Công nghệ WIMAX, ứng dụng và tiềm năng phát triển

Hình 1.1: Các cấu hình mạng trong các vùng thành thị và nông thônMột vài trạm gốc có thể được nối với một trạm gốc khác sử dụng các liên kếtbackhaul tốc độ cao.. Các nhà khai thác có giấ

TR ƯỜNG ĐẠI HỌC VINH NG ĐẠI HỌC VINH I H C VINH ỌC VINH

Là một công nghệ vô tuyến tiên tiến, WiMAX có những đặc điểm vượt trội như

là khả năng truyền dẫn tốc độ cực cao, chất lượng dịch vụ tốt, an ninh đảm bảo, dễdàng lắp đặt…chính vì vậy sự phát triển nhanh chóng của WiMAX là một tất yếu

WiMAXtruyền tải tốc độ dữ liệu cao nhờ công nghệ không dây bằng sóngviba theo họ chuẩn 802.16 Nó được xây dựng trên nền tảng ghép kênh phân chiatheo tần số trực giao OFDM và lớp MAC linh hoạt, mềm dẻo…

Trải qua các giai đoạn phát triển, họ 802.16 được đưa ra nhiều chuẩn côngnghệ như là 802.16a, 802.16b, 802.16c, 802.16d, 802.16e, 802.16g…tuy nhiênhiện nay các nhà khai thác đang thử nghiêm và sử dụng chủ yếu là họ chuẩn802.16e do đây là họ chuẩn phù hợp với nhiều lĩnh vực kinh doanh trên thị trường như

là thiêt bị di động, thiết bị cầm tay, và cả thiết bị cố định…chuẩn tấn sốWiMAX khá rộng và đa dạng, nhưng theo khuyến khích thì tần số sử dụng choWiMAX tốt nhất ở các dải tần như là: 2,3GHz, 2,4 GHz 2,5 GHz, 3,3 GHz, 3,5GHz, 3,7 GHz, và 5,8 GHz Đây là các tấn số áp dụng tốt nhất cho chuẩn 802.16e

Trên thế giới tính đến ngày 16.10.2007 thì đã có 1272 giấy phép cấp choWiMAX, tăng gấp đôi so với năm trước , theo thăm dò ý kiến từ ngày 11.04.2007 đếnngày 11.05.2007 với 1388 người yêu thích công nghệ tại Đông Nam Á với độ tuổitrung bình là 25 thì có tới 99,2% số người được hỏi cho biết họ muốn có WiMAXtại nơi họ sinh sống Đây là số liệu điều tra của Motorola tại Hồng Kông, Malasia vàPhilippin

Chính vì những điều đó, em nhận thấy WiMAX là công nghệ đang có tiềm

năng nhất hiện nay với khả năng phát triển vững chắc và lâu dài…cho nên em chọn

đề tài cho đồ án tốt nghiệp của mình là: “Nghiên cứu công nghệ WiMAX và ứngdụng ở Việt Nam”

Trải qua một thời gian tìm hiểu, nghiên cứu, đúc kết dưới sự chỉ bảo tận tìnhcủa các thầy cô giáo em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp của mình đúng như thờigian yêu cầu của nhà trường đặt ra

Đồ án của em bao gồm:

Chương 1: Tìm hiểu công nghệ Wimax

Chương 2:Tìm hiểu công nghệ Wimax di động

Chương 3: Ứng dụng của Wimax

Chương 4 :Tiềm năng phát triển của Wimax

Em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến các thầy giáo, cô giáo đã giúp đỡ emhoàn thành đồ án tốt nghiệp Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầygiáo KS.Lê Đình Công, người trực tiếp hướng dẫn em làm đồ án này !

Xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, anh chị em cùng toàn thể bạn bè giúp đỡ đểhoàn thành bản đồ án trong thời gian sớm nhất !

Xin chân thành cảm ơn !

Sinh viên

Lê Xuân Hồng

Chương 1: Công nghệ wimax 1.1 Lịch sử, quá trình phát triển

+ Với Modem quay số điện thoại thì tốc độ thấp

+ ADSL có tốc độ lên tới 8Mb/s nhưng cần có đường dây kết nối

+ Các đường thuê bao riêng thì giá thành đắt mà lại khó triển khai với các khuvực có địa hình phức tạp

+ Hệ thống thông tin di động hiện nay cung cấp tốc độ truyền 9,6Kb/s là rấtthấp so với nhu cầu của người sử dụng

+ GSM (2G),GPRS (2,5G) cho phép truy nhập ở tốc độ 172,2Kb/s hay EDGE

ở 300 đến 400Kb/s cũng chưa đủ đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của các dịch vụInternet

+ Hệ thống di động 3G thì tốc độ truy nhập Internet cũng không vượt quá2Mb/s

+ Mạng WiFi (hay LAN không dây) chỉ có thể áp dụng cho các máy tính traođổi thông tin khoảng cách ngắn

Với thực tế các công nghệ như vậy, WIMAX (Worldwide Interoprability forMicrowave Access) đã ra đời nhằm cung cấp một phương tiện truy nhậpInternet không dây tổng hợp có thể thay thế cho ADSL và WiFi Hệ thống

WIMAX có thể cung cấp đường truyền với tốc độ lên tới 70Mb/s và có bán kínhphủ sóng của một trạm là 50Km Mô hình phủ sóng của WIMAX tương tự nhưmạng tế bào Hoạt động của WIMAX rất mềm dẻo và tương tự như của WiFi khitruy nhập mạng tức là khi một máy tính có nhu cầu truy nhập mạng thì nó sẽ tựđộng kết nối đến trạm anten WIMAX gần nhất.Điều quan trọng nhất WIMAX xâydựng dựa trên tiêu chuẩn IEEE.802.16

bị ảnh hưởng của vật cản như cây cối hay nhà cửa, cũng như dành cho các trạm gốcchỉ gắn được trong nhà mà không gắn được trên đỉnh tháp hay đỉnh núi

Để hỗ trợ mô hình kinh doanh có lợi nhuận, các nhà khai thác và cung cấpdịch vụ mạng cần phải duy trì một hỗn hợp khách hàng là doanh nghiệp tạo doanh thucao và số lượng lớn các thuê bao tư nhân Các hệ thống 802.16a có thể đáp ứng đượcyêu cầu này bằng cách hỗ trợ nhiều cấp dịch vụ khác biệt

Bán kính của phủ sóng của một điểm phát 802.16a điển hình có thể xa từ 4 tới

6 dặm Chuẩn mới này sẽ giúp ngành viễn thông tạo ra các giải pháp chung cho cáckiểu thị trường băng rộng:

a Băng thông theo yêu cầu Công nghệ không dây 802.16a cho phép các nhà

cung cấp dịch vụ triển khai được dịch vụ có tốc độ tương đương với sử dụng giảipháp kết nối dây chỉ trong vài ngày với chi phí cực thấp Nó cũng cho phép đặt cấuhình tức thời theo yêu cầu kết nối tốc độ cao dùng cho các sự kiện ngắn ngàynhư hỗ trợ triển lãm

b Trục nhánh của mạng tế bào Băng thông lớn của công nghệ 802.16 khiến nó trở

thành sự lựa chọn tuyệt vời để tải dữ liệu trục nhánh cho các trạm gốc của mạng

tế bào theo cấu hình mạng điểm nối điểm

c Băng thông rộng cho gia đình: Lấp đầy khoảng trống kết nối mà thuê bao số và

mạng cáp không cung cấp dịch vụ tới được Có nhiều giới hạn ngăn cản công nghệ thuêbao số và mạng cáp tiếp cận tới người dùng băng thông rộng tiềm năng Điều này sẽthay đổi nhờ việc tung ra các hệ thống chuẩn dựa trên 802.16a

d Các khu vực thiếu dịch vụ Công nghệ Internet không dây dựa trên công nghệ

IEEE 802.16 là một sự lựa chọn tự nhiên cho khu vực nông thôn thiếu dịch vụ vàcác khu vực ngoại ô có mật độ dân số thấp

Dịch vụ không dây kết nối tốt nhất Chuẩn IEEE 802.16e* mở rộng tới 802.16agiới thiệu khả năng di động cho phép người sử dụng kết nối khi đang di chuyểnngoài khu vực nhà ở của mình

Các yếu tố khiến 802.16 a trở nên khác biệt

Thông lượng Bằng cách sử dụng một phương thức điều chế mạnh, IEEE

802.16a tạo ra thông lượng cao trên khoảng cách có năng suất phổ mức cao chịu lỗiphản xạ tốt Trạm gốc có thể đánh đổi thông lượng để lấy khoảng cách

Khả năng mở rộng được Để sử dụng được kế hoạch mạng cho cả hai phổ

được cấp phép và miễn phép trên toàn cầu, chuẩn 802.16a hỗ trợ các băng thôngkênh linh hoạt

Phủ sóng Bên cạnh việc hỗ trợ phương thức điều chế mạnh và động, chuẩn

IEEE 802.16a cũng hỗ trợ các công nghệ tăng cường việc phủ sóng trong đó có các

kỹ thuật topo mạng nhện và ăng ten thông minh

Chất lượng dịch vụ Chuẩn IEEE 802.16a bao gồm các tính năng Chất lượng

dịch vụ cho phép các dịch vụ như thoại và email là những dịch vụ đòi hỏi mạng có

độ trễ thấp hoạt động được Dịch vụ thoại dùng 802.16a có thể dùng ghép kênh phânchia thời gian (TDM) hoặc IP (VoIP)

Bảo mật Các tính năng bảo mật và mã hóa có sẵn trong chuẩn 802.16a để hỗ

trợ truyền thông tin an toàn và nhận dạng, giải mã số liệu

Bằng việc sử dụng chuẩn 802.16a, các nhà cung cấp dịch vụ mạng có thể giảmchi phí nghiên cứu phát triển bằng cách phân bổ chi phí trên lượng sản phẩm lớn hơn.Một điểm quan trọng nữa là đối với hàng triệu người trên thế giới không thể kết nốibăng thông rộng qua mạng cáp hoặc thuê bao số, công nghệ không dây IEEE

802.16a mới sẽ là đường dẫn thứ ba (ngoài đường dây điện thoại và cáp truyềnhình) kết nối các hộ gia đình, doanh nghiệp, các điểm truy cập công cộng và cácquán cafe có dịch vụ truyền dẫn tới rất nhiều lợi ích của Internet

Chuẩn cơ bản 802.16 basic

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

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

sự trao đổi truyền thông giữa hai SS với nhau Nối kết giữa BS và SS sẽ gồm mộtkênh uplink và downlink Kênh uplink sẽ chia sẻ cho nhiều SS trong khi kênhdownlink có đặc điểm broadcast Trong trường hợp không có vật cản giữa SS và BS(line of sight), thông tin sẽ được trao đổi trên băng tần cao Ngược lại, thông tin sẽđược truyền trên băng tần thấp để chống nhiễu

Các chuẩn bổ sung (amendments) của WiMAX

- 802.16a : Chuẩn này sử dụng băng tần có bản quyền từ 2 - 11 GHz Đây là băng

tần thu hút được nhiều quan tâm nhất vì tín hiệu truyền có thể vượt được cácchướng ngại trên đường truyền 802.16a còn thích ứng cho việc triển khai mạngMesh mà trong đó một thiết bị cuối (terminal) có thể liên lạc với BS thông qua mộtthiết bị cuối khác Với đặc tính này, vùng phủ sóng của 802.16a BS sẽ được nớirộng

- 802.16b: Chuẩn này hoạt động trên băng tần từ 5 - 6 Ghz với mục đích cung ứng

dịch vụ với chất lượng cao (QoS) Cụ thể chuẩn ưu tiên truyền thông tin của nhữngứng dụng video, thoại, real-time thông qua những lớp dịch vụ khác nhau (class ofservice) Chuẩn này sau đó đã được kết hợp vào chuẩn 802.16a

- 802.16c : Chuẩn này định nghĩa thêm các profile mới cho dải băng tần từ

10-66GHz với mục đích cải tiến interoperability

-802.16d : Có một số cải tiến nhỏ so với chuẩn 802.16a Chuẩn này được chuẩn

hóa 2004 Các thiết bị pre-WiMAX có trên thị trường là dựa trên chuẩn này

- 802.16e : Đang trong giai đoạn hoàn thiện và chuẩn hóa Đặc điểm nổi bật của

vẫn có thể dùng tốt dịch vụ này là 100km/h) IEEE 802.16e hay IEEE

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

- Ngoài ra còn có nhiều chuẩn bổ sung khác đang được triển khai hoặc đang trong

giai đoạn chuẩn hóa như 802.16g, 802.16f, 802.16h

1.2 Tầm nhìn chung

1.2.1 Thành phần hệ thống

Hệ thống WIMAX gồm 2 phần:

+ Trạm gốc WIMAX: trạm gốc bao gồm thiết bị điện tử trong nhà và tháp

WIMAX Thông thường, một trạm gốc có thể phủ sóng trong bán kính 10 km (theo lýthuyết, một trạm gốc có thể phủ sóng trong bán kính 50 km) Mọi node vô tuyến bêntrong vùng phủ sóng có thể truy cập internet

+ Máy thu WIMAX: máy thu và anten có thể là hộp riêng lẻ hoặc card PC ởtrong máy tính hay máy tính xách tay Truy cập tới trạm gốc WIMAX tươngđương với truy cập tới điểm truy cập vô tuyến trong mạng WiFi, nhưng vùng phủsóng lớn hơn Một vài trạm gốc được kết nối với một trạm gốc khác với việc sửdụng các liên kết sóng vi ba backhaul tốc độ cao

Hình 1.1: Các cấu hình mạng trong các vùng thành thị và nông thôn

Một vài trạm gốc có thể được nối với một trạm gốc khác sử dụng các liên kếtbackhaul tốc độ cao Điều này cho phép thuê bao WIMAX chuyển vùng từ một trạmgốc này tới vùng trạm gốc khác, giống như chuyển vùng được cho phép bởi các công

ty điện thoại tổ ong

Một vài lựa chọn backhauling và cấu hình được hỗ trợ cho các trạm gốcWIMAX: backhauling có dây (thường qua Ethernet), kết nối vi ba điểm tới điểm,cũng như backhaul WIMAX Đối với lựa chọn sau cùng, trạm gốc có khả năngbackhaul chính nó Điều này có thể đạt được bằng cách dự trữ phần độ rộng băng tầnthường được dùng cho lưu lượng người sử dụng đầu cuối và sử dụng nó cho cácmục đích backhauling

- FEC (Forward Error Corection)

- Phương pháp truyền khung dừng và chờ ARQ, truyền lại có lựa chọn ARQ

Trên đây là những thành phần công nghệ mà WIMAX nói chung sử dụng WIMAX được xây dựng trên chuẩn của ITU (liên minh viễn thông thế giới) đậy làtiêu chuẩn của công nghệ không dây chuẩn cho WIMAX, ngoài ra xung quanhchuẩn đó người ta còn sử dụng thêm nhiều các kỹ thuật khác nữa như đã nói ở trên Đối với WIMAX di động thì do đặc thù của tính di động nên người ta còn phảichú trọng nhiều đến những vấn đề liên quan để tăng khả năng phát sóng và thu sóngcủa thiết bị di động

1.3 Ưu điểm, nhược điểm

1.3.1 Ưu điểm

Được xây dựng trên tiêu chuẩn IEEE.802.16, WIMAX là hệ thống đa truynhập không dây băng rộng dùng công nghệ OFDM với cả hai kiểu đường truyền LOS

và NLOS

Chuẩn WIMAX phát triển với nhiều mục tiêu, chúng được tổng kết ở dưới đây:

Hình 1.2: Ưu điểm của công nghệ WIMAX

• Kiến trúc mềm dẻo: WIMAX hỗ trợ một vài kiến trúc hệ thống, bao gồm điểm tới

điểm, điểm tới đa điểm, và bao phủ khắp nơi MAC (điều khiển truy nhậpphương tiện) WIMAX hỗ trợ điểm tới đa điểm và các dịch vụ ở khắp nơi bằngcách sắp xếp một khe thời gian cho mỗi trạm thuê bao (SS) Nếu chỉ có một SStrong mạng, thì trạm gốc WIMAX sẽ thông tin với SS trên cơ sở điểm tới điểm Một

BS trong cấu hình điểm tới điểm có thể sử dụng một anten búp hẹp hơn để phủ cácvùng lớn hơn

• Bảo mật cao: WIMAX hỗ trợ ASE (chuẩn mật mã hóa tiên tiến) và DES (trong đó

là chuẩn mật mã hóa số liệu) Bằng cách mật mã hóa các liên kết giữa BS và SS,WIMAX cung cấp các thuê bao riêng (chống nghe trộm) và bảo mật trên giao diệnkhông dây băng rộng Bảo mật cũng cung cấp cho các nhà khai thác sự bảo vệ mạnh

mẽ chống ăn trộm dịch vụ WIMAX cũng được xây dựng hỗ trợ VLAN, mà cung cấp

sự bảo vệ dữ liệu được truyền bởi các người sử dụng khác nhau trên cùng một BS

• Triển khai nhanh: 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 củacác 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 tầnkhông 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 mấygiờ, so với mấy tháng cho các giải pháp khác

• QoS WIMAX: WIMAX có thể được tối ưu hóa hỗn hợp lưu lượng được mang Bốn

Best Effort (BS) Dịch vụ BS được thiết kế để hỗ trợ các luồng số liệu

mà không yêu cầu mức dịch vụ tối thiểu và có thể xử lýtrên cơ sở giá trị không gian

Bảng 1.1: QoS WIMAX

• 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 kểcho các người sử dụng đầu cuối

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

QPSK, 16-QAM, và 64-QAM Khi được trang bị với một bộ khuyếch đại công suấtlớn và hoạt động với điều chế mức thấp (ví dụ, BPSK hoặc QPSK), các hệ thốngWIMAX có thể bao phủ một vùng địa lý rộng khi đường giữa BS và SS thông

suốt

• Mang lại lợi nhuận: WIMAX dựa trên chuẩn quốc tế mở Chuẩn được thông

qua đa số, sử dụng chi phí thấp, các chipset được sản xuất hàng loạt, sẽ điều khiển giá

hạ xuống; và cạnh tranh giá cả làm cho các nhà cung cấp dịch vụ, người sử dụngđầu cuối tiết kiệm được chi phí

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

(SLA) giữa nhà cung cấp dịch vụ và người sử dụng Hơn nữa, một nhà cung cấpdịch vụ có thể đưa ra các SLA khác nhau cho những người đăng ký khác nhau,hoặc thậm chí cho những người sử dụng khác nhau trong cùng một SS

• Khả năng cùng vận hành: WIMAX dựa vào các chuẩn cung cấp trung lập,

quốc tế, làm cho người sử dụng đầu cuối dễ dàng truyền tải và sử dụng SS của họ tạicác vị trí khác nhau, hoặc với các nhà cung cấp dịch vụ khác nhau Khả năng cùngvận hành bảo vệ vốn đầu tư ban đầu của nhà khai thác vì nó có thể chọn thiết bị từ cácđại lý thiết bị khác nhau, và nó sẽ tiếp tục làm giảm giá thiết bị

• Khả năng mang theo được: Với các hệ thống tổ ong hiện nay, khi SS WIMAX

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

SS được đăng ký trong cơ sở dữ liệu hệ thống, và sau đó đàm phán các đặc tínhtruyền dẫn phù hợp

• Tính di động: Chuẩn 802.16e IEEE được thêm một số đặc điểm chủ yếu trong

việc hỗ trợ tính di động Các cải tiến được tạo ra cho lớp vật lí OFDMA và OFDM đểcung cấp các thiết bị và dịch vụ trong môi trường di động Các môi trường này baogồm: OFDMA có thể chia tỷ lệ được, MIMO, và hỗ trợ chế độ idle/sleep, chuyểngiao, cho phép tính di động hoàn toàn tại tốc độ 160 km/h Chuẩn hỗ trợ bởi ForumWIMAX được hưởng hiệu năng NLOS (tầm nhìn không thẳng) tốt hơn của OFDM vàhoạt động chịu được đa đường, làm cho nó phù hợp hơn với môi trường di động

• Quá trình 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

có dung lượng vốn có của các môi trường NLOS Dung lượng này giúp các sản phẩmWIMAX phân phát độ rộng băng tần rộng trong môi trường NLOS, mà các sản phẩm

vô tuyến khác không làm được

WIMAX cho phép cả hai công nghệ TDD (Time Division Duplexing) vàFDD (Frequency Division Duplexing) cho phân chia truyền dẫn của hướng lên vàhướng xuống

1.3.2 Hạn chế, nhược điểm wimax

Với bất cứ hệ thống truyền thông vô tuyến nào thì ảnh hưỏng của môi trườngtruyền sóng là không thể tránh khỏi Hệ thống WIMAX cũng có những hạn chế vềđường truyền:

• Ảnh hưởng của thời tiết xấu đặc biệt là mưa to có thể làm gián đoạn các dịch vụ

• Các sóng vô tuyến điện lân cận có thể gây nhiễu với kết nối WIMAX và là nguyên nhân gây suy giảm dữ liệu trên đường truyền hoặc làm mất kết nối

• Ngoài ra vì đây là công nghệ hoàn toàn mới do đó việc chuẩn hóa chưa thực sựtrên phạm vi toàn thế giới nên khó khăn trong lắp ráp, thay thế ở các khu vực khácnhau

1.4 Nguyên lý

1.4.1 Sơ đồ nguyên lý

Hình 1.3: Mô hình truyền thông của WIMAX

1.4.2 Nguyên tắc hoạt động

khu vực của mạng Quá trình kết nối thông qua các dây kết nối DSL hoặc các bộbiến đổi cáp.Các công việc của WIMAX rất phù hợp với không gian gần từ cáctrạm chính nơi mà yêu cầu thiết lập đường nối dữ liệu tới mạng toàn cầu đượcđưa ra Sử dụng trong vòng 3 đến 5 dặm của trạm chính sẽ có thể thiết lập đườngtruyền với tốc độ lên tới 70Mb/s Người sử dụng trong vòng bán kính 30 dặm từtrạm chính với một anten ROD và truyền trong tầm nhìn thẳng sẽ có thể kết nối vớitốc độ lên tới 280Mb/s

Cấu trúc WIMAX gồm 2 phần:

• Trạm phát: cũng như trạm BTS trong mạng thông tin di động với công suất

lớn có thể phủ sóng một vùng rộng tới 8000km2

• Trạm thu: có thể là các anten nhỏ như các thẻ (card) mạng cắm vào hoặc

được thiết lập sẵn trên Mainboard bên trong máy tính

Các trạm (BTS) phát được kết nối với mạng Internet thông qua các đườngtruyền tốc độ cao dành riêng hoặc có thể nối tới một BTS khác như một trạm trungchuyển bằng đường truyền thẳng LOS (Line of sight), vì vậy mà WIMAX có vùngphủ sóng rộng lớn Các anten thu, phát có thể trao đổi thông tin với nhau qua các tiatruyền sóng thẳng hoặc các tia phản xạ Trong trường hợp truyền thẳng các antenđược đặt cố định trên các điểm cao, tín hiệu trong trường hợp này ổn định và tốc độtruyền có thể đạt tối đa Có thể sử dụng ở tần số cao lên đến 66Ghz bởi vì tần số nàytín hiệu ít bị giao thoa với các kênh tín hiệu khác và băng thông sử dụng cũng lớn hơn.Nếu có tia phản xạ thì WIMAX dùng băng tần thấp hơn 2 - 11Ghz vì ở tần số thấp tínhiệu dễ dàng vượt qua các vật cản, có thể phản xạ, nhiễu xạ, uốn cong, vòng qua cácvật để đến đích

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

• Lớp con tiếp ứng (convergence) làm nhiệm vụ giao diện giữa lớp đa truynhập và các lớp trên

• Lớp đa truy nhập (MAC)

• Lớp truyền dẫn (Transmission)

• Lớp vật lí

Các lớp này tương ứng với hai lớp dưới cùng của mô hình OSI và được tiêu chuẩn hóa

để có thể giao tiếp với các ứng dụng lớp trên

Hình 1.4: Mô hình phân lớp 46K - ĐTVT p trong hện: thống WIMAX so sánh vớp 46K - ĐTVT i OSI

1.5 Công nghệ

1.5.1 Chuẩn IEEE802.16

Chuẩn 802.16 là chuẩn đưa cho mạng không dây MAN ở dải tần 2-11Ghz Các linh kiện thì có khả năng di động và dùng cho vệc kết nối các hotspots của 802.11 với Internet, khả năng kết nối không dây với mạng DSL trong việc kéo dài đường truyền tới nhà thuê bao Nó cung cấp vùng phủ dịch vụ khoảng 50 km và không cần tầm nhìn thẳng tới trạm cơ sở Tốc độ dữ liệu lên tới 280Mbps cho mỗi trạm cơ sở

Physical Transmission MAC

Bridge LAN

OSI Data

Link Layer

OSI Physical

Layer

Hình 1.5: Các chuẩn không dây cho các mạng khác nhau

Chi tiết về tiêu chuẩn này được cụ thể trong bảng sau:

Q3-2004Phổ cho phép Từ 10-66 GHz < 11GHz < 6 GHz

Điều kiện kênh Yêu cầu tầm nhìn

thẳng

Không yêu cầu Không yêu cầu

Tốc độ bit 32 - 134 Mbps ở

28 MHz cho mỗikênh

> 75 Mbps ở 20MHz cho mỗi kênh

>1 Mbps ở 5 MHzcho mỗi kênh

Điều chế được sử

dụng

QPSK, 16QAM,4QAM

OFDM 256 củasóng mangQPSK,16QAM,64QAM

ở các toà nhà cao

Khoảng 1 - 3 dặm

Bảng viên hướng dẫn: KS LÊ ĐÌNH CÔNGng 1.2: Các đặc tính của chuẩn IEEE802.16

1.5.2 Đặc trưng lớp MAC của IEEE802.16

1.5.2.1 Lớp con hội tụ dịch vụ đặc trưng

MAC CS bao gồm các chức năng thích ứng đặc trưng Hai đặc điểm có thểdùng được: ATM (kiểu truyền dẫn không đồng bộ) CS, để thích ứng lưu lượngATM, và gói CS, để thích ứng lưu lượng IP và Internet Các chức năng chính CS là:Phân loại SDU và ghép kênh (vào trong một kết nối dữ liệu đơn); và xoá hoặc tạo lạitiêu đề tải trọng

1.5.2.2 Lớp con phần chung (MAC CPS)

MAC CPS chịu trách nhiệm đối với một vài chức năng quan trọng có chung kĩthuật CS khách Phần này miêu tả các chức năng sau:

a) Quá trình kết nối

WiMAX là hướng kết nối Điều này có nghĩa là trước khi gửi thông tin người sửdụng, nó cần thiết lập một kết nối giữa một SS và một BS hoặc một SS và một SSkhác phụ thuộc vào cấu hình sử dụng Đa hướng được hỗ trợ Mỗi kết nối có mộtnhận dạng kết nối 16 bit (CID) Có bốn loại kết nối khác nhau: cơ bản, sơ cấp, thứ cấp

và dữ liệu Kết nối dữ liệu thường được sử dụng để truyền thông tin người sử dụngtrên một đường không trực tiếp, trong khi đó ba loại còn lại được sử dụng để truyềnthông tin điều khiển

Có năm loại tiêu đề con: đoạn, gói, quản lí trợ cấp, lưới và cấp phát hồi tiếp nhanh Tiêu đề con đoạn được sử dụng để điều khiển đoạn MAC SDU thành hai hoặc nhiều MAC PDU, trong khi đó tiêu đề con gói được sử dụng để tập hợp một hoặc nhiều MAC SDU thành một MAC PDU Tiêu đề con quản lí trợ cấp cho phép các yêu cầu băng thông không cần gửi một PDU dành riêng Yêu cầu được mang cùng với một MAC PDU chung Khi cấu hình MAC được sử dụng, tiêu đề con lưới chứa một ID node, được sử dụng chỉ địa chỉ của node trong hàng xóm của chúng IEEE 802.16TM-2004 mô tả 41 bản tin quản lí được phát trong các tải trọng MAC PDU qua các kết nối quản lí Các MAC PDU được sắp xếp trong các khung lớp vật lí

c) Phân kênh

Không chỉ TDD (phân kênh phân chia theo thời gian) mà cả FDD (phân kênh phân

chia theo tần số) cũng được hỗ trợ Trong FDD cả các cạnh cũng phát ngay lập tứctrên các tần số khác nhau, trong khi đó trong TDD chỉ một tần số được sử dụng và

nó được chia sẻ dựa vào thời gian Khung TDD có hai phần: khung con đường lên

và khung con đường xuống Mỗi khung con được phân chia thành các khe vật lí(PL) đối với các giao diện không gian sóngm mang đơn, và thành các burst đối vớicác giao diện không gian OFDM Các MAC PDU được chèn trong các PL hoặc cácburst theo các giao diện không gian được triển khai Trên FDD, mô hình song công

và bán song công được cho phép

d) Sắp xếp

Sắp xếp được triển khai để cấp phát băng thông cho các kết nối Đối với giao diệnkhông gian sóng mang đơn, BS gửi trong khung con đường lên một sắp xếp đườngxuống (DL-MAP) và một sắp xếp đường lên (UL-MAP) DL-MAP chứa các khethời gian một SS có thể sử dụng để trên đường xuống UL-MAP chứa các khe thờigian một SS phải nghe trong đường lên Khung con đường lên bắt đầu với các MAPnày, được gửi qua giao diện không gian tới tất cả các SS Vì vậy, ULMAP và DL-MAP định nghĩa băng thông được cấp phát cho các kết nối (qua số các khe thời gian

có thể), các khe thời gian mỗi trạm phải phát và nhận, và mô tả burst được sử dụng.Đối với giao diện không gian OFDM, các kí hiệu OFDM và các kênh con được sửdụng IEEE 802.16TM-2004 mô tả xử lý sắp xếp cho mỗi giao diện không gian.Chúng khá khác nhau

e) Lập lịch, yêu cầu băng thông và trợ cấp

Lập lịch được triển khai để định nghĩa quyền ưu tiên truyền dẫn các MAC SDUqua các kết nối MAC tồn tại Với mỗi kết nối nó được kết hợp với một loại lập lịchđược xác định trước Mỗi loại có các thông số xác định các yêu cầu chất lượng dịch

vụ (QoS) Có bốn loại được định nghĩa: dịch vụ trợ cấp tự nguyện (UGS), dịch vụkiểm soát thời gian thực (rtPS), dịch vụ kiểm soát thời gian không thực (nrtPS) và

nỗ lực tốt nhất (BE) UGS được định nghĩa cho lưu lượng tốc độ bít không đổi thờigian thực, giống như trạng thái mạch rtPS được định nghĩa cho lưu lượng tốc độ bítthay đổi thời gian thực giống như lưu lượng video nrtPS liên quan tới lưu lượng tốc độbít thay đổi thời gian không thực trễ dung sai, giống phân phối video Đối với lưulượng dữ liệu tốc độ bit thay đổi, nó được định nghĩa một loại nỗ lực tốt nhất (BE)

Đối với các kết nối UGS, BS trợ cấp một cách định kỳ một lượng băng thông cốđịnh, được đàm phán khi thiết lập kết nối Các loại khác phải yêu cầu định kỳ băngthông, được cấp phát động trong khoảng truyền dẫn Băng thông có thể được yêu cầubởi một yêu cầu một mình (MAC PDU yêu cầu BW) hoặc một yêu cầu mang (tiêu

đề con MAC PDU) Các yêu cầu có thể tăng lên hoặc kết hợp lại Các yêu cầu kếthợp thay thế các kết nối ưu tiên được yêu cầu băng thông, trong khi đó các yêu cầutăng lên cải thiện dòng băng thông bởi lượng yêu cầu Các SS phải yêu cầu băngthông theo chu kì đối với các kết nối BE, rtPS, nrtPS, vìvậy giảm sử dụng băngthông Chu kì cập nhật phụ thuộc loại lập lịch và chất lượng liên kết Thêm vào cácyêu cầu riêng lẻ, BS có thể cấp phát một yêu cầu khoảng thời gian, trong đó mộthoặc nhiều SS có thể gửi các bản tin yêu cầu băng thông Xử lý này được gọi là bầu

cử Bầu cử có thể được thực hiện theo hai cách: bầu cử đơn hướng và bầu cử dựavào đấu tranh Trong bầu cử đơn hướng, BS cấp phát băng thông nghe các yêu cầucủa một SS, trong khi đó trong bầu cử dựa vào đấu tranh, BS cấp phát băng thôngnghe yêu cầu của một nhóm đa hướng các SS hoặc tất cả các SS SS có nhiều cách đểyêu cầu băng thông, kết hợp bầu cử đơn hướng với trả lời của các yêu cầu dựa vàođấu tranh và hiệu quả của băng thông tự nguyện

Băng thông có thể được trợ cấp trên kết nối (GPC) hoặc trên SS (GPSS).Trong cả hai trường hợp, các yêu cầu băng thông được thông tin trên kết nối, để màcải thiện cấp phát băng thông BS Tuy nhiên, trong GPC băng thông được trợ cấpcho các kết nối đặc biệt, trong khi đó trong GPSS nó được trợ cấp cho SS, cái màquyết định phân phối nó

f) Sự giải quyết xung đột

Mặc dù BS điều khiển cấp phát băng thông trong đường xuống, nó có thể xuấthiện xung đột trong khoảng thiết lập và khoảng thời gian yêu cầu băng thông Thuậttoán mũ nhị phân rút ngắn được triển khai để giảiquyết các trạng thái xung đột

g) ARQ

ARQ là xử lý phát lại các MAC PDU đã bị mất hoặc sai lạc Theo IEEE802.16TM-2004, cơ cấu ARQ là cơ cấu ARQ dựa vào bít chỉ dẫn dựa vào số thứ tựđoạn của các tiêu đề con đoạn hoặc gói Cơ cấu có thể làm việc hoặc như một xácnhận tích luỹ, lựa chọn hoặc như một cơ cấu ARQ kết hợp ARQ hỗ trợ tuỳ chọn và

có thể được lựa chọn cho mỗi kết nối Lựa chọn được thực hiện trong khoảng thiếtlập kết nối ARQ không có thể được sử dụng cùng với giao diện không gian sóngmang đơn Khi ARQ được cho phép, các MAC PDU có thể được phân trong cáckhối ARQ Xác nhận ARQ được gửi hoặc trong bản tin MAC riêng lẻ qua một kếtnối quản lí cơ bản hoặc được mang trên một MAC PDU qua một kết nối dữ liệu tồntại.

h) Mô tả burst thích ứng

Để thích ứng các thay đổi trong điều kiện liên kết vô tuyến, IEEE 802.16TM-2004

đã triển khai một cơ cấu tiến bộ để mã hoá, điều chế, sắp xếp và công suất truyềndẫn động Mô tả burst thích ứng được sử dụng để thay đổi các đặc tính truyền dẫndựa vào trạng thái liên kết Mục tiêu là cân bằng giữa sức mạnh và hiệu quả Cơ cấukhác giữa đường lên và đường xuống Bản tin được sử dụng để thông tin trao đổigiữa các thiết bị BS không chỉ điều khiển SS mô tả burst đường xuống sử dụngUL-MAP mà còn tính toán mô tả burst đường lên theo chất lượng của tín hiệu thuđược từ mỗi SS Tuy nhiên các SS có thể yêu cầu thay đổi trong mô tả burst đườnglên nếu điều kiện môi trường quá xấu

1.5.3 Kỹ thuật OFDM

1.5.3.1 Kỹ thuật OFDM nói chung

1.5.3.1.1 Sự ảnh hưởng của môi trường đến việc truyền dẫn

Thứ nhất ta phải khẳng định rằng môi trường truyền thông vô tuyến là mộtmôi trường khắc nghiệt nhất trong truyền dẫn thông tin Nó gây suy hao tín hiệu về biên

độ cũng như suy hao lựa chọn tần số kèm theo các hiệu ứng fading đa đường

Sự suy hao tín hiệu tăng nhanh theo khoảng cách và ở tần số cao, ngoài ra sựsuy hao cũng phụ thuộc vào địa hình (khu vực nông thôn, thành thị, đồng bằng haymiền núi) Hình vẽ dưới đây minh hoạ sự suy giảm tín hiệu theo khoảng cách và trêncác loại địa hình với các điều kiện truyền dẫn khác nhau của hai hệ thống ISM tần số2,4 GHz và UNII tần số 5,4 GHz

Hình 1.6: Suy giảm tín hiệu theo khoảng cách

Ngoài ra trong môi trường truyền dẫn đa đường, nhiễu xuyên ký tự (ISI) gây bởitín hiệu phản xạ có thời gian trễ khác nhau từ các hướng khác nhau từ nơi phát tới nơithu là điều không thể tránh khỏi Ảnh hưởng này có thể làm biến dạng tín hiệu khiếnbên thu không thể khôi phục được tín hiệu

1.5.3.1.2 Công nghệ OFDM với khả năng hạn chế nhiễu

WIMAX sử dụng công nghệ OFDM để truyền dữ liệu ở giao diện vô tuyến vàcho phép các thuê bao truy nhập kênh Cũng có nhiều công nghệ khác ở giao diệnnày như FDM, CDMA Tuy nhiên OFDM đã chứng tỏ nó có những ưu điểm hơn rấtnhiều về tốc độ truyền, tỷ lệ lỗi bit, cũng như hiệu quả sử dụng phổ tần nên đã đượcIEEE chọn làm công nghệ truyền dẫn cho truyền dẫn vô tuyến băng rộng trong chuẩnIEEE.802.16

Các kĩ thuật sử dụng trải phổ trực tiếp DS-CDMA như trong chuẩn 802.11b rất

dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu đa đường vì thời gian trễ có thể vượt qua khoảng thờigian của một kí tự OFDM sử dụng kĩ thuật truyền song song nhiều băng tần con nênkéo dài thời gian truyền kí tự lên nhiều lần Ngoài ra OFDM còn chèn thêm mộtkhoảng bảo vệ GI (Gaurd Interval) thường lớn hơn thời gian trễ tối đa của kênhtruyền giữa 2 kí tự nên nhiễu ISI có thể được loại bỏ hoàn toàn

Trên kênh truyền dẫn thì nhiễu lựa chọn tần số cũng là một vấn đề ảnhhưởng lớn đến chất lượng truyền thông tín hiệu Tuy vậy OFDM cũng rất mềm dẻo vàlinh hoạt khi giải quyết vấn đề này OFDM có thể khôi phục lại kênh truyền thôngqua tín hiệu dẫn đường (Pilot) được truyền đi cùng với dòng tín hiệu thông tin Ngoài

ra với các kênh con suy giảm nghiêm trọng về tần số thì OFDM còn có một lựa chọn

tần số đó

Hình 1.7: So sánh sóng mang của OFDM với các hình thức truyền thống

Hình trên so sánh giữa hai hình thức điều chế Đối với các hình thức truyềnthống, một sóng mang đơn với băng thông rộng sẽ được truyền đi, trong khi vớiOFDM băng thông rộng này được chia thành các băng con, mỗi băng con sẽ ứng vớimột sóng mang con, các sóng mang con trực giao nhau Việc chia băng con này sẽlàm tốc độ trên mỗi băng con này giảm đi N lần, tuy nhiên, chu kì của một sóng mangcũng sẽ dài hơn N lần Điều này giúp cho việc đồng bộ dễ dàng hơn, tránh nhiễu đađường cũng tốt hơn Việc chia thông tin cũng giúp cho việc chống nhiễu tốt hơn, vìnếu bị nhiễu, cũng chỉ bị nhiễu trên các cụm đơn lẻ, nên có thể khắc phục dễ dànghơn

Mỗi sóng mang được gán luồng dữ liệu để truyền đi Biên độ và pha củasóng mang được tính toán dựa trên phương thức điều chế (thường là QPSK, BPSK,QAM) Sau đó dùng biến đổi IFFT (Inverse Fast Fourier Tranform) để biến từmiền tần số về miền thời gian IFFT là một phương pháp biến đổi hiệu quả và đảmbảo cho các sóng mang con trực giao Tại bộ nhận, người ta dùng biến đổiFFT(Fast Fourier Tranform) để biến đổi ngược lại từ miền thời gian sang miền tần số

Một vấn đề quan trọng trong truyền dẫn là sự đòi hỏi khắt khe về sự đồng bộ vì

f

Tín hiệu sóng mang với

f

sự sai lệch về tần số, ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler khi di chuyển và lệch pha sẽ gây

ra nhiễu giao thoa tần số ICI (Intercarrier Interfrence) mà hậu quả là phá bỏ sự trựcgiao giữa các tần số sóng mang và làm tăng ảnh hưởng tới hệ thống cũng như BER.Tuy nhiên OFDM cũng có thể giảm bớt sự phức tạp của vấn đề đồng bộ thông quakhoảng bảo vệ GI Việc sử dụng chuỗi GI cho phép OFDM có thể điều chỉnh tần sốthích hợp mặc dù việc thêm GI cũng đồng nghĩa với việc giảm hiệu quả sử dụngbăng tần

Bộ IFFT biến đổi từ miền tần số sang miền thời gian

Time Waydom

Carrier Phase

Transmitter

Modunlator Amplifier

Frame sync Insertion

Guard Periot Insertion

Carrier Modulator

Carrier Demod FFT Guard Priod

RX data

Carrier Phase

Frenquency Connection

Receiver

Bộ Guard Period Insertion thêm khoảng bảo vệ vào sau mỗi sóng mang

Tại bộ nhận, trình tự làm theo chiều ngược lại Khoảng bảo vệ sẽ được loại bỏ,sau đó dùng biến đổi FFT biến từ miền thời gian sang miền tần số Sau đó dùng bộ giảiđiều chế để ánh xạ các sóng mang thành luồng dữ liệu tương ứng

OFDM là một công nghệ chia nhỏ băng tần thành các băng nhỏ hơn TrongWIMAX theo chuẩn 802.16d, đã áp dụng công nghệ này Vì vậy WIMAX fixed có thểhoạt động được trong môi trường NLOS(Non Light of Sight) Trong WIMAX fixedđược chia thành 256 sóng mang con, 198 là dành cho dữ liệu, còn lại dành chokhoảng bảo vệ

1.5.3.2 Kĩ thuật OFDMA cho mạng WIMAX

Trong Wi-Fi thì tất cả các trạm đều truy nhập một cách ngẫu nhiên đến điểmtruy cập AP, vì vậy mà khoảng cách khác nhau từ mỗi nút đến AP sẽ làm giảmthông lượng của mạng Nhưng ở lớp MAC của 802.16 thì quá trình truy nhập của mỗithuê bao là được định trước vì vậy các trạm chỉ có duy nhất một lần cạnh tranh kênhtruyền dẫn là thời điểm ra nhập mạng Sau mỗi thời điểm đó thì mỗi trạm đượctrạm gốc gắn cho một khe thời gian, khe thời gian đó có thể mở rộng hay co hẹp lạitrong quá trình truyền dẫn

1.5.3.2.2 Những đặc tính vượt trội

Ưu điểm của việc đặt sẵn lịch trình này là việc truyền dẫn vẫn hoạt động một cách

ổn định trong trường hợp quá tải và số lượng thuê bao đăng ký vượt quá cho phép làmtăng khả năng sử dụng băng tần Ngoài ra nó còn cho phép trạm gốc có thể điều

khiển chất lượng dịch vụ (Q0S) bằng việc cân bằng nhu cầu truyền thông giữa cácthuê bao

Các quá trình đó được thực hiện bởi việc mã hóa và điều chế thích nghi AMC(Adaptation Modulation and Coding) để tối ưu hóa băng thông tuỳ thuộc vào điều kiệncủa kênh truyền Với kênh truyền tốt có thể điều chế dạng 64-QAM Với kênh truyềnchất lượng thấp hơn thì dùng điều chế QPSK

Kĩ thuật AMC là một trong những ưu điểm lớn của OFDM vì nó cho phép tối ưuhóa mức điều chế trên mỗi kênh con dựa trên chất lượng của tín hiệu (SNR) và chấtlượng của kênh truyền dẫn Với OFDMA nó cho phép việc phân chia tài nguyên chocác thuê bao thông qua việc truy nhập vào các sóng mang phụ khác nhau

1.5.4 Mã hóa, tránh và sửa lỗi

1.5.4.1 FEC (Forward Error Correction)

Đây là phương pháp dựa trên việc cho từng chuỗi móc nối với nhau trong mộtkhuôn của mã phía ngoài và mã bên trong TCM với một tỷ lệ tương thích Việcchèn giữa các mã trong và ngoài là tuỳ ý

Phương pháp này được thực hiện ở lớp vật lí thực chất là việc chèn thêm các bytetheo một tỷ lệ nào đó trong quá trình mã hóa dữ liệu để khi có lỗi xảy ra trên đườngtruyền thì nó tự động có thể sửa lỗi được Tức là FEC sẽ làm cho khả năng thu đượcđúng là nhiều nhất

Hình 1.9: Sơ đồ mô tả quá trình mã hóa

Phân tích sơ đồ khối

Outer RS code N: số bytes sau khi mã hóa=255

K: số ytes trước khi mã hóa =239

Outer RS

Code

(N,K,T)

Các byte chèn (Blog)

Bộ mã hoá trong TCM K=7;1/2

Khi P>= B quá trình chèn sẽ diễn ra trong mỗi khối phụ, chiều sâu của mỗi khối phụ

là giống nhau (số hàng NR) Khi đó quá trình tính toán như sau:

Tổng số các từ mã RS trong một gói là: T= {P/C]

Số các khối phụ S=[ P/B]

Độ sâu lớn nhất của các khối phụ Cmax=[T/S]

Số khối với chiều sâu Cmin = Cmax - 1 là: QCmin=S - QCmax QCmin đầu tiên của khối sẽ dùng chèn Cmax và phần còn lại sẽ dùng cho

một bộ chèn sau Cmin= Cmax - 1

Bộ mã hóa trong (Inner code): Mỗi khối RS được mã hóa bởi mã nhị phân xoắn có

Tỷ lệ 1/2 , độ dài giới hạn là 7

Ví dụ quá trình mã hóa với tỷ lệ 1/2

Có thể áp dụng phương pháp sửa lỗi này cho các phương pháp điều chế sau:

1.5.4.2 Phương pháp kiểm tra sai dùng ARQ

Phương pháp này dùng để kiểm tra, tìm và sửa sai trong Frame được truyền đi.Phương pháp này gồm 3 cách thức sau:

đó và truyền lại tín hiệu NAK do đó nguồn truyền lại Frame bị hư Mặt khác nếuFrame nguồn bị mất do nhiễu thì bộ phận thu không cho trả lời, nguồn phải chờ mộtthời gian Sau mỗi Frame được truyền thì nguồn chờ ACK hoặc NAK, nếu không

nhận được ACK trong thời gian đó thì nguồn truyền lại Frame đó (nguồn luôn giữ mộtbản copy của Frame được truyền cho đến khi nó nhận được ACK)

Nếu một khung được truyền đúng mà trong khi truyền ACK bị mất thì cũng saumột khoảng thời gian dừng chờ không có ACK thì nguồn phát lại khung đó Khi đóthì đầu thu sẽ nhận được 2 Frame giống nhau, nên để tránh điều đó thì các Frame đềuđược đánh giá trị số thứ tự 0 hoặc 1 và của ACK cũng vậy Phương pháp nàytương đối đơn giản, nguyên lý của nó được biểu diễn trong hình dưới đây

Hình 1.10: Dừng và chờ ARQ

Trở lại N- ARQ

Với kĩ thuật này một trạm có thể gửi đi một loạt các khung với các khung cửa

sổ trượt sử dụng cho kĩ thuật kiểm tra dòng khi mà không có sai thì bộ phận nhận sẽdùng ACK

Giả thiết là trạm A gửi một Frame sang B Sau mỗi lần truyền một Frame A sẽthiết lập tín hiệu ACK Nhìn chung trong kĩ thuật này có thể xảy ra những trườnghợp sau:

Mất Frame

+ A truyền Frame thứ i đến B

+ B phát hiện ở Frame đó có sai

+ B gửi NAKi chỉ rằng Frame i phải truyền lại

+ Khi A nhận được NAK i thì tất cả các khung đã truyền đều phải truyền lại + Frame i bị mất trong khi truyền, Frame (i+1) vẫn được gửi đi và B nhận Frame (i+1) thấy không đúng thứ tự nó sẽ gửi NAK về A

+ Frame i bị mất trong khi truyền nhưng sau đó A không truyền Frame (i+1) Bkhông nhận được gì và trả lại ACK hay NAK A sẽ dừng và sau một thờigian quy định nó sẽ truyền lại

Mất ACK

+ B nhận được Frame i và truyền ACK i+1 và nó bị mất trong khi truyền, khi

đó A chờ trong một khoảng thời gian không thấy nó sẽ gửi lại

+ Khung bị sai ví dụ frame 2 bị sai thì B sẽ gửi NAK2 đến A dù Frame 3,4,5

đã gửi đi nhưng A sẽ phải truyền lại từ Frame2, các Frame đã nhận bị huỷ

bỏ Có thể tóm tắt quá trình đó qua sơ đồ sau:

Hình 1.11: Sơ đồ trở lại N-ARQ

Truyền lại có lựa chọn ARQ

Khi phát hiện sai trên đường truyền hoặc Frame bị sai thì nguồn chỉ cần truyền lạiFrame sai đó Phương pháp này có nhiều ưu điểm hơn so với trở lại N-ARQ vì nó tiết kiệm được thời gian và không phải truyền lại tất cả các Frame sai

nữa Ta cũng có thể tóm tắt quá trình theo sơ đồ:

Hình 1.12: Sơ đồ mô tả quá trình truyền lại có lựa chọn

1.6 Wimax trong mối quan hệ với các công nghệ không dây đặc điểm tương

tự wimax

1.6.1 Wimax và WLAN

Không giống như WLAN, WIMAX cung cấp lớp điều khiển truy nhập môitrường (MAC) sử dụng kĩ thuật yêu cầu - cấp phát là căn cứ để trao đổi dữ liệu.Đặc điểm này cho phép khai thác các tài nguyên vô tuyến tốt hơn, cụ thể với cácanten thông minh, và quản lý độc lập lưu lượng của mỗi người dùng

Đặc điểm này làm đơn giản việc hỗ trợ các ứng dụng thoại và thời gian thực Một trong những hạn chế để triển khai rộng rãi WLAN là đặc điểm kém anninh của các phát hành đầu tiên WIMAX đề xuất đủ các đặc điểm an ninh để đảm bảotrao đổi dữ liệu an toàn:

• Nhận thực đầu cuối bằng cách trao đổi các chứng nhận để ngăn ngừa cácthiết bị giả danh

• Nhận thực người dùng bằng cách sử dụng giao thức nhận thực có thể mở

rộng (EAP)

• Mã hóa dữ liệu bằng cách sử dụng chuẩn mã hóa dữ liệu (DES) hoặc chuẩn

mã hóa tiên tiến (AES), cả hai chuẩn này đều mạnh hơn nhiều sự riêng biệt đươnglượng vô tuyến được sử dụng lúc đầu bởi WLAN Hơn nữa, mỗi dịch vụ được mã hóa

có sự kết hợp an ninh riêng của nó và các khóa riêng

1.6.2 Wimax và Wifi

WIMAX có cùng một nguyên lý hoạt động với WiFi - nó gửi dữ liệu từ một máytính tới một máy tính khác qua các tín hiệu vô tuyến Một máy tính (máy tính để bànhoặc máy tính xách tay) được trang bị WIMAX sẽ gửi dữ liệu từ trạm phát WIMAX,hầu như sử dụng các khóa dữ liệu được mã hóa để ngăn chặn những người dùngkhông được nhận thực truy cập trộm

Kết nối WiFi nhanh nhất có thể truyền lên tới 54 megabit trên giây trong cácđiềukiện tối ưu WIMAX có thể truyền lên tới 70 megabit trên giây Thậm chí khi mà

70 megabit bị tách ra giữa vài chục công ty và hàng trăm gia đình người dùng, ít nhất

nó sẽ cung cấp tốc độ tương đương với tốc độ truyền của modem cáp cho mỗi ngườidùng

Sự khác nhau lớn nhất không phải là tốc độ mà là khoảng cách WIMAX vượt xaWiFi khoảng vài dặm Cự ly của WiFi là khoảng 100 fit (30m) WIMAX che phủtrong bán kính 30 dặm (50km) với truy cập vô tuyến Cự ly tăng là do các tần sốđược sử dụng và công suất của máy phát Tất nhiên, tại khoảng cách đó, địa hình,thời tiết và các toà nhà lớn sẽ tác động làm giảm cự ly lớn nhất trong một số tìnhhuống, nhưng nó vẫn có khả năng phủ các vùng đất rộng lớn

WIMAX không được thiết kế để mâu thuẫn với WiFi, mà để cùng tồn tại vớiWiFi Vùng phủ của WIMAX được đo theo km2, trong khi vùng phủ của WiFi được đo theo m2 Chuẩn WIMAX gốc (IEEE 802.16) đề xuất việc sử dụng phổ tần 10-

66 GHz cho truyền dẫn WIMAX, mà cao hơn nhiều cự ly WiFi (lên tới tối đa 5 GHz).Nhưng 802.16a đã hỗ trợ thêm cho tần số 2-11 GHz Một trạm gốc WIMAX có thểđược truy cập bởi hơn 60 người sử dụng WIMAX cũng có thể cung cấp các dịch vụ

quảng bá

Các đặc điểm kĩ thuật WIMAX cũng cung cấp các điều kiện thuận lợi tốt hơnnhiều so với WiFi, cung cấp độ rộng băng tần cao hơn và an ninh dữ liệu cao bằngcách sử dụng các kế hoạch mã hóa tăng cường WIMAX cũng có thể cung cấp dịch vụtheo cả hai địa điểm LOS và NLOS, nhưng cự ly sẽ thay đổi cho phù hợp.WIMAX cho phép thâm nhập vào dịch vụ băng rộng VoIP, video, và truy cậpinternet đồng thời Các anten WIMAX có thể “chia sẻ” một tháp cell mà không cần dànxếp chức năng của các mạng tổ ong đã thích hợp

Chương 2: Wimax di dộng 2.1 Giới thiệu chung, sự ra đời và phát triển

2.1.1 Giới thiệu chung

Trên đây là WIMAX nói chung, ở chương này ta sẽ đi sâu hơn vào côngnghệ WIMAX di động công nghệ WIMAX không chỉ sử dụng cho hệ thống cố định

mà người ta còn rất chú trọng đến công nghệ di động do đây là một thế mạnh chotương lai của công nghệ này Sau đây là một số đặc tính riêng của WIMAX di động:

Quản lý nguồn và chuyển vùng là 2 trong số các tính năng đã được bổ sung đối với

các ứng dụng di động WiMAX di động hỗ trợ chế độ ngủ (Sleep) và chế độ rỗi (Idle)cho phép sử dụng hiệu quả nguồn của thiết bị đầu cuối di động Nó cũng hỗ trợchuyển vùng thông suốt cho phép thiết bị đầu cuối di động chuyển từ một trạm gốcnày sang trạm gốc khác mà không bị ngắt kết nối

vô tuyến của trạm gốc cung cấp dịch vụ Chế độ ngủ cung cung cấp sự linh hoạt chothiết bị di động MS để quét các trạm gốc khác nhằm thu thập thông tin trợ giúpchuyển vùng trong suốt

Chế độ rỗi cung cấp một cơ cấu cho thiết bị di động MS trở thành khả dụngtheo chu kỳ đối với việc nhắn tin lưu lượng quảng bá tuyến xuống DL không cầnđăng ký ở một trạm gốc xác định khi thiết bị di động di chuyển qua một môitrường vô tuyến giao bởi nhiều trạm gốc Chế độ rỗi tạo thuận lợi cho thiết bị diđộng nhờ việc loại bỏ yêu cầu chuyển vùng và các hoạt động thông thường khác và tạothuận lợi cho mạng và trạm gốc nhờ việc bỏ qua giao tiếp vô tuyến và lưu lượngchuyển vùng mạng khỏi các thiết bị di động không kích hoạt trong khi vẫn cung cấpphương thức đơn giản theo chu kỳ thời gian (nhắn tin) để cảnh báo cho thiết bị diđộng sắp có lưu lượng tuyến xuống DL

b Chuyển vùng:

Có 3 phương thức chuyển vùng hỗ trợ trong chuẩn 802.16e: Chuyển vùng cứng(HHO), chuyển đổi trạm gốc nhanh (FBSS) và chuyển giao đa dạng riêng (MDHO) Trong những phương thức này HHO là bắt buộc trong khi FBSS và MDHO là hai phương thức lựa chọn Diễn đàn WiMAX đã phát triển một vài kỹ thuật để tối ưu chuyển vùng cứng trong khuôn khổ của tiêu chuẩn 802.16e Những

cải tiến này đã được phát triển với mục đích giữa cho trễ chuyển vùng ở lớp 2 nhỏ hơn 50ms

Khi FBSS được hỗ trợ, thiết bị di động MS và trạm gốc BS duy trì một danhsách các BS mà liên quan trong FBSS với thiết bị di động Tổ hợp này được gọi là tổhợp tích cực Trong FBSS, thiết bị di động giám sát liên tục các trạm gốc trong tổhợp tích cực Trong số các trạm gốc BS ở trong tổ hợp tích cực, một BS chủ chốtđược xác định Khi hoạt động trong FBSS, thiết bị di động MS chỉ thông tin với trạmgốc chủ chốt bằng các bản tin tuyến lên và tuyến xuống bao gồm quản lý và các kếtnối lưu lượng Việc chuyển đổi từ một trạm gốc chủ này sang một trạm khác (tức làchuyển vùng BS) được thực hiện không cần chỉ dẫn rõ ràng các bản tin báo hiệu

HO Trạm BS chủ cập nhật các thủ tục được thiết lập bằng cường độ tín hiệu thôngtin của trạm gốc cung cấp dịch vụ qua kênh CQI Một chuyển vùng FBSS bắt đầu vớimột quyết định bởi một thiết bị di động thu hoặc phát dữ liệu từ trạm gốc chủ mà cóthể thay đổi trong tổ hợp tích cực Thiết bị di động quét các trạm gốc BS bên cạnh vàlựa chọn những trạm mà phù hợp để kết hợp vào trong tổ hợp tích cực Thiết bị diđộng báo cáo cho các trạm gốc được lựa chọn và tổ hợp tích cực cập nhật thủ tụcđược thực hiện nhờ trạm gốc và thiết bị di động Thiết bị di động giám sát liên tụccường độ tín hiệu của các trạm gốc BS ở trong tổ hợp tích cực và lựa chọn một trạmgốc BS từ tổ hợp này trở thành trạm gốc chủ Thiết bị di động MS báo cáo cho trạmgốc chủ được chọn trên CQICH hoặc thiết bị di động khởi tạo bản tin yêu cầuchuyển vùng HHO Một yêu cầu quan trọng của FBSS đó là dữ liệu được phát tương

hỗ tới tất cả các thành viên của tổ hợp các trạm gốc tích cực có thể phục vụ thiết bị diđộng

Đối với các thiết bị di động MS và các trạm gốc BS mà hỗ trợ MDHO, thiết bị

di động MS và trạm gốc BS duy trì một tổ hợp tích cực các trạm gốc BS liên quantrong MDHO với thiết bị di động Trong số các trạm gốc BS ở trong tổ hợp tíchcực, một trạm gốc BS chủ được xác định Chế độ hoạt động chuẩn ám chỉ trườnghợp MDHO tiêu biểu với tổ hợp tích cực gồm một trạm gốc đơn Khi hoạt độngtrong MDHO, thiết bị di động thông tin với tất cả các BS bằng tổ hợp các bản tinunicast tuyến lên hoặc tuyến xuống và lưu lượng từ nhiều các BS trong cùng mộtđơn vị thời gian Đối với MDHO tuyến xuống, 2 hay nhiều hơn các trạm gốc BS

cung cấp truyền dẫn dữ liệu tuyến xuống của MS đồng bộ như là sự kết hợp đa dạngđược thực hiện ở thiết bị di động MS Đối với MDHO tuyến lên, truyền dẫn từ thiết

bị di động MS được thu bởi nhiều trạm gốc BS mà ở đó việc lựa chọn đa dạngthông tin thu được thực hiện

2.1.2 Tiềm năng

Với những lợi thế của mình WiMAX di động có những tiềm năng rất lớncho đáp ứng nhu cầu dịch vụ thị trường hiện tại Với xu thế hiện nay, khi nhu cầubăng rộng ngày càng cao của người sử dụng, WiMAX có những ưu điểm đủ để đápứng nhu cầu về mặt kỹ thuật cũng như về mặt kinh tế:

- Về mặt kỹ thuật: WiMAX cung cấp một khả năng kết nối tầm xa tới 70 kmnhưng theo các khuyến nghị thì chỉ nên sử dụng cho tới khoảng cách 50km, về mặt tốc

độ cho truyền với tốc độ cực cao là 70Mb/s, sử dụng đa truy nhập qua anten thôngminh…

- Về mặt kinh tế: Theo dự báo của các nhà lắp đặt thử nghiệm thì công nghệmới này ra đời thì giá thành cho thuê bao sẽ không đắt hơn giá thành ADSL hiện naynhiều do tính cạnh tranh thị trường yêu cầu thì để tồn tại WiMAX không thể đi vào thịtrường với giá thành quá cao được Thêm vào đó thiết bị WiMAX dành cho các nhàcung cấp dịch vụ cũng đang được các nhà cung cấp thiết bị sản xuất để ý và quantâm nhiều do đó đã giảm giá thành rất nhiều

song có tốc độ dữ liệu giảm (vì vậy tăng khoảng kí hiệu) và mỗi luồng con đượcđiều chế, được phát trên một sóng mang con trực giao riêng Khoảng thời gian kí

hiệu tăng cải thiện độ mạnh của OFDM cho trải trễ Hơn nữa, tiền tố vòng (CP) có thểloại trừ hoàn toàn nhiễu kí hiệu (ISI) chỉ cần khoảng thời gian CP dài hơn trải trễkênh CP thường là sự lặp lại các mẫu trước đó của phần dữ liệu của khối được gắnvào điểm bắt đầu tải trọng dữ liệu như trong hình 2.14 CP ngăn chặn nhiễu khối,tạo vòng xuất hiện kênh và cho phép cân bằng miền tần số ít phức tạp Mặt hạn chếcủa CP là nó đưa ra mào đầu (overhead) làm giảm hiệu quả băng thông Khi mà CPlàm giảm một phần băng thông, thì ảnh hưởng của CP giống với “hệ số roll-off” trong

hệ thống đơn sóng mang sử dụng bộ lọc cosin tăng Vì OFDM có nhiều đoạn cong, hầuhết phổ “brick-wall”, một phân số lớn băng thông kênh được cấp phát có thể được sửdụng cho truyền dẫn dữ liệu, điều này có thể giúp làm giảm tổn thất hiệu quả vì tiền

tố vòng

a0(t) ejw0t e-jw0t a0(t) g(t) g*(-t)

a1(t) ejw1t e-jw1t g*(-t) a1(t) g(t) h(t)

e-jw(N-1)t

aN-1(t) ejw(N-1)t g*(-t) aN-1(t)

g(t)

Hình 2.13: Kiến trúc cơ bảng viên hướng dẫn: KS LÊ ĐÌNH CÔNGn của một hện: thống OFDM

OFDM khai thác phân tập tần số của kênh đa đường bởi mã hóa và đan xen thôngtin qua sóng mang con trước khi truyền dẫn Điều chế OFDM có thể được thực hiệnhiệu quả với biến đổi Fourrier ngược nhanh (IFFT), mà cho phép một số lượng lớnsóng mang con (lên tới 2048) với độ phức tạp thấp Trong một hệ thống OFDM, tàinguyên khả dụng trong miền thời gian là các kí hiệu OFDM và trong miền tần số làcác sóng mang con Các tài nguyên thời gian và tần số có thể được sắp xếp thànhcác kênh con để cấp phát cho từng người sử dụng Đa truy nhập ghép kênh phânchia theo tần số trực giao (OFDMA) là một kế hoạch ghép kênh/đa truy nhập để cungcấp hoạt động ghép kênh của luồng dữ liệu từ nhiều người sử dụng trên các kênh con

đường xuống và đa truy nhập đường lên bởi các kênh con đường lên.

Ts

Tb Tg Tb

Hình 2.14: Chèn tiền tố vòng (CP)

2.2.1.2 Cấu trúc lớp ký hiệu OFDMA và phân kênh con

Cấu trúc kí hiệu OFDMA gồm có 3 loại sóng mang con như trong hình 2.15:

• Sóng mang con dữ liệu để truyền dẫn dữ liệu

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

• Sóng mang con vô giá trị không dùng cho truyền dẫn, mà sử dụng chocác dải bảo vệ và các sóng mang DC

Các sóng mang con tích cực (dữ liệu và hoa tiêu) được nhóm thành các tập congọi là các kênh con Lớp vật lí OFDMA WIMAX hỗ trợ kênh con trong cả DL và UL.Đơn vị tài nguyên thời gian - tần số nhỏ nhất của phân kênh con là một khe bằng 48tone dữ liệu (sóng mang con) Có hai loại hoán vị sóng mang con phân cho kênh con;phân tập và liền kề Hoán vị phân tập đưa các sóng mang con giả ngẫu nhiên vàodạng một kênh con Nó cung cấp phân tập tần số và trung bình hóa nhiễu giữa các tếbào Các hoán vị phân tập bao gồm DL FUSC (sóng mang con được sử dụng hoàntoàn), DL PUSC (sóng mang con được sử dụng một phần), UL PUSC và các hoán vịkhông bắt buộc

Với DL PUSC, mỗi cặp kí hiệu OFDM, các sóng mang con khả dụng hoặc thíchhợp được nhóm thành các cụm bao gồm 14 sóng mang con liền kề trên một chu kì kíhiệu, có cấp phát hoa tiêu và dữ liệu ở mỗi cụm trong các kí hiệu lẻ và chẵn đượcbiểu diễn như trong hình 2.15

Hình 2.15: Kênh con phân tập tần số DL

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

ra các kênh con trong nhóm Vì vậy, chỉ các vị trí hoa tiêu trong cụm được biểutrong hình Các sóng mang con dữ liệu trong cụm được phân bố cho nhiều kênh con.Tương tự với cấu trúc cụm DL, một cấu trúc tile được định nghĩa cho UL PUSC códạng như hình 2.16:

Hình 2.16: Cấu trúc tile cho UL PUSC

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

Hoán vị liền kề nhóm một khối các sóng mang con liền kề để hình thành mộtkênh con Hoán vị liền kề bao gồm DL AMC và UL AMC, và có cấu trúc tương tự Mộtbin gồm 9 sóng mang con liền kề trong một kí hiệu, với 8 gán cho dữ liệu và 1 gán cho

hoa tiêu Một khe trong AMC được định nghĩa như một tập hợp các bin của kiểu(NxM=6), trong đó N là số bin liền kề và M là số kí hiệu liền kề Vì vậy cho phépcác kết hợp là [(6 bin, 1 kí hiệu), (3 bin, 2 kí hiệu), (2 bin, 3 kí hiệu), (1 bin, 6 kíhiệu) ] Hoán vị AMC cho phép phân tập đa người sử dụng bởi lựa chọn kênh convới đáp ứng tần số tốt nhất

Nhìn chung, phân tập hoán vị sóng mang con thực hiện tốt trong các ứngdụng di động trong khi đó các hoán vị sóng mang con liền kề thì tốt trong các môitrường cố định hoặc tính di động thấp Các sự lựa chọn này cho phép thiết kế hệthống để cân bằng các yếu tố của tính di động cho thông lượng

2.2.1.3 OFDM theo tỷ lệ

Mô hình OFDMA MAN không dây (IEEE 802.16e-2005) dựa vào khái niệmOFDMA theo tỉ lệ (S-OFDMA) S-OFDMA hỗ trợ một dải rộng băng thông với địachỉ linh động cần cho cấp phát phổ khác nhau và các yêu cầu mô hình thôngthường Tính linh động được hỗ trợ bởi điều chỉnh cỡ FFT trong khi đó cố địnhkhông gian tần số sóng mang con tại 10.94 KHz Từ khi khối tài nguyên băngthông sóng mang con và khoảng kí hiệu là cố định, tác động tới các lớp cao là rấtnhỏ khi phân tỉ lệ băng thông Các thông số S-OFDMA được liệt kê trong bảng 2.1.Các băng thông hệ thống cho hai thiết kế ban đầu được phát triển bởi nhóm côngnghệ diễn đàn WIMAX trong phát hành 1 là 5 và 10 MHz

Khoảng tần số sóng mang con 10.94 KHz

Thời gian kí hiệu có ích(Tb=1/f) 91.4 ms