêu cao trong tương lai mà cho phép hội tụ với mạng hữu tuyến cố định 4G còn là hiện thể của ý tưởng, hy vọng của những nhà nghiên cứu ở các trường đại học, các viện, các công ty như Motorola, Qualcomm, Nokia, Ericsson, Sun, HP, NTT DoCoMo và nhiều công ty viễn thông khác với mong muốn đáp ứng các dịch vụ đa phương tiện mà mạng 3G không thể đáp ứng được

Hình 1 1 Lộ trình phát triển 4G

1.2 Giới thiệu công nghệ LTE

Hệ thống 3GPP LTE, là bước tiếp theo cần hướng tới của hệ thống mạng không dây 3G dựa trên công nghệ di động GSM/UMTS, và là một trong những công nghệ tiềm năng nhất cho truyền thông 4G Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) đã định nghĩa truyền thông di động thế hệ thứ 4 là IMT Advanced và chia thành hai hệ thống dùng cho di động tốc độ cao và di động tốc độ thấp 3GPP LTE là hệ thống dùng cho di động tốc độ cao Ngoài ra, đây còn là công nghệ hệ thống tích họp đầu tiên trên thế giới ứng dụng cả chuẩn 3GPP LTE và các chuẩn dịch vụ ứng dụng khác, do đó người sử dụng có thể dễ dàng thực hiện cuộc gọi hoặc truyền dữ liệu giữa các mạng LTE và các mạng GSM/GPRS hoặc UMTS dựa trên WCDMA Kiến trúc mạng mới được thiết kế với mục tiêu cung cấp lun lượng chuyển mạch gói với dịch vụ chất lượng, độ ưễ tối thiểu Hệ thống sử dụng băng thông linh hoạt nhờ vào

mô hình đa truy cập OFDMA và SC-FDMA Thêm vào đó, FDD (Frequency Division Duplexing) và TDD (Time Division Duplexing), bán song công FDD cho phép các UE có giá thành thấp Không giống như FDD, bán song công FDD không yêu cầu phát và thu tại cùng thời điểm Điều này làm giảm giá thành cho bộ song công trong UE Truy cập tuyến lên dựa vào đa truy cập phân chia theo tần số đơn sóng mang (Single Carrier Frequency Division multiple Access SC-FDMA) cho phép tăng vùng phủ tuyến lên làm tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình so với OFDMA Thêm vào đó, để cải thiện tốc độ dữ liệu đỉnh, hệ thống LTE sử dụng hai đến bốn lần hệ số phổ cell so với hệ thống HSPA Release 6 3GPP đặt ra yêu cầu cao cho LTE, bao gồm giảm chi phí cho mỗi bít thông tin, cung cấp dịch vụ tốt hơn, sử dụng linh hoạt các băng tần hiện có và băng tần mới, đơn giản hóa kiến trúc mạng với các giao tiếp mở và giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ ở thiết bị đầu cuối Các mục tiêu của công nghệ này là:

Tốc độ đỉnh tức thời với băng thông 20Mhz

Tải lên 50Mbps

Dung lượng dữ liệu truyền tải trung bình của một người dùng trên 1Mhz so với mạng HSDPA Rel.6

Tải lên gấp 2 đến 3 lần

Tải xuống gấp 3 tới 4 lần

Hoạt động tối ưu với tốc độ di chuyển của thuê bao là 1-15km/h Vẫn hoạt động tốt với tốc độ 15-120Km/h Vẫn duy trì được hoạt động khi thuê bao di chuyển với tốc độ từ 120-350Km/h

Các tiêu chí trên phải đảm bảo trong bán kính vùng phủ sóng 5km, giảm chút

ít trong phạm vi tới 30km Từ 30-100Km thì không hạn chế

Độ dài băng thông linh hoạt: có thể hoạt động với các băng tần 1.25Mhz, 1.6Mhz, 10Mhz, 15Mhz và 20Mhz cả chiều lên và chiều xuống, Hỗ trợ cả hai trường hợp băng lên và băng xuống bằng nhau hoặc không

Để đạt đƣợc mục tiêu đó sẽ có rất nhiều kĩ thuật đƣợc áp dụng, trong đó nổi bật

là OFDMA, kỹ thuật anwgten MIMO Ngoài ra hệ thống sẽ chạy hoàn toàn trên nền IP và hỗ trợ hai chế độ FDD và TDD

1.2.1 Đặc tính cơ bản của LTE

- Tính di động: Tốc độ di chuyển tối ƣu là 0-15 km/h nhƣng vẫn hoạt động tốt với tốc độ di chuyển từ 15-120 km/h, có thể lên đến 500 km/h tùy băng tần

• Hỗ trợ tính năng đảm bảo chất lƣợng dịch vụ QoS

• VoIP đảm bảo chất lƣợng âm thanh tốt, trễ tối thiểu thông qua mạng UMTS

Kỹ thuật truy cập UL

DTFS- FDMA)

Băng thông 1.4MHz, 3 MHz , 5 MHz, 10 MHz, 15

MHz, 20 MHz

Khoảng cách sóng mang con 15KHz

Ghép kênh không gian 1 lóp cho UL/UE

4 lớp cho DL/UE

Sử dụng MU-MIMO cho UL và DL Bảng 1 Các thông số vật lý của LTE

Giao diện vô tuyến sử dụng trong E-UTRAN bây giờ chỉ còn là SI và X2 Trong đó

SI là giao diện vô tuyến kết nổi giữa eNodeB và mạng lõi SI chia làm hai loại là Sl-U là giao diện giữa eNodeB và SAE -GW và Sl-MME là giao diện giữa eNodeB

và MME X2 là giao diện giữa các eNodeB với nhau

Hình 1 2 Cấu trúc của LTE Nhiều các mục tiêu ngụ ý rằng một kiến trúc phắng là cần thiết, kiến trúc phẳng với

ít nút tham gia sẽ làm giảm độ trễ và cải thiện hiệu suất Bắt đầu từ phiên bản 7, 3GPP đã phát triển ý tưởng đường hầm trực tiếp cho phép mặt phẳng người dùng bỏ qua SGSN

