Nghiên cứu tiêu chuẩn 802.16e và ứng dụng triển khai trên mạng nội hạt

Nghiên cứu tiêu chuẩn 802.16e và ứng dụng triển khai trên mạng nội hạt

đã chứng tỏ mình là một giải pháp tích cực có thể giải quyết các vấn đề đa truy nhập vềmặt chi phí lắp đặt, khoảng cách phủ sóng, tốc độ đường truyền, đồng thời thu hút được

sự tham gia hợp tác của các tập đoàn điện tử lớn trong việc sản xuất thúc đẩy sự hoànthiện của công nghệ mới này

Đề tài khóa luận tốt nghiệp với tiêu đề: “Nghiên cứu tiêu chuẩn 802.16e và ứng dụng triển khai trên mạng nội hạt” được thực hiện nhằm mục đích tìm hiểu tổng quan

về công nghệ WiMAX di động đồng thời nghiên cứu tình hình triển khai của công nghệmới này trong điều kiện thực tế ở Việt Nam để trả lời các câu hỏi như: “Tại sao công nghệmới này lại hấp dẫn các nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến băng rộng cũng như các kháchhàng như vậy?” và “Quá trình triển khai trên thực tế được thực hiện như thế nào, kết quảthu được là gì?” Đồng thời, việc nghiên cứu tìm hiểu về WiMAX di động trong tình hìnhmạng viễn thông Việt Nam hiện nay là điều cần thiết không chỉ đối với thị trường nóichung cũng như các các nhà quản lý mà quan trọng hơn sẽ giúp trang bị cho sinh viênkhoa điện tử - viễn thông của trường Đại học Công Nghệ những nền tảng kiến thức thực

tế cơ bản về việc ứng dụng và phát triển công nghệ mới này

Trên cơ sở những thông tin có sẵn từ các tài liệu trong và ngoài nước, phần nội dungcủa bài viết được thực hiện thông qua đọc và phân tích đồng thời nêu lên quan điểm củabản thân về những vấn đề cần nghiên cứu Nội dung bài khóa luận bao gồm 2 phần chính:

 Chương 1: Tổng quan về chuẩn 802.16e và WiMAX di động

 Chương 2: Các đặc tính kỹ thuật của WiMAX di động

 Chương 3: Ứng dụng triển khai WiMAX di động trên mạng nội hạt tại Việt Nam

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

MỤC LỤC 2-4 DANH MỤC HÌNH VẼ 5-6 DANH MỤC BẢNG 7

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 8-11 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHUẨN 802.16e VÀ WiMAX DI ĐỘNG 12

1.1 Giới thiệu chung về WiMAX di động 12

1.2 Mô hình hệ thống 14

1.3 Kiến trúc mạng WiMAX di động 15

1.4 Kỹ thuật truyền thông số 16

1.4.1 Mô tả lớp vật lý 16

1.4.1.1 Các khái niêm cơ bản về OFDM 16

1.4.1.2 Cấu trúc ký hiệu OFDMA và kênh con hóa 19

1.4.1.3 SOFDMA theo tỷ lệ (S-OFDMA) 22

1.4.1.4 So sánh OFDM và OFDMA 23

CHƯƠNG 2: CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA WIMAX DI ĐỘNG 26