Hình 1 3 Kiến trúc mạng LTE Kiến trúc mạng LTE được thiết kế với mục tiêu hỗ trợ lưu lượng chuyến mạch gói Phiên bàn 6 Phiên băn 7 Phiên bản 8 Phiên bản 8

Đường hầm Đường hám trực tiệp

với tính di động linh hoạt, chất lượng dịch vụ (QoS) và độ trễ tối thiểu Một phương pháp chuyến mạch gói cho phép hỗ trợ tất cả các dịch vụ bao gồm cả thoại thông qua các kết nối gói Kết quả là trong một kiến trúc phẳng hơn, rất đơn giản chỉ với

2 loại nút cụ thế là nút B phát triển (eNB) và phần tử quản lý di động/cổng (MME/GW) Điều này hoàn toán trái ngược với nhiều nút mạng trong kiến trúc mạng phân cấp hiện hành của hệ thống 3G Một thay đổi lớn nữa là phần điều khiển mạng vô tuyến (RNC) được loại bỏ khỏi đường dữ liệu và chức năng của nó hiện nay được thành lập ở eNB Một số ích lợi của một nút duy nhất trong mạng truy nhập là giảm độ trễ và phân phổi của việc xử lý tải RNC vào nhiều eNB Việc loại

bở RNC ra khỏi mạng truy nhập có thế một phần do hệ thống LTE không hồ trợ chuyến giao mềm

1.2.3 Các công nghệ sử dụng trong LTE

1.2.3.1 Tổng hợp sóng mang

OFDMA về bản chất là sự kết hợp của FDMA và TDMA: Người dùng được cấp phát động các sóng mang con (FDMA) trên các khe thời gian khác nhau (TDMA) Những ưu điểm của OFDMA bắt đầu với những ưu điểm của OFDM đơn người dùng trong việc giảm thiểu hiệu ứng đa đường và phân tập tần số Thêm nữa, OFDM/OFDMA là một kỹ thuật đa truy nhập mềm dẻo có thể phù hợp với nhiều người dùng trong một dải rộng các ứng dụng, tốc độ dữ liệu và yêu cầu QoS khác nhau Bởi vì đa truy nhập được thực hiện trên miền số, trước khi thực hiện biến đổi IFFT nên có thể cho sự cấp phát băng thông động và hiệu quả Điều này cho phép những thuật toán lập lịch gói phức tạp trên miền thời gian và tần số có thể được tích hợp vào để phục vụ tốt nhất tập hợp người dùng.Truy cập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) là công nghệ đa sóng mang phát triển từ công nghệ OFDM, ứng dụng như một công nghệ đa truy cập Được diễn tả như ở biểu đồ dưới đây, OFDMA hỗ trợ các nhiệm vụ của các nhóm sóng mang con đối với các thuê bao nhất định Mỗi một nhóm sóng mang con được biểu thị như một kênh con (subchannel), và mỗi thuê bao được chỉ định một hoặc nhiều kênh con để truyền phát dựa trên mỗi yêu cầu cụ thể về lưu lượng của mỗi thuê bao

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

định được cải tiến Bằng việc ấn đinh các kênh con cho các thuê bao cụ thể, việc truyền phát từ một số thuê bao có thể xảy ra đồng thời mà không cần sự can thiệp nào, do đó sẽ giảm thiểu tác động như ảnh hưởng đa truy nhập- MAI (multiple access interference) Hơn nữa, hiện tượng các kênh con cho phép tập trung công suất phát qua một số lượng các song mang con ít hơn Kết quả này làm tăng số đường truyền dẫn đến tăng phạm vi và khả năng phủ sóng Đối với đa truy cập OFDMA, các kênh con có thể được tạo thành từ cả các sóng mang con liên tục (contiguous subcarriers) cũng như các songmang con giả ngẫu nhiên (subcarriers pseudorandomly) được phân phối qua phổ tần số Các kênh con được tạo thành sử dụng phân phối sóng mang con cho phép nhiều hơn, điều này rất có lợi cho các ứng dụng di động

1.2.3.2 Công nghệ đa ăng ten

Công nghệ anten có thể dùng để cải thiện truyền dẫn theo hai cách – sử dụng công nghệ phân tập và sử dụng các hệ thống anten và các công nghệ chuyển mạch tiên tiến Các công nghệ này có thể cải thiện tính co dãn và tỉ số tín hiệu trên tạp âm nhưng không bảo đảm phát dẫn sẽ không bị ảnh hưởng của nhiễu

Phân tập thu và phát

Các lược đồ phân tập được sử dụng để lợi dụng các tín hiệu đa đường và phản xạ xảy ra trong các môi trường NLOS Bằng cách sử dụng nhiều ăng ten (truyền và/hoặc nhận), fading, nhiễu và tổn hao đường truyền có thể được làm giảm Phân tập truyền sử dụng mã thời gian không gian STC Đối với phân tập nhận, các công nghệ như kết hợp tỷ lệ tối đa (MRC) mang lại ưu điểm của hai đường thu riêng biệt

Về MISO (nhiều đầu vàomột đầu ra)

MISO Hình 1 4 Công nghệ đa ăng ten MISO

Mở rộng tới MIMO, sử dụng MIMO cũng sẽ nâng cao thông lượng và tăng các đường tín hiệu MIMO sử dụng nhiều ăng ten thu và/hoặc phát cho ghép kênh theo không gian Mỗi ăng ten có thể truyền dữ liệu khác nhau mà sau đó có thể được giải

mã ở máy thu Đối với OFDMA, bởi vì mỗi sóng mang con là các kênh băng hẹp tương tự, fading lựa chọn tần số xuất hiện như là fading phẳng tới mối sóng mang Hiệu ứng này có thể sau đó được mô hình hóa như là một sự khuếch đại không đổi phức hợp và có thể đơn giản hóa sự thực hiện của một máy thu MIMO cho OFDMA

MIMO Hình 1 5 Công nghệ đa ăng ten MIMO

1.2.3.3 Relay (trạm chuyển tiếp)

Từ việc xem xét quĩ đường truyền, việc triển khai các giải pháp chuyến tiếp khác nhau nhằm giảm khoảng cách máy phát và máy thu xuống và cho phép tăng tốc độ

số liệu Các bộ lặp đơn giản sẽ khuếch đại và chuyến đi các tín hiệu tương tự thu được Khi được cài đặt, các bộ lặp liên tục chuyến đi tín hiệu thu được mà không quan tâm đến có thiết bị đầu cuối trong vùng phủ sóng của nó hay không Những bộ lặp như vậy không hiển thị đối với cả các thiết bị đầu cuối và trạm gốc Tuy nhiên,

có thể xem xét các cấu trúc bộ lặp cao cấp hơn, chẳng hạn sơ đồ trong đó mạng có thế điều khiển công suất truyền của bộ lặp, chẳng hạn, chỉ tích cực bộ lặp khi người

sử dụng hiện diện trong khu vực được điều khiến bởi bộ lặp nhằm tăng tốc độ số liệu cung cấp trong khu vực Các báo cáo đo đạc bố sung từ các thiết bị đầu cuối có thế cũng được xem xét như là phương tiện hướng dẫn mạng mà trong đó các bộ lặp được bật lên Tuy nhiên, việc điều khiển tải truyền dẫn và lập biểu thường nằm ở trạm gốc và vì vậy, các bộ lặp thường trong suốt từ khía cạnh di động

Nút trung gian cũng có thế giải mã và tái hóa bất kì số liệu thu được, ưu tiên chuyến tiếp nó đến người sử dụng được phục vụ Đây thường được xem là chuyển tiếp giải mã hóa và truyền tiếp Khi nút trung gian giải mã hóa và tái mã hóa khối số liệu thu được thì tạo ra trễ đáng kể, lâu hơn độ dài khung con LTE lms Tuy nhiên, các nút chuyển tiếp không truyền tiếp các tạp âm và sự thích nghi tốc độ có thế được thực hiện một cách riêng rẽ cho mỗi kết nối

Đổi với các bộ lặp, tồn tại nhiều tùy chọn khác nhau phụ thuộc vào các tính năng được hồ trợ nhưng ở mức cao, có thế phân biệt hai tầng khác nhau, dựa trên việc truyền tiếp được thực hiện ở lớp 2 (chuyển tiếp lớp 2) hay lớp 3 (chuyến tiếp lớp 3) Mặc dù giống nhau ở nhiều điếm cơ bản (trễ, không khuếch đại tạp âm), giải pháp self backhauling không yêu cầu bất kì nút, giao thức hoặc giao diện mới nào đế chuẩn hóa bởi vì các giải pháp đang tồn tại được tái sử dụng và do đó có thế được

ưa chuộng hơn trên các kĩ thuật cùng chức năng L2 của chúng

1.2.3.4 Coordinated Multipoint (Phối hợp đa điểm)

Mục tiêu về số liệu đỉnh của LTE-Advance yêu cầu sự cải thiện đáng kể về tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm và can nhiễu SINR ở thiết bị đầu cuối Ở mạng hiện tại, nhiều anten nằm phân tán về mặt vật lý kết nối đến một đơn vị xử lý băng gốc trung tâm được sử dụng nhằm đem lại hiệu quả về chi phí Mô hình triển khai thu phát đa điểm phối hợp với quá trình xử lý băng gốc ở một nút đơn Ở đường xuống, nó chỉ

ra sự phối hợp truyền dẫn từ đa điểm truyền dẫn

Hình 1 6 Phối hợp đa điểm

1.3 Giới thiệu công nghệ Wimax

1.3.1 Tổng quan

o Giới thiệu chung

WiMAX (Worldwide Interoperability of Microwave Access) là hệ thống truy nhập toàn cầu bằng sóng viba, nó được nghiên cứu, phát triển và chuẩn hóa theo IEEE 802.16 Wireless Metropolitan Area Network (WMAN) của tổ chức IEEE (Institude

of Electrical and Engineers) WiMAX hứa hẹn sẽ là công nghệ giải quyết được các vấn đề về truyền dẫn không dây băng rộng trong tương lai Ngày nay thông tin liên lạc là một nhu cầu không thể thiếu trong đời sống con người, và con người ngày càng đòi hỏi nhiều dịch vụ đa dạng hơn Để có thể đáp ứng được các dịch vụ này thì

hệ thống cần phải có một băng thông rộng và phải đảm bảo chất lượng dịch vụ Như chúng ta đã biết, một số giải pháp chủ yếu để có được truy cập Internet băng rộng tốc độ cao hay được sử dụng ngày nay là sử dụng các kết nối như đường truyền T1, hay đường dây thuê bao số DSL Tuy nhiên nhược điểm của những cơ sở hạ tầng mạng dùng dây này là chi phí triển khai đắt đối với những vùng nông thôn và các nước phát triển, đặc biệt những giải pháp này còn gặp phải khó khăn đối với những nơi có địa hình hiểm trở và phức tạp Những trở ngại trên đã thúc đẩy các nhà sản xuất, các doanh nghiệp đề xuất một chuẩn truy cập Internet băng rộng mang tính

chất dự phòng với môi trường truyền dẫn là kênh vô tuyến Chuẩn IEEE 802.16 ra đời cung cấp những đặc tả về các lớp PHY và lớp MAC cho giao diện vô tuyến, đồng thời đặt ra những quy định, tham số cho việc yêu cầu cấp phát băng thông và phân hoạch gói cho các lớp dịch vụ

WiMAX do WiMAX forum tạo ra, và chuẩn 802.16 chính thức được công bố vào ngày 8 tháng 4 năm 2002 Diễn đàn này cũng miêu tả WiMAX là: "tiêu chuẩn dựa trên kỹ thuật cho phép truyền dữ liệu không dây băng thông rộng giống như với cáp

và DSL" Tại phiên họp của Hội đồng thông tin vô tuyến 2007 (RA-07) của Liên minh viễn thông thế giới (ITU), được tổ chức tại Gennève - Thụy Sĩ từ ngày 15-19/10/2007, đã thông qua việc bổ sung giao diện vô tuyến OFDMA TDD WMAN vào họ giao diện vô tuyến IMT-2000 (thường vẫn được biết dưới tên 3G) Chuẩn IMT-2000 hiện có 5 giao diện vô tuyến CDMA Direct Spread Spread (thường được biết dưới tên WCDMA), CDMA Multi-Carrier (thường được biết dưới tên CDMA 2000), CDMA TDD, TDMA Single-Carrier, FDMA/TDMA Sau khi được bổ sung, chuẩn giao diện OFDMA TDD WMAN sẽ là chuẩn giao diện vô tuyến thứ 6 của họ IMT-2000 Chuẩn WMAN sẽ hỗ trợ các dịch vụ truy nhập không dây băng rộng tới các tòa nhà, chủ yếu thông qua ăng ten ngoài trời tới các trạm phát sóng cơ sở Phạm vi của nó có thể lên tới 50 km và cho phép người sử dụng đạt tới kết nối băng rộng ngay cả trong đường truyền NLOS với bán kính 8 km Đã có khá nhiều công nghệ băng rộng không dây ra đời, nhưng cho tới nay, chưa có một công nghệ không dây băng rộng nào hướng tới mục tiêu cung cấp tổng hợp các giải pháp truy nhập cho mạng MAN một cách tối ưu như WiMAX

Fixed WiMAX là công nghệ mạng thích hợp cho những thiết bị truy cập mạng cố định tại chỗ, hoặc có thể di chuyển từ nơi này qua nơi khác nhưng trong quá trình di chuyển thì không truy cập được mạng (nếu di chuyển chậm thì vẫn có thể truy cập) Công nghệ này được định nghĩa qua chuẩn IEEE 802.16-2004 (bản chính thức) Mobile WiMAX là một giải pháp không dây băng rộng cho phép hội tụ cả mạng băng rộng cố định và di động sử dụng một công nghệ truy cập băng rộng chung và

một kiến trúc mạng mềm dẻo Công nghệ mạng hỗ trợ cho các ứng dụng di động, cho phép các thiết bị có thể di chuyển với một tốc độ cao trong khi đang truy nhập mạng Mobile WiMAX dựa trên chuẩn 802.16e (được hợp chuẩn vào năm 2005) Chuẩn 802.16e được định nghĩa dựa trên chuẩn 802.16d-2004 và có thêm nhiều đặc tính mới ưu việt hơn hỗ trợ cho tính năng di động, công nghệ anten mới nhất cũng được cập nhật vào chuẩn 802.16e

o Các chuẩn trong Wimax

- IEEE 802.16 – 2001

Chuẩn IEEE 802.16 được hiệp hội IEEE chính thức công bố vào năm 2001 Nhiều

ý tưởng cơ bản của 802.16 được dựa trên bản đặc tả truyền dữ liệu qua giao diện cáp (DOCSIS – Data Over Cable Service InterfaceSpecification) do sự giống nhau giữa môi trường cáp lai fiber-coxial (HFC) và môi trường truy cập vô tuyến băng rộng (BWA) IEEE 802.16 hoạt động trên phổ tần số từ 10 đến 66 GHz và do đó phù hợp hơn với các ứng dụng tầm nhìn thẳng (LOS) Với bản chất sóng ngắn, chuẩn này không phù hợp với môi trường đô thị do tính không tầm nhìn thẳng (NLOS) gây ra bởi mái nhà và cây cối

-IEEE 802.16a - 2003

Đây là phiên bản mở rộng đầu tiên của chuẩn IEEE 802.16 cho phép sử dụng băng tần đăng ký và không đăng ký trong khoảng từ 2 GHz đến 11 GHz Hầu hết các nhà sản xuất thương mại đều quan tâm đến những dải tần không đăng ký Tại những tần số thấp cho phép tín hiệu có thể đâm xuyên qua các chướng ngại vật, và

do đó không yêu cầu một tầm nhìn thẳng giữa các trạm SS và trạm BS Phiên bản này cho phép triển khai mạng dạng lưới (mesh), ở đó các trạm SS có thể đóng vai trò là các điểm chuyển tiếp tín hiệu bằng cách truyền thông tin từ trạm BS tới các trạm SS khác không nằm trên đường truyền trực tiếp tới trạm BS đó

- IEEE 802.16c – 2002

Phiên bản mở rộng này bao gồm các đặc tả cho phép công nghệ của các hãng khác nhau có thể phối hợp hoạt động với nhau trên băng tần đăng ký từ 10 GHz đến 66

GHz Phiên bản này xác định ra những đặc điểm bắt buộc và lựa chọn để việc triển khai và hoạt động thông suốt trở nên rõ ràng và dễ dàng hơn Phiên bản này cũng giải quyết một số vấn đề về đánh giá hiệu năng, kiểm tra hệ thống, đi sâu vào các tham số cụ thể của hệ thống và bổ sung sự hỗ trợ cho các anten MIMO

- IEEE 802.16d – 2004

Phiên bản mở rộng này thường được biết đến với tên gọi “Fixed WiMAX” (WiMAX cố định), là sự kết hợp của các chuẩn IEEE 802.16a và IEEE 802.16c cùng một số sự thay đổi khác Chuẩn mở rộng này hỗ trợ cả hai phương thức truyền song công là truyền song công phân chia theo tần số (FDD) và truyền song công phân chia theo thời gian (TDD) Hệ thống sử dụng phương thức điều chế là OFDM

256 - FFT Một trong những điểm nổi bật của phiên bản mở rộng này là sự ghép nối của các đơn vị giao thức dữ liệu (PDU – Protocol Data Unit) với các đơn vị dịch vụ

dữ liệu (SDU – Service Data Unit) làm giảm tải cho lớp MAC Phiên bản này cũng cung cấp một cải thiện đáng kể cho các cơ chế hỏi vòng, cho phép các SS có thể được hỏi vòng độc lập hay theo từng nhóm Phiên bản này còn cho phép đính kèm bản tin yêu cầu băng thông trong gói tin dữ liệu (piggybacking) nhằm làm giảm xung đột và quá tải hệ thống

- IEEE 802.1e – 2006

Phiên bản mở rộng này thường được biết đến với tên gọi “Mobile WiMAX” (WiMAX di động) do đã thêm những đặc tả để hỗ trợ tính diđộng mà các phiên bản trước chưa đề cập tới Phiên bản này đưa raphương pháp điều chế, đa truy nhập sử dụng công nghệ OFDMA chophép các tín hiệu có thể được chia thành nhiều kênh con khác nhau (kênhcon hóasubchannelization) nhằm giảm thiểu nhiễu đa đường Khác với cơ chế đa truy cập OFDM-TDMA tại mỗi khe thời gian mỗi người dùng được cấp phát toàn bộ sóng mang con, ở cơ chế đa truy cập OFDMA mỗi người dùng được cấp phát một số sóng mang con khác nhau trong những khoảng thời gian khác nhau (trong cả hai miền thời gian và tần số) Theo những mô tả trong chuẩn này thì hệ thống có thể hỗ trợ các thiết bị di động với vận tốc lên tới 100 km/h

- IEEE 802.16f – 2005

Phiên bản mở rộng này được đưa ra vào năm 2005 với mục tiêu hỗ trợ quản lý cơ sở

dữ liệu thông tin thiết bị trong mạng (MIB – ManagementInformation Base) giữa các trạm SS và trạm BS

- IEEE 802.16g

Phiên bản mở rộng này hiện đang được tiến hành với mục tiêu quản lý mạng IEEE 802.16, đưa ra các thủ tục và dịch vụ để điều khiển mặt phẳng quản lý (management plane)

1.3.2 Đặc tính cơ bản của WiMAX

- Kiến trúc mềm dẻo: WiMAX có một vài kiến trúc để đáp ứng được các topo

mạng khác nhau như:

+ Point to Point: chủ yếu dành cho Backhaul

+ Point to Multipoint (PMP): cho đường truyền giữa BS tới SS

+ Multipoint to multipoint (Mesh): được trông đợi sẽ là một cấu trúc mạng hội tụ được các thế hệ mạng không dây trong tương lai với các đặc điểm như tính tự tổ chức, tự cấu hình và tự điều chỉnh một cách linh hoạt Mesh có hai cơ chế chính đó

là lập lịch tập trung (Centralized scheduling) và lập lịch phân tán (Centralized scheduling)

- Bảo mật cao: WiMAX hỗ trợ hệ mã khối AES (Advanced Encryption Standard)

và 3DES (triple Data Encryption Standard) có tính an toàn cao Với việc bảo mật tuyến giữa BS và SS, WiMAX cung cấp sự riêng tư và an toàn của giao tiếp không dây băng rộng Ngoài ra, nó còn đảm bảo cho nhà cung cấp và người sử dụng không

bị đánh cắp dịch vụ, điều dễ xảy ra đối với các mạng có dây WiMAX còn cho phép xây dựng mạng riêng ảo (VPN) cho phép bảo vệ dữ liệu được truyền giữa những người sử dụng khác nhau trong cùng một BS

- Triển khai nhanh chóng và rộng khắp: So với sự triển khai của các giải pháp

dây, WiMAX yêu cầu ít hoặc không yêu cầu xây dựng kế hoạch mở rộng Ví dụ, đào hố để hỗ trợ rãnh của các cáp không được yêu cầu Các nhà khai thác có giấy phép để sử dụng một trong số các băng tần được cấp phát, hoặc có kế hoạch để sử

dụng một trong các băng tần không được cấp phép, không cần thiết xem xét sâu hơn các ứng dụng cho chính phủ Khi anten và thiết bị được lắp đặt và được cấp nguồn, WiMAX sẽ sẵn sàng phục vụ Trong hầu hết các trường hợp, triển khai WiMAX có thể hoàn thành trong khoảng mấy giờ, so với mấy tháng cho các giải pháp khác

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

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

- Khả năng tương thích: đây chính là một tính năng mà bản thân sự phát triển của

WiMAX đã được tính tới, do đây là công nghệ phát triển sau nên nó cần phải có để được chấp nhận

- Khả năng ling động (Portability): Giống như hệ thống Cellular, khi một MS tham

gia vào mạng, nó sẽ thỏa thuận các đặc tính đường truyền với BS ngay sau khi được đăng kí vào trong cơ sở dữ liệu của hệ thống

- Khả năng di động: Đây là tính năng được nghiên cứu trong chuẩn 802.16e, hỗ trợ

khả năng di động với tốc độ cao

- Khả năng điều chế nhiều mức: WiMAX hỗ trợ khả năng điều chế nhiều mức cho

phù hợp với điều kiện kênh truyền, ví dụ như khi kênh truyền tốt, nó có thể điều chế 64QAM, còn ngược lại thì chỉ là QPSK

- Hoạt động tầm nhìn không thẳng: NLOS thường ám chỉ đường dẫn vô tuyến có

miền Fresnel thứ nhất bị chặn hoàn toàn WiMAX dựa vào công nghệ OFDM đã có sẵn khả năng xử lý các môi trường NLOS Dung lượng này giúp các sản phẩm WiMAX phân phát độ rộng băng tần rộng trong môi trường NLOS, mà các sản phẩm vô tuyến khác không làm được

- Cung cấp QoS: WiMAX cung cấp 5 loại hình chất lượng dịch vụ khác nhau trên

từng kết nối đáp ứng tất cả các yêu cầu của người sử dụng:

Dịch vụ không yêu cầu thăm dò (Unsolicited grant service - UGS): được thiết kế để hỗ trợ truyền thời gian thực với tốc độ bit không đổi (CBR), nó sẽ

truyền đi chính xác trong những khoảng thời gian xác định mà không cần yêu cầu hoặc thăm dò, được sử dụng trong VoIP và T1/E1

Dịch vụ hỏi vòng thời gian thực (Real-time polling service - rtPS): thiết kế cho tốc độ bit thay đổi (VBR), như là MPEG video, BS sẽ hỏi chi phí đường truyền một cách có chu kỳ tới SS để cấp băng thông theo yêu cầu

Dịch vụ hỏi vòng không thời gian thực (Nonrealtime polling service nrtPS): cho đường truyền cho phép thời gian trễ như FTP Nó cho phép một

-SS sử dụng các yêu cầu cạnh tranh cho băng thông Tín hiệu thăm dò được gửi đi liên tục để kiểm tra xem SS có yêu cầu thay đổi băng thông không, thâm chí cả trong trường hợp mạng rất đông

Dịch vụ truyền nỗ lực tối đa (Best effort - BE) service: Không chỉ rõ bất cứ dịch vụ nào liên quan đến các yêu cầu Nó cũng cho phép một MS sử dụng các yêu cầu cạnh tranh cho băng thông, tuy nhiên lại không cung cấp được băng thông riêng và chính xác như yêu cầu của MS

Dịch vụ mở rộng của rtPS (Extended or Enhanced rtPS): thực chất là sự kết hợp giữa UGS và rtPS Nó vẫn cung cấp tốc độ bit không đổi, tuy nhiên lại mang tính chất động của rtPS Nó thích hợp cho các đường truyền có yêu cầu

về cả tốc độ dữ liệu và trễ, ví dụ như VoIP mà không loại trừ sự im lặng

1.3.3 Cấu trúc hệ thống của Wimax

Về cấu trúc phân lớp, hệ thống WiMAX được chia thành 4 lớp:

- Lớp con hội tụ CS: có nhiệm vụ giao tiếp giữa lớp đa truy nhập và các lớp trên

- Lớp MAC: đây là lớp đa truy nhập của hệ thống

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

- Lớp vật lý

Các lớp này tương đương với hai lớp dưới của mô hình OSI và được tiêu chuẩn hóa để có thể giao tiếp với nhiều ứng dụng lớp trên như mô tả ở hình dưới đây [6]:

Hình 1 7 Mô hình phân lớp trong WiMAX

- Đặc tả OFDMA: Đặc tả OFDMA cũng dựa trên nền công nghệ OFDM nhưng nó

hỗ trợ đa truy nhập phân chia theo sóng mang

1.3.3.2 Lớp MAC

Lớp con hội tụ CS

Khái niệm CID: Một kết nối được hiểu là một ánh xạ từ MAC-BS tới MAC-SS với mục đích vận chuyển lưu lượng của một loại dịch vụ Mỗi kết nối được xác định bởi

một CID là viết tắt của chữ Connection Identifier, có độ dài 16bit Lớp con hội tụ

CS thi hành một số các chức năng như nhận các PDU từ lớp cao hơn, phân lớp dịch

vụ các PDU đó, tùy theo các dịch vụ mà xử lí các PDU,phân phối các PDU này xuống lớp con MAC thông qua một điểm SAP thích hợp Tuy nhiên, nhiệm vụ chính của lớp này là phân loại các đơn vị dịch vụ dữ liệu SDU, ánh xạ nó vào một kết nối MAC phù hợp, tức là vào một CID, đảm bảo cho việc xử lí QoS Để đảm bảo thực hiện được điều này, lớp CS có thể sử dụng các thuật toán tinh vi để ánh xạ hoặc cũng có thể thêm, thay đổi tiêu đề mỗi gói tin của lớp trên để xử lí Hiện tại chỉ

có hai định nghĩa được được cung cấp trong 802.16:

ATM CS và Packet CS ATM CS được định nghĩa cho các dịch vụ ATM còn Packet CS được định nghĩa cho các dịch vụ gói như Ipv4, Ipv6, Ethernet, VLAN … ATM CS nhận các tế bào ATM, xử lí, phân lớp dịch vụ và phân phối nó xuống lớp dưới

Packet CS phân lớp các loại MAC SDU vào kết nối thích hợp, gỡ, thêm các tiêu đề, phân phối dữ liệu đến lớp con MAC, nhận dữ liệu từ lớp con MAC rồi xử lí

Các MAC SDU sẽ được phân loại bằng cách ánh xạ nó vào một kết nối riêng, điều

đó cũng có nghĩa là MAC SDU sẽ được ánh xạ vào một luồng dịch vụ riêng, có các đặc điểm QoS riêng Hình 1.3 thể hiện quá trình phân loại MAC SDU [6]

Hình 1 8 Quá trình phân loại MAC SDU

thường hẹp hơn nhiều Kiến trúc PMP trong triển khai thường được tổ chức thành các vùng (sector) và nó hỗ trợ tốt trong truyền thông multicast

Mặc dù 802.16- 2004 hỗ trợ cả ba kiểu kiến trúc trên nhưng PMP là kiến trúc được quan tâm nhất Kiến trúc này có một BS làm trung tâm sẽ cung cấp kết nối cho nhiều SS Trên đường xuống (downlink), dữ liệu đưa tới SS được hợp kênh theo kiểu TDM Các SS chia sẻ đường lên theo dạng TDMA

- Kiến trúc Mesh là kiến trúc mà bao giờ cũng có một đường liên kết giữa hai điểm bất kì

MAC 802.16 theo kiểu hướng kết nối (connection-oriented) Tất cả những dịch vụ bao gồm những dịch vụ không kết nối (connectionless) cố hữu, được ánh xạ tới một kết nối Điều đó cung cấp một cơ chế cho yêu cầu dải thông, việc kết hợp QoS và các tham số về lưu lượng, vận chuyển và định tuyến dữ liệu đến lớp con quy tụ thích hợp và tất cả các hoạt động khác có liên quan đến điều khoản hợp đồng của dịch vụ Các kết nối được tham chiếu đến các CID 16-bit (16-bit connection identifier) và có thể yêu cầu liên tiếp dải thông được cấp phát hay dải thông theo yêu cầu

lý dựa trên cơ sở các chuẩn như DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol),

TFTP (Trivial File Transfer Protocol) và SNMP (Simple Network Management Protocol) Ngoài những kết nối quản lý này, các SS được cấp phát các kết nối vận chuyển (transport connection) cho các dịch vụ đã ký hợp đồng Những kết nối vận chuyển theo một hướng duy nhất đơn giản hoá các tham số QoS đường lên và đường xuống khác nhau và các tham số lưu lượng Ngoài ra MAC còn dự trữ các kết nối bổ sung cho những mục đích khác như sự truy nhập lúc khởi đầu trên cơ sở cạnh tranh, sự truyền quảng bá (broadcast) cho đường xuống hoặc sự kiểm tra tuần

tự (polling)

- Định dạng MAC PDU

MAC PDU là đơn vị dữ liệu được dùng để trao đổi thông tin giữa các lớp MAC của

BS và SS MAC PDU có hai dạng, dạng thông thường và dạng yêu cầu băng thông MAC PDU thông thường bắt đầu bởi một tiêu đề có chiều dài cố định

Tiếp theo là tải (payload), tải có độ dài thay đổi, chính vì vậy mà MAC PDU cũng

có chiều dài thay đổi Và cuối cùng là mã CRC MAC PDU yêu cầu băng thông thì chỉ có phần tiêu đề mà thôi Hình dưới đây mô tả dạng của MAC PDU

Mỗi MAC PDU bao gồm phần tiêu đề có chiều dài cố định Tiếp theo là tải, tải thông thường bao gồm các tiêu đề con (subheader) và MAC SDU Tải cũng có thể

có độ dài bằng 0 trong trường hợp đó là MAC PDU dùng để yêu cầu băng thông CRC (Cyclical Redundancy Checking) là mã vòng kiểm soát lỗi cho cả phần header

và payload trong MAC PDU tương ứng với nó CRC chỉ được gắn vào MAC PDU khi đó là MAC PDU thông thường (chứa thông tin quản lý hoặc dữ liệu) Như vậy, MAC PDU yêu cầu băng thông không được bảo vệ bằng CRC

bảo mật của 802.16-2004 thì các bước chứng thực và cấp phát khóa sẽ được bỏ qua

BS nếu chấp nhận điều đó thì sẽ vẫn cho phép SS được truyền dữ liệu, ngược lại BS

sẽ không cho phép Chỉ có hai loại kết nối được bảo vệ trong 802.16-2004 là các kết nối vận chuyển và kết nối thứ cấp Các kết nối quản lí, điều khiển khác không cần phải bảo vệ

1.3.4 Các kỹ thuật sử dụng trong Wimax

1.3.4.1 Kỹ thuật truyền song công

Kỹ thuật song công nói đến cách mà các đường xuống (downlink - DL) và đường lên (uplink - UL) được sắp xếp trong quá trình truyền dữ liệu Mô hình 802.16 sử dụng hai kỹ thuật song công là TDD

Kỹ thuật TDD

Kỹ thuật TDD cho phép truyền cả hai đường UL và DL trên cùng một băng tần nhưng trên hai khe thời gian khác nhau Một Frame TDD gồm một frame UL và một frame DL, với khoảng thời gian của một frame là không đổi đối với mỗi đặc tả lớp vật lý Mỗi frame được chia thành một số nguyên lần các khe vật lý, điều này giúp ích cho việc chia sẻ băng thông một cách hợp lý, làm tăng tính linh động của TDD khi có thể thay đổi được tỷ số DL/UL nên nó được ứng dụng nhiều trong đường truyền bất đối xứng Ngoài ra, so với hệ thống FDD, nó có chi phí rẻ hơn, và được áp dụng trong topo mạng Mesh Định dạng của một một TDD frame [6]:

Công nghệ OFDM chia luồng dữ liệu ra thành nhiều đường truyền băng hẹp trong vùng tần số sử dụng các song mang con trực giao với 1 sóng mang con khác Những sóng mang con này sau đó ghép thành các kênh tần số để truyền vô tuyến

Các đường truyền băng hẹp này sử dụng các ký tự có khoảng thời gian dài (long duration symbol) trong miền thời gian để làm cho các ký tự không bị méo do hiện tượng đa đường dẫn Bằng cách sử dụng các khoảng thời gian của ký tự xấp xỉ 100ms với khoảng bảo vệ khoảng 10ms, công nghệ OFDM cho phép khắc phục

được các tác động của hiện tượng đa đường dẫn

Hình 1 10 Khoảng bảo vệ hạn chế nhiễu

Để đảm bảo khả năng trực giao, khoảng dãn cách giữa các sóng mang con phải được chọn lựa sao cho nó đảo ngược với khoảng thời gian của ký tự

Hình 1 11 Lựa chọn khoảng dãn giữa những sóng mang Khoảng dãn cách giữa các sóng mang con được lựa chọn để mỗi sóng mang con trực giao với các sóng mang con khác Độ dãn cách giữa các sóng mang con phải cân bằng với sự đảo ngược các khoảng thời gian của ký tự Số lượng các sóng mang con phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ rộng kênh và mức độ nhiễu Con số này tương ứng với kích thước FFT (Fast Fourier Transformer) Chuẩn giao tiếp vô tuyến 802.16-2004 xác định rõ 256 sóng mang con, tương ứng với kích cỡ FFT 256 độ rộng kênh độc lập Theo cách khác, chuẩn 802.16e-2005 cung cấp các kích cỡ FFT

từ 512 tới 2048 phù hợp với các độ rộng kênh từ 5 tới 20MHz để duy trì tương đối khoảng thời gian không đổi của ký tự và khoảng dãn cách giữa các sóng mang con độc lập với độ rộng kênh Vì thế với công nghệ OFDM, sự kết hợp của các sóng

mang con trực giao truyền song song với các ký tự có khoảng thời gian dài đảm bảo rằng lưu lượng băng thông rộng không bị hạn chế do môi trường bị che chắn tầm nhìn (NLOS) và nhiễu do hiện tượng đa đường dẫn

Các tham số trong OFDM

- Tiền tố vòng (CP)

Tiền tố vòng là một phần dữ liệu của khối trước được gắn vào trước của ký tự OFDM Mục đích của nó là loại bỏ nhiễu xuyên ký hiệu ISI miễn là thời lượng CP (TG) lâu hơn trễ truyền lan của kênh Tuy nhiên việc thêm CP lại làm giảm hiệu suất của kênh truyền, vì vậy chọn CP hợp lý cũng là một vấn đề cần được quan tâm Tỷ

số G=TG/Td gồm các giá trị 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 cho cả kỹ thuật OFDM và OFDMA, tuy nhiên đối với mobile WiMAX, giá trị mày bắt buộc là 1/8 Trong đó, Td là thời gian truyền ký tự OFDM

Hình 1 12 Tiền tố vòng CP

- Phân loại sóng mang

Các sóng mang con OFDM thường được phân làm 3 loại chính:

Sóng mang con dữ liệu: được sử dụng cho việc mang các symbol dữ liệu Sóng mang con dẫn đường: được sử dụng cho việc mang các symbol dẫn đường (pilot) Các symbol dẫn đường được biết đến như một sự ưu tiên và có thể được sử dụng cho đánh giá kênh và dò kênh

Sóng mang con rỗng: không có công suất được cấp đến chúng, bao gồm các sóng mang con một chiều DC và các sóng mang con bảo vệ (guard) Các

sóng mang con DC không được điều chế, để đề phòng bất kỳ sự tác động dồn dập hay công suất vượt quá giới hạn ở bộ khuyếch đại

Do vậy, trong tổng số sóng mang (N) chỉ có một phần được dùng để truyền dữ liệu Ví dụ : với N=256, ta có 28 sóng mang bảo vệ trái, 27 bên phải , 1 sóng mang

DC và 8 sóng mang dẫn đường; do đó chỉ còn 192 sóng mang dữ liệu

Hình 1 13 Phân loại sóng mang con

- Tần số lấy mẫu f s

Với B là băng thông kênh, n là chỉ số lấy mẫu, ta có:

fs = n*B Trong đó, giá trị của n phụ thuộc vào băng thông kênh, nó có thể là 8/7, 86/75, 144/125, 316/275 and 57/50 đối với OFDM và 8/7, 28/25 đối với OFDMA [1]

OFDM sở hữu các mức điều chế khác nhau cho phù hợp với điều kiện kênh truyền, điều này sẽ được mô tả chi tiêt ở chương 3, dưới đây là bảng so sánh tốc độ của hệ thống OFDM 256 với băng thông 7 MHz và chỉ số lấy mẫu 8/7 tương ứng với các mức điều chế khác nhau, được lấy theo chuẩn IEEE Std 802.16 – 2005 [6]:

Bảng 2 Tốc độ truyền dẫn của hệ thống OFDM

1.3.4.3 Kỹ thuật OFDMA

- Khái niệm

OFDMA về bản chất là sự kết hợp của FDMA và TDMA: Người dùng được cấp phát động các sóng mang con (FDMA) trên các khe thời gian khác nhau (TDMA) Những ưu điểm của OFDMA bắt đầu với những ưu điểm của OFDM đơn người dùng trong việc giảm thiểu hiệu ứng đa đường và phân tập tần số Thêm nữa, OFDM/OFDMA là một kỹ thuật đa truy nhập mềm dẻo có thể phù hợp với nhiều người dùng trong một dải rộng các ứng dụng, tốc độ dữ liệu và yêu cầu QoS khác nhau Bởi vì đa truy nhập được thực hiện trên miền số, trước khi thực hiện biến đổi IFFT nên có thể cho sự cấp phát băng thông động và hiệu quả Điều này cho phép những thuật toán lập lịch gói phức tạp trên miền thời gian và tần số có thể được tích hợp vào để phục vụ tốt nhất tập hợp người dùng.Truy cập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) là công nghệ đa sóng mang phát triển từ công nghệ OFDM, ứng dụng như một công nghệ đa truy cập Được diễn tả như ở biểu đồ dưới đây, OFDMA hỗ trợ các nhiệm vụ của các nhóm sóng mang con đối với các thuê bao nhất định Mỗi một nhóm sóng mang con được biểu thị như một kênh con (subchannel), và mỗi thuê bao được chỉ định một hoặc nhiều kênh con để truyền phát dựa trên mỗi yêu cầu cụ thể về lưu lượng của mỗi thuê bao

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

định được cải tiến Bằng việc ấn đinh các kênh con cho các thuê bao cụ thể, việc truyền phát từ một số thuê bao có thể xảy ra đồng thời mà không cần sự can thiệp nào, do đó sẽ giảm thiểu tác động như ảnh hưởng đa truy nhập- MAI (multiple access interference) Hơn nữa, hiện tượng các kênh con cho phép tập trung công suất phát qua một số lượng các song mang con ít hơn Kết quả này làm tăng số đường truyền dẫn đến tăng phạm vi và khả năng phủ sóng Đối với đa truy cập OFDMA, các kênh con có thể được tạo thành từ cả các sóng mang con liên tục (contiguous subcarriers) cũng như các songmang con giả ngẫu nhiên (subcarriers pseudorandomly) được phân phối qua phổ tần số Các kênh con được tạo thành sử dụng phân phối sóng mang con cho phép nhiều hơn, điều này rất có lợi cho các ứng dụng di động

- Chế độ hoán vị trong OFDMA

Có hai chế độ phân bố quen thuộc đáng chú ý:

Chế độ hoán vị phân tán: các sóng mang được phân bố giả ngẫu nhiên Hệ thống này gồm có: FUSC, FUSC, OPUSC, OPUSC, TUSC Lợi thế chính của việc hoán vị phân bố là phân tập tần số và sự trung bình hóa nhiễu liên cell Nó làm giảm đến mức tối thiểu khả năng sử dụng cùng sóng mang của các phần hay các cell kề nhau Tuy nhiên việc ước lượng kênh lại không đơn giản như việc các sóng mang được phân bố trên băng thông cho phép

Chế độ hoán vị liền kề: Chia thành nhóm các sóng mang kề nhau Đây chính

là hệ thống điều chế và mã hóa thích ứng AMC (Adaptive Modulation and Coding) Việc này cho phép lựa chọn phần điều kiện tốt nhất của băng thông,

do việc ước lượng kênh là dễ dàng do các sóng mang kề nhau

Các chế độ hoán vị được định nghĩa cho cấu hình WiMAX [6]:

Cho DL: PUSC, FUSC, TUSC and AMC

Cho UL: PUSC and AMC