2.1 Cấu trúc khung TDD 26

2.2 Các đặc điểm lớp PHY cải tiến khác 28

2.3 Mô tả lớp MAC (Media Access Control) 30

2.3.1 Dịch vụ lập lịch MAC 32

2.3.2 Hỗ trợ QoS 33

2.3.3 Quản lý nguồn 35

2.3.4 Quản lý di động 36

2.3.6 Truy nhập kênh truyền 38

2.4 Các đặc điểm cải tiến của WiMAX di động 39

2.4.1 Công nghệ anten thông minh 39

2.4.1.1 MIMO 39

2.4.1.2 Công nghệ anten thông minh 40

2.4.2 Sử dụng lại tần số phân đoạn 42

2.4.3 Dịch vụ Multicast và Broadcast (MBS) 44

2.5 Các vấn đề về phổ của WIMAX di động 45

2.6 Kiến trúc WiMAX end-end 46

2.6.1 Hỗ trợ các dịch vụ và ứng dụng 48

2.6.2 Liên mạng và chuyển vùng 48

2.6.3 Bảo mật 51

2.6.4 Tính di động và chuyển giao 52

2.6.5 Khả năng mở rộng, vùng bao phủ và lựa chọn nhà khai thác 53

2.6.6 Khả năng liên hoạt động của đa nhà sản xuất 54

2.6.7 Chất lượng dịch vụ 54

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG TRIỂN KHAI WiMAX DI ĐỘNG TRÊN MẠNG NỘI HẠT TẠI VIỆT NAM 55

3.1 Tổng quan 55

3.2 Triển khai WIMAX di động của công ty Viễn Thông Hà Nội (HNPT) 56

3.2.1 Mục tiêu triển khai 56

3.2.1.1 Yêu cầu về dịch vụ cho hệ thống truy nhập vô tuyến băng rộng 56

3.2.1.2 Đối tượng khách hàng của hệ thống truy nhập vô tuyến băng rộng .56

3.2.2 Qui mô triển khai WIMAX di động tại Hà Nội 56

3.2.3 Phối hợp thử nghiệm triển khai Wimax giữa Motorola và HNPT 57

3.2.3.1 Mục đích của cuộc Phối hợp Thử nghiệm Công nghệ (PTC) 59

3.2.3.2 Nội dung công việc triển khai 69

3.2.3.3 Sơ đồ chung về mạng của ULAP WiMAX 70

3.2.3.4 Các thành phần hệ thống và thiết bị kiểm tra được yêu cầu 71

3.2.3.4.1 Phần mềm 72

3.2.4 Cấu hình thử nghiệm 73

3.2.4.1 Các mô hình thử nghiệm 74

3.2.4.1.1 Dịch vụ dữ liệu 74

3.2.4.1.2 Dịch vụ thoại trên nền IP 75

3.2.4.1.3 Dịch vụ game tương tác 77

3.2.4.1.4 Dịch vụ mạng riêng ảo 78

3.2.4.1.5 Dịch vụ cấp phát địa chỉ IP-DHCP 79

3.2.4.1.6 Thử nghiệm VOIP với VOIP Server và Voice Gateway 80

3.2.5 Kết quả thử nghiệm triển khai Wimax di động 82

KẾT LUẬN CHUNG 83

TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

Hình 1.5: Phân chia luồng số liệu trong OFDM

Hình 1.6: Mặt cắt của Cyclic Prefix

Hình 1.7: Mật độ phổ năng lượng của tin hiệu điều chế OFDM

Hình 1.8: Miền tần số OFDM

Hình 1.9: Mô hình kênh con hóa OFDM

Hình 1.10: Cấu trúc sóng mang con OFDMA

Hình 1.11: Sự phân bổ pilot và dữ liệu trong các ký hiệu chẵn lẻ

Hình 1.12: Cấu trúc tile của UL PUSC

Hình 1.13: So sánh OFDM và OFDMA

Hình 1.14: Tương quan so sánh giữa OFDM và SOFDMA

Hình 1.15: Tuyến lên trong OFDM và OFDMA

Hình 2.1: Cấu trúc khung WiMAX OFDMA

Hình 2.2: Mô hình điều chế trong 802.16e

Hình 2.3: Phân lớp MAC và các chức năng

Hình 2.4: Qos hỗ trợ WiMAX di động

Hình 2.5: Các bước kết nối với trạm BS

Hình 2.6 : Kỹ thuật MIMO

Hình 2.7: Chuyển mạch thích ứng cho anten thông minh

Hình 2.8 Cấu trúc khung đa miền

Hình 2.9: Sử dụng lại tần số

Hình 2.10: Hỗ trợ MBS nhúng với những vùng WiMAX-MBS di động

Hình 2.11: Mô hình tham chiếu mạng WIMAX

Hình 2.12: Cấu trúc mạng WiMAX trên nền IP

Hình 3.1: Sơ đồ các khu vực triển khai WiMAX di động

Hình 3.2: Cấu hình sản phẩm Ultra Light

Hình 3.3: Cấu hình sản phẩm ULAP

Hình 3.4: Framework quản lý các phần tử ULAP

Hình 3.5: Cấu hình cell điển hình (4 sector)

Hình 3.6: Module thuê bao ngoài trời

Hình 3.7: Cấu hình đa sector của ULAP

Hình 3.8: Cấu hình mạng chung ULAP

Hình 3.9: Cấu hình mạng

Hình 3.10: Cấu hình thử nghiệm WiMAX di động của HNPT

Hình 3.11: Thử nghiệm dịch vụ truyền file FTP

Hình 3.12: Thử nghiệm dịch vụ duyệt Web intranet

Hình 3.13: Thử nghiệm dịch vụ duyệt Web internet

Hình 3.14: Thử nghiệm dịch vụ VOIP PC-to-PC

Hình 3.15: Thử nghiệm dịch vụ Game trực tuyến

Hình 3.16: Thử nghiệm dịch vụ mạng riêng ảo VPN

Hình 3.17: SM built-in DHCP Server

Hình 3.18: External DHCP Server

Hình 3.19: Thử nghiệm VOIP với VOIP server (HNPT) và Voice Gateway (HNPT)

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Các tham số tỉ lệ OFDMA

Bảng 2.1: Các kỹ thuật mã hóa và điều chế được hỗ trợ

Bảng 2.2: Tốc độ dữ liệu PHY với các kênh con PUSC trong WiMAX di độngBảng 2.3: Các dịch vụ trong QoS

Bảng 2.4: Các tùy chọn của Anten cao cấp

Bảng 2.5: Các tốc độ dữ liệu cho các cấu hình SIMO/MIMO

Bảng 3.1: Tổng hợp những đặc tính kỹ thuật chính của ULAP

Bảng3.2: Đặc tính kỹ thuật vô tuyến của ULAP

Bảng 3.4: Đặc tính kỹ thuật anten của ULAP

Bảng 3.5: Các thông số kỹ thuật Module và Anten thuê bao

Bảng 3.6: Các thông số kỹ thuật Module và Anten thuê bao (tiếp )

CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

AAA Authentication, authorization and

Account

Nhận thực, cấp phép và lập tài khoản

ADSL Asymmetric Digital Subcriber Line Đường dây thuê bao bất đối

ARPU Average Revenue Per User Chỉ số doanh thu bình quân

của một thuê bao/thángASN gateway Access Service Network Mạng dịch vụ truy nhập

CCMP Cipher Block Chaining Message

Authentication Code Protocol Giao thức CCMP

CQI Channel quality indicator Chỉ thị chất lượng kênh

CQI Channel quality indicator Một kênh chỉ thị chất lượng

kênh

DHCP Dynamic Host Configuration Protocol Giao thức cấu hình Host

động

EAP Extensible Authentication Protocol Giao thức xác thực có thể mở

rộngEAP Extensible Authentication Protocol Giao thức xác thực mở rộng

FBSS Fast Base Station Switching Chuyển mạch trạm gốc

nhanh

FDMA Frequence Division Mutiplexing

HMAC Hashed Message Authentication Code Khóa mã nhận thực bản tin

MAI Multi Access Interfearence Nhiễu đa truy xuất

MDHO Macro Diversity Handover Handover chuyển giao phân

tập vĩ môMIMO Multiple-input and multiple-output Kỹ thuật sử dụng nhiều ăng-

ten phát và nhiều ăng-ten thu

để truyền và nhận dữ liệu

NAP Network Access Provider Nhà cung cấp truy nhập

mạng

NRM Network Reference Model Mô hình tham chiếu mạngNSP Network Service Provider Nhà cung câp dịch vụ mạng

OFDM Orthogonal Frequency Division

PKM Protocal of Key Management Phương thức quản lý khóa

QPSK Quadratura Phase Shift Keying Khóa chuyển pha cầu phương

RTG Receive Transition Gap Khoảng trống chuyển giao

đầu thu

RUIM Removable User Identity Module Mô đun xác nhận người sử

dụng có thể di chuyển được

SIM Subscriber Identity Module Mô dun xác nhận thuê baoSNMP Simple Network management Giao thức quản lí mạng

Protocol đơn giản

SOFDMA Scalable Orthogonal Frequency

TDMA Time Division

WAC Wireless Access Controlle Điều khiển truy cập không

và điện tử) cho phép truy cập vô tuyến đầu cuối như một phương thức thay thế cho cáp,DSL, ADSL hoặc hệ thống cáp quang tốn kém Hệ thống WiMAX, theo như WiMAXForum, cho phép kết nối băng rộng vô tuyến cố định, nomandic - trong đó người sử dụng

có thể di chuyển nhưng cố định trong lúc kết nối, mang xách được trong đó người sửdụng có thể di chuyển ở tốc độ đi bộ, di động với khả năng phủ sóng của một trạm antenphát lên đến 50 km dưới các điều kiện tầm nhìn thẳng (LOS – Line of sight) và bán kínhcell lên tới 8km không theo tầm nhìn thẳng (NLOS – Non line of sight)

Trong họ IEEE 802.16 nổi bật nhất là chuẩn 802.16e – 2005 với khả năng đáp ứngcác ứng dụng cố định và đặc biệt là các dịch vụ di động, nên còn được gọi là WiMAX diđộng Chuẩn này đánh dấu sự phát triển vượt bậc trong khả năng đáp ứng nhu cầu sửdụng ngày càng cao của người dùng Với những thuộc tính vượt trội đặc biệt về tốc độđường truyền số liệu lên tới 64Mbps downlink và 28Mbps uplink khả năng cung ứng diđộng tối đa lên tới 120km/h, và bán kính phủ lên tới 1/5/30km, WiMAX di động đang dầnchứng tỏ mình là một công nghệ quan trọng trong lĩnh vực cung cấp giải pháp Internetbăng rộng di động và là một đối thủ cạnh tranh đáng gờm đối với mạng thông tin di động3G LTE trong việc cung ứng các dịch vụ tương tự như thoại VoIP, Internet di động hay

TV di động

WiMAX di động sẽ là một giải pháp vô tuyến băng rộng cho phép hội tụ mạng băngrộng cố định và di động thông qua công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng trên diện rộng

và kiến trúc mạng mềm dẻo Giao diện vô tuyến WiMAX di động sử dụng phương thức

đa truy nhập chia theo tần số trực giao (OFDMA) để cải thiện vấn đề đa đường trong môitrường NLOS Phương thức OFDMA scalable (SOFDMA) được sử dụng trong bản bổxung IEEE 802.16e để hỗ trợ băng tần kênh thay đổi từ 1.25 tới 20 Mhz Hiện nay, mộtprofile hệ thống WiMAX di động đang được phát triển nhằm xác định các đặc điểm bắtbuộc và tuỳ chọn của chuẩn IEEE để xây dựng các giao diện vô tuyến tuân theo WiMAX

di động Profile hệ thống WiMAX di động này cho phép hệ thống di động được cấu hìnhdựa trên tập hợp các đặc điểm chung do đó đảm bảo các cho đầu cuối và trạm gốc có thểliên hoạt động Một vài đặc điểm tuỳ chọn của profile trạm gốc được đưa ra nhằm tạo nên

sự mềm dẻo trong việc triển khai các cấu hình khác nhau với điều kiện hoặc tối ưu về khảnăng hoặc về vùng phủ Profile WiMAX di động sẽ bao gồm độ rộng kênh 5, 6, 8.75 và

10 MHz trong băng tần số 2.3 GHz, 2.5 GHz và 3.5 GHz 002E

Hình 1.1: Profile hệ thống WiMAX di động

Hiện nay, một nhóm làm việc mạng của diễn đàn WiMAX đang phát triển các tiêuchuẩn kỹ thuật mạng “mức cao” cho hệ thống WiMAX di động mà trong chuẩn IEEE802.16 mới chỉ giải quyết các vấn đề đơn giản của các phần giao diện vô tuyến Nhómnày cũng đang nghiên cứu phiên bản khác là 802.16m với mục đích đẩy tốc độ dữ liệucủa WiMAX lên hơn nữa trong khi vẫn tương thích với WiMAX cố định và di động đã vàđang được triển khai Phiên bản này theo dự kiến sẽ được hoàn thiện vào cuối năm 2009,như là một bước tiến để vượt trội hơn 3G LTE và xâm nhập sâu rộng hơn vào thị trường

di động hiện nay Phiên bản 802.16m sẽ vẫn dựa trên kỹ thuật ăng-ten MIMO trên nềncông nghệ đa truy nhập OFDMA với số lượng ăngten phát và thu nhiều hơn WiMAX diđộng « Wave 2 » 802.16m trang bị 4 ăng-ten phát và 4 ăng-ten thu sẽ có thể đẩy tốc độtruyền lên lớn hơn 350Mbps Theo dự kiến,WiMAX Release 2 với sự hoàn thiện của802.16m sẽ hoàn thành vào cuối năm 2009 và có thể bắt đầu triển khai dịch vụ từ 2010.Hình 1.2 dưới đây thể hiện lộ trình phát triển của công nghệ WiMAX đã, đang và sẽ xuấthiện

Hình 1.2: Lộ trình phát triển công nghệ WiMAX

Hình 1.3: Mô hình hệ thống WiMAX

1.3 Kiến trúc mạng WiMAX di động

Hình 1.4: Kiến trúc mạng WiMAX di động

Ta thấy để thiết lập một mạng WiMAX hay WiMAX di động ta cần có các trạmphát BS (giống BTS của mạng thông tin di động) Nhiều BS sẽ được kết nối, quản lý bởimột ASN (Access Service Network) gateway ASN Gateway này là thực thể miêu tả trongWiMAX Forum, tuy nhiên trong các mạng triển khai thực tế thì người ta hay gọi là WAC(WiMAX hay Wireless Access Controller) Nhiều WAC tập hợp lại tạo thành một ASN.Nhiều ASN của cùng một operator tạo thành một NAP (Network Access Provider) Nhiềunhà cung cấp khác nhau sẽ có thể triển khai nhiều mạng truy nhập khác nhau, rồi chúng sẽcùng kết nối với một hoặc nhiều CSN (Core Service Network).

ASN định nghĩa một đường biên logic và biểu diễn theo một cách thuận lợi để mô tảtập hợp các thực thể chức năng và các luồng bản tin tương ứng kết hợp với các dịch vụtruy cập ASN biểu diễn đường biên cho chức năng liên kết nối với các mạng WiMAXkhách, các chức năng dịch vụ kết nối WiMAX và tập các chức năng của nhiều nhà cungcấp khác nhau CSN được định nghĩa là một tập các chức năng mạng cung cấp các dịch

vụ kết nối IP cho các thuê bao WiMAX Một CSN có thể gồm các phần tử mạng nhưrouter (bộ định tuyến), máy chủ/proxy nhận thực AAA, cơ sở dữ liệu người dùng và thiết

bị cổng liên mạng Một CSN có thể được triển khai như một phần của nhà cung cấp dịch

vụ mạng WiMAX

1.4 Kỹ thuật truyền thống số

1.4.1 Mô tả lớp vật lý

1.4.1.1 Các khái niêm cơ bản về OFDM

Công nghệ WiMAX di động chọn phương pháp truy cập đa điểm dựa trên việc phân chia tần số trực giao (Orthogonal Frequency Division Multiple Access - OFDMA) để nâng cao hiệu suất truyền giữa các điểm trong môi trường không phát sóng trực tiếp Tuy nhiên để hiểu rõ về OFDMA thì việc tìm hiểu những nét cơ bản về OFDM là rất cần thiết.OFDM là công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao-một kỹ thuật hấp dẫn

sử dụng cho các hệ thống truyền thông số liệu tốc độ cao Nó được phát triển từ 2 kĩ thuậtquan trọng là ghép kênh phân chia theo tần số (FDM) và truyền thông đa sóng mang.OFDM là một kỹ thuật ghép kênh mà chia băng tần thành các tần số sóng mang nhỏ nhưđược chỉ ra trong hình sau :

Hình 1.5: Phân chia luồng số liệu trong OFDM

Trong hệ thống OFDM, luồng số liệu đầu vào được chia ra thành các luồng con songsong với tốc độ số liệu nhỏ hơn và như vậy tăng khoảng thời gian của ký hiệu và mỗiluồng nhỏ được điều chế và truyền trên một sóng mang trực giao Hơn nữa, sự sử dụngtiền tố lặp-CP (cyclic frefix) có thể hoàn toàn loại trừ xuyên nhiễu giữa các ký hiệu (ISI)miễn là thời lượng CP lâu hơn trễ kênh lan truyền CP là một sự lập lại của một đoạn cuốicủa khối số liệu và được gán tới đầu của đoạn tải số liệu như được chỉ ra trong hình:

Hình 1.6: Mặt cắt của Cyclic Prefix

Sử dụng CP để chống lại xuyên nhiễu giữa các ký hiệu và tạo cho kênh “xuất hiện”vòng tròn Một trong những nhược điểm của CP là làm giảm hiệu quả của băng thông do

sử dụng thêm ở phần tiêu đề CP làm giảm hiệu quả sử dụng băng thông đi một ít Do phổOFDM có hình rất nhọn giống như “brick-wall”, do đó một phần lớn băng thông kênhđược sử dụng cho truyền số liệu nên giúp giảm ảnh hưởng trong việc sử dụng tiền tố vòngtròn

Hình 1.7: Mật độ phổ năng lượng của tín hiệu điều chế OFDM

OFDM có thể triển khai trên nhiều dải tần số khác nhau với đa kênh bằng cách sửdụng mã hoá và thông tin tại sóng mang nhỏ trước khi đưa vào truyền dẫn

Hình 1.8: Miền tần số OFDM

Điều chế OFDM có thể hiện thực hoá một cách hiệu quả với chuyển đổi Fourierngược nhanh Điều này cho phép truyền một số lượng lớn các sóng mang nhỏ mà khôngphức tạp trong việc thực hiện Trong một hệ thống OFDM, các tài nguyên trong miền thờigian chính là các ký hiệu OFDM và trong miền tần số là các sóng mang nhỏ Nguồn tàinguyên “tần số” và “thời gian” có thể được tổ chức thành các kênh con dùng cho việcphân bổ tới từng người sử dụng riêng rẽ Mỗi hình chữ nhật là một kênh con độc lập và

Hình 1.9: Mô hình kênh con hóa OFDM

1.4.1.2 Cấu trúc ký hiệu OFDMA và kênh con hóa

OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access) là một phương thức đatruy nhập phân chia theo tần số trực giao, cung cấp hoạt động ghép kênh luồng số liệu cho

đa người sử dụng vào các kênh con đường xuống và đa truy nhập đường đa đường lênbằng phương tiện kênh con đường lên

OFDMA là một công nghệ đa sóng mang phát triển trên nền kỹ thuật OFDM TrongOFDMA, một số sóng mang con, không nhất thiết là phải nằm kề nhau được gộp lại thànhmột kênh con (sub-channel) và các user khi truy cập vào tài nguyên sẽ được cấp cho mộthay nhiều kênh con để truyền nhận tùy theo yêu cầu lưu lượng cụ thể

OFDMA có một số ưu điểm như là tăng khả năng linh hoạt, thông lượng và tính ổnđịnh được cải thiện Việc ấn định các kênh con cho các thuê bao cụ thể, việc truyền nhận

từ một số thuê bao có thể xảy ra đồng thời mà không cần sự can thiệp nào, do đó sẽ giảmnhững tác động như nhiễu đa truy xuất (Multi Access Interfearence-MAI)

OFDMA cho phép nhiều người dùng truy nhập các sóng mang con cùng một lúc Ởmỗi đơn vị thời gian, tất cả các người dùng có thể truy nhập Việc ấn định các sóng mangcon cho một người dùng có thể thay đổi ở mỗi đơn vị thời gian

Cấu trúc ký hiệu OFDMA bao gồm 3 kiểu sóng mang con như được chỉ ra tronghình sau:

 Sóng mang con số liệu cho truyền dẫn số liệu

 Sóng mang con dẫn đường cho mục đích ước lượng và đồng bộ hoá

 Sóng mang con Null không để truyền dẫn truyền, được sử dụng cho phần băngthông an toàn và tải mang DC

Hình 1.10: Cấu trúc sóng mang con OFDMA

Sóng mang con (số liệu và pilot), được nhóm thành từng nhóm sóng mang con đượcgọi là kênh con WiMAX OFDMA lớp vật lý hỗ trợ kênh con hoá trong cả DL và UL.Khối nguồn tài nguyên thời gian-tần số tối ưu cho kênh con hoá là một khe, bằng 48 tone

số liệu (sóng mang con)

Có 2 kiểu hoán vị sóng mang con cho kênh con hoá: phân tán và kề nhau Sự hoán vịphân tán dẫn đến các sóng mang con giả ngẫu nhiên để hình thành một kênh con Sự hoán

vị này mang đến tính đa dạng tần số và trung bình xuyên nhiễu giữa các cell Sự hoán vịphân tán bao gồm DL FUSC (Sóng mang con sử dụng hoàn toàn), DL PUSC (Sóng mangcon sử dụng một phần), UL PUSC và các hoán vị tuỳ chọn thêm Với DL PUSC, mỗi cặp

ký hiệu OFDM, các sóng mang con có thể sử dụng hoặc khả dụng được nhóm thành cáccluster chứa 14 sóng mang liền kề trên một ký hiệu, với sự phân bổ pilot và số liệu trênmỗi nhóm trong các ký hiệu chẵn và lẽ như hình sau

Một nguyên lý sắp xếp lại được sử dụng để hình thành nhóm các cluster Một kênhcon trong nhóm chứa 2 cluster và được được tạo bởi 48 sóng mang con số liệu và 8 sóngmang con pilot Các sóng mang con số liệu trong mỗi nhóm được tiếp tục hoán vị để tạothành các kênh con trong phạm vi nhóm Vì vậy, chỉ các vị trí dẫn đường trong cluster làđược biểu thị trong hình trên.Các song mang con dữ liệu trong cluster được phân bổ chonhiều kênh con.

Tương tự với cấu trúc nhóm cho DL, một cấu trúc tile được xác định cho UL PUSC

có định dạng như hình 1.12

Hình 1.12: Cấu trúc tile của UL PUSC

Không gian sóng mang con hiệu dụng được chia thành các tile, được chọn từ phổbằng sơ đồ hoán vị/ sắp xếp lại, được nhóm cùng nhau để hình thành một khe Khe baogồm 48 sóng mang số liệu và 24 sóng mang pilot trong 3 ký hiệu OFDM

Hoán vị liền kề nhóm một khối các sóng mang con liền kề để hình thành kênh con.Hoán vị liền kề bao gồm DL AMC và UL AMC, và có cùng một cấu trúc Một “thùng”(bin) bao gồm 9 sóng mang con trong một ký hiệu, với 8 được gán cho số liệu và mộtđược gán cho pilot Một khe (slot) trong AMC được xác định như là một tập hợp cácthùng với kiểu (N*M=6), trong đó N là số thùng liền kề và M là số ký hiệu liền kề Do đó,các kiểu hoán vị này có thể là (6 bin, 1 ký hiệu, 3 bin, 2 ký hiệu, 1 bin 6 ký hiệu) Hoán vịAMC cho phép nhiều người sử dụng bằng cách chọn kênh con với sự phản hồi tần số tốtnhất

Nói chung, kiểu hoán vị sóng mang con đa dạng thực hiện tốt trong các ứng dụng diđộng trong khi đó hoán vị sóng mang con liền kề lại phù hợp tốt cho môi trường di độngthấp, hoặc có thể lưu động hoặc cố định Những tuỳ chọn này cho phép người thiết kế hệthống lựa chọn ra kiểu hoán vị phù hợp với hệ thống của mình

1.4.1.3 S-OFDMA theo tỷ lệ

Đây là một đặc điểm bổ xung cho IEEE 802.16e để hỗ trợ chuyển giao dễ dàng.Trong OFDM-TDMA và OFDMA, số lượng sóng mang con thường được giữ bằngnhau với phổ có sẵn Số sóng mang con không thay đổi dẫn đến không gian sóng mangcon thay đổi trong các hệ thống khác nhau Điều này làm cho việc chuyển giao giữa các

hệ thống gặp khó khăn Ngoài ra, mỗi hệ thống cần một thiết kế riêng và chi phí cao.OFDMA theo tỉ lệ (S-OFDMA) giải quyết các vấn đề này bằng cách giữ cho khônggian sóng mang con không thay đổi Nói cách khác, số sóng mang con có thể tăng hoặcgiảm với những thay đổi trong một băng tần cho trước Ví dụ, nếu một băng tần 5MHzđược chia thành 512 sóng mang con, một băng tần 10MHz sẽ được chia thành 1024 sóngmang con

Bởi vì không gian sóng mang con là giữ nguyên trong S-OFDMA nên một máy diđộng có thể chuyển giao giữa các hệ thống một cách suôn sẻ Ngoài ra, với không giansóng mang con không thay đổi, một thiết kế là phù hợp cho nhiều hệ thống và có thể tái

sử dụng Chi phí cho thiết kế và sản phẩm sẽ thấp hơn

Cụ thể hơn thì S-OFDMA hỗ trợ một khoảng rộng băng thông để giải quyết mộtcách mềm dẻo việc phân chia phổ thay đổi và đáp ứng các yêu cầu khác hữu ích.Scalability thực hiện được do điều chỉnh kích thước FFT trong khi vẫn cố định khoảngcách tần số cho một sóng mang là 10.94 kHz Do băng thông sóng mang con và độ dàicủa ký tự là cố định, tác động tới lớp cao hơn là nhỏ khi thay đổi băng tần Các tham số S-OFDMA được mô tả trong bảng Băng tần hệ thống của profile ban đầu được phát triểnbởi nhóm làm việc về kỹ thuật với phiên bản-1 là 5 và 10 MHz (được tô sáng trong bảng)

Bảng 1.1: Các tham số tỉ lệ OFDMA

1.4.1.4 So sánh OFDM và OFDMA

Theo kỹ thuật ghép kênh cơ bản thì OFDM được sử dụng cho định dạng 802.16 –

2004 rất phù hợp với các ứng dụng cố định, trong khi chuẩn 802.16e lại sử dụng OFDMAlại đặc biệt thích hợp với mục đích ứng dụng trong di dộng và về bản chất OFDM ít phứctạp hơn so với SOFDMA

Hình 1.13: Tương quan so sánh giữa OFDM và SOFDMA

OFDMA tạo cho các định dạng 802.16e linh hoạt hơn rất nhiều trong việc quản lýcác dịch vụ người dùng khác nhau với nhiều kiểu anten và yếu tố hình dạng khác nhau

Nó đem lại sự giảm bớt can nhiễu cho các thiết bị khách hàng có anten toàn hướng và khảnăng truyền NLOS được cai thiện – những yếu tố rất cần thiết khi hỗ trợ các thuê bao diđộng Việc tạo kênh phụ thuộc sẽ xác định các kênh con để có thể gán cho các thuê baokhác nhau tùy thuộc vào các trạng thái kênh và các yêu cầu dữ liệu của chúng Điều nàytạo điều kiện cho các nhà khai thác linh hoạt hơn trong việc quản lý băng thông và côngsuất phát, từ đó dẫn đến việc sử dụng tài nguyên hiệu quả hơn

NG = 48 trong tuyến xuống và NG = 53, NE =32 trong tuyến lên với các sóng mang còn lạiđược dùng cho các băng bảo vệ và báo hiệu.

Trong OFDM, các thiết bị người dùng phát đi bằng cách sử dụng toàn bộ một kênhcùng một lúc như hình vẽ bên dưới Trong khi đó, OFDMA hỗ trợ đa truy nhập cho phépngười dùng chỉ phát đi qua các kênh con được gán cho chúng Như ví dụ trên, nếu 2048sóng mang và 32 kênh con, nếu chỉ một kênh con được gán cho một thiết bị thì toàn bộcông suất phát ra sẽ được tập trung trong 1/32 phổ khả dụng và có thể đem lại một độ lợi15dB so với OFDM Hơn thế nữa, hình thức đa truy nhập này là đặc biệt có lợi khi sửdụng các kênh rộng

Hình 1.15: Tuyến lên trong OFDM và OFDMA

Trong OFDM, các thiết bị người dùng được gán các khe thời gian để phát, nhưngchỉ một thiết bị người dùng có thể phát trong một khe thời gian duy nhất Trong OFDMA,việc tạo kênh con cho phép một số thiết bị được phát trong cùng một thời gian qua cáckênh con được gán cho chúng

CHƯƠNG 2: CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA WiMAX DI ĐỘNG2.1 Cấu trúc khung TDD

PHY 802.16e hỗ trợ TDD, FDD và hoạt động FDD half-duplex Tuy nhiên, phiênbản ban đầu của profile chứng chỉ WiMAX di động chỉ có với chế độ TDD Với phiênbản đang được nghiên cứu, profile FDD sẽ được xem xét bởi diễn đàn WiMAX để tạo racác cơ hội kinh doanh mới cho những nơi có các yêu cầu về phổ nội hạt hoặc cấm đối vớiTDD hoặc là phù hợp hơn với triển khai FDD

TDD là một ứng dụng của Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA (TimeDevision Multiple Acces) để phân tách tín hiệu đi và tín hiệu về TDD có một tiện ích lớntrong trường hợp sự không đối xứng giữa tốc độ uplink và và downlink dữ liệu là thayđổi Khi số liệu uplink tăng lên thì sẽ có một dải thông rộng hơn có thể phân phối cho nónhư trước khi nó được co lại để có thể truyền đi Một tiện ích khác khiến TDD được sửdụng trong WiMAX di động thế hệ đầu là đường tín hiệu radio uplink và downlink là rấtgiống trong hệ thống di chuyển chậm điều đó có nghĩa là công nghệ như beamforminglàm việc rất tốt với hệ thống TDD Sự sắp xếp có hệ thống của TDD có thể cấp phát mộtcách linh hoạt số lượng khe thời gian cho hai chiều truyền và nhận dữ liệu, điều này đặcbiệt quan trọng trong các đường truyền Internet với tỉ lệ UL/DL không bị bắt buộc phải là50/50 Xét một cách tổng quát thì TDD có thể mang lại sự linh hoạt cũng như giúp nângcao năng lực của hệ thống lên rất nhiều Tuy nhiên, việc sử dụng TDD trong phiên bảnđầu này của WiMAX di động gặp phải một nhược điểm đó là bị hạn chết bởi dài tần nhỏ

Để hiệu quả TDD chia dòng dữ liệu ra thành nhiều khung và với mỗi khung này lạichia thành các khe thời gian để truyền đi và nhận về

Đối với vấn đề xuyên nhiễu, TDD không yêu cầu sự đồng bộ hệ thống ở diện rộng,trái lại TDD sẽ ưu tiên chế độ song công vì những lý do sau:

 TDD cho phép điều chỉnh tỷ số đường xuống/đường lên để hỗ trợ lưu lượng đườngxuống/đường lên một cách hiệu quả, trong khi đó với FDD, đường xuống và đườnglên luôn luôn bị cố định và nói chung là bằng với băng thông DL và UL

 TDD đảm bảo sự trao đổi kênh để: hỗ trợ khả năng điều chỉnh đường truyền,MIMO và các công nghệ anten cải vòng kín cao cấp khác

 Không giống như FDD với việc yêu cầu một cặp kênh, TDD chỉ yêu cầu một kênhđơn cho cả đường xuống và đường lên, điều này dẫn đến mềm dẻo hơn đối với sựphân chia phổ thay đổi.

 Thiết kế bộ thu phát để triển khai TDD là ít phức tạp hơn và do đó sẽ tốn kém hơn.Hình vẽ dưới đây minh hoạ cấu trúc khung OFDM với phương thức song công chiatheo thời gian (TDD) Mỗi khung được chia thành khung con DL và UL riêng rẽ bởi các

bộ chuyển dịch phát/thu và thu/phát (TTG và RTG tương ứng) để chống lại sự xung độttrong truyền dẫn DL và UL Trong một khung, thông tin điều khiển sau được sử dụng đểđảm bảo hoạt động hệ thống tối ưu:

 Phần đầu khung (preamble): Được sử dụng cho đồng bộ, là ký hiệu OFDM đầu

tiên của khung

 Tiêu đề điều khiển khung (FCH):FCH được đặt ngay sau phần mở đầu

(preamble) Nó cung cấp các thông tin cấu hình khung như độ dài bản tin MAP, sơ

đồ mã hoá và kênh con hiệu dụng

 DL-MAP và UL-MAP: Cung cấp sự phân bổ kênh con và thông tin điều khiển

khác cho khung con DL và UL một cách tương ứng

 Khoảng UL: Kênh con UL được sử dụng cho trạm gốc di động (MS) để thực hiện

thời gian vòng kín, tần số và sự điều chỉnh công xuất cũng như yêu cầu băng tần

 UL CQICH: Kênh UL CQICH được phân bổ cho MS để trả lời lại các thông tin

về trạng thái kênh

 UL ACK: Được sử dụng cho MS để trả lời lại thông báo DL HARQ.

Hình 2.1: Cấu trúc khung WiMAX OFDMA

2.2 Các đặc điểm lớp PHY cải tiến khác

WiMAX di động đã đưa ra các kỹ thuật: điều chế thích nghi và mã hóa (AMC), yêu cầu lập lại tự động lại kiểu kết hợp (HARQ), và phản hồi kênh nhanh (CQICH), để tăng cường khả năng phủ sóng và khả năng của WiMAX trong các ứng dụng di động

Trong WiMAX di động ở đường xuống, bắt buộc phải có các hỗ trợ điều chế QPSK,

16 QAM và 64 QAM, còn ở đường lên 64 QAM là tùy chọn

Cả mã hóa vòng và mã hóa Turbo vòng với tốc độ mã thay đổi và mã lặp cũng được

hỗ trợ Ngoài ra, mã Turbo và mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp (LDPC) cũng được hỗ trợtùy chọn Bảng sau tổng kết các nguyên lý mã hóa và điều chế được hỗ trợ trong profileWiMAX di dộng (với mã UL tuỳ chọn được chỉ ra với chữ in nghiêng)

Bảng 2.1: Các kỹ thuật mã hóa và điều chế được hỗ trợ

Sự tổ hợp các kỹ thuật điều chế và các tốc độ mã đem lại sự tinh phân giải tốc độ dữliệu như minh họa trong bảng 1.3 (với độ rộng kênh là 5 và 10 MHz với các kênh conPUSC) Độ dài khung là 5ms Mỗi khung có 48 biểu trưng OFDM gồm 44 biểu trưng sẵnsàng để truyền dữ liệu Các giá trị đánh dấu màu là để chỉ các tốc độ cho kỹ thuật 64QAMtùy chọn ở đường lên

Bảng 2.2: Tốc độ dữ liệu PHY với các kênh con PUSC trong WiMAX di động

Bộ lâp lịch trạm gốc xác định tốc độ dữ liệu phù hợp mỗi cấp phát cụm (burts) dựatrên kích thước bộ đệm và điều kiện truyền song ở phía thu Một kênh chỉ thị chất lượngkênh (CQI-channel quality indicator) được sử dụng để cung cấp thông tin trạng thái kênh

từ thiết bị đầu cuối người sử dùng đến bộ lập lịch trạm gốc Thông tin trạng thái kênh cóthể được phản hồi bởi CQICH bao gồm: CINR vật lý, CINR hiệu quả, sự lựa chọn chế độMIMO và sự lựa chọn kênh con Với kỹ thuật TDD, thích ứng đường truyền cũng có thểtận dụng ưu điểm của việc đảo kênh để cung cấp việc đo chính xác hơn (như là âm thanh).WiMAX di động cũng hỗ trợ HARQ HARQ cho phép sử dụng giao thức “dừng vàđợi” N kênh cung cấp khả năng đáp ứng nhanh để đóng gói lỗi và cải tiến khả năng phủsóng đường biên cell Sự dư thừa tăng được hỗ trợ để cải tiến hơn về độ tin cậy của việctruyền lại Một kênh ACK cũng được cung cấp trong đường uplink cho tín hiệu HARQACK/NACK HARQ kết hợp với CQICH và AMC cung cấp sự tương thích liên kết manhtrong môi trường tại tốc độ phương tiện quá 120Km/giờ

2.3 Mô tả lớp MAC

Chuẩn 802.16 được phát triển từ yêu cầu về việc cung cấp đa dạng dịch vụ băngrộng bao gồm thoại, dữ liệu, và video Lớp MAC là hướng kết nối bao gồm ba phân lớpcon Lớp con hội tụ dịch vụ riêng (SSCS) cung cấp mọi sự biến đổi hay ánh xạ dữ liệumạng ngoài, nhận dữ liệu mạng ngoài qua điểm truy nhập dịch vụ CS SAP, các MAC SDU(đơn vị dữ liệu dịch vụ) được nhận bởi lớp con phần chung MAC CPS thông qua MACSAP

Bao gồm việc phân loại các SDU mạng ngoài và kết hợp chúng với nhận dạng luồngdịch vụ MAC thích hợp (SFID) và nhận dạng kết nối (CID) Nó có thể cũng bao gồm cácchức năng như nén tiêu đề tải trọng (PHS) Nhiều chi tiết kĩ thuật CS được cung cấp chogiao diện với nhiều loại giao thức Định dạng bên trong của tải trọng CS là duy nhất vớimỗi CS, và các MAC CPS không yêu cầu hiểu dược định dạng của nó hay phân tích bất kìthông tin nào từ tải trọng CS

MAC CPS cung cấp các chức năng MAC chính của việc truy nhập hệ thống, cấp phát

độ rộng dải tần, thiết lập và duy trì kết nối Nó nhận dữ liệu từ nhiều CS thông qua MACSAP, phân loại thành các kết nối MAC cụ thể QoS được áp dụng cho việc truyền và lậplịch dữ liệu thông qua lớp PHY sử dụng 4 loại dịch vụ cơ bản

Có hai loại kết nối đó là các kết nối quản lý và kết nối truyền tải dữ liệu Các kết nốiquản lí có ba loại: cơ bản, sơ cấp và thứ cấp Một kết nối cơ bản được tạo ra cho mỗi MSkhi nó gia nhập vào mạng Kết nối sơ cấp cũng được tạo ra cho mỗi MS ở thời điểm vàomạng nhưng đuợc dùng cho các bản tin quản lí dung sai trễ Loại kết nối quản lí thứ ba,loại thứ cấp được dùng cho các bản tin quản lí IP tóm lược (như DHCP, SNMP, TFP).Các kết nối truyền tải dữ liệu có thể được cung cấp hoặc được thiết lập theo yêu cầu.Chúng được dùng cho các luồng lưu lượng người dùng Đơn điểm hoặc đa điểm có thểđược dùng cho truyền dẫn.

Tuynhiên

Thực thể quản lí Lớp con phần chung MAC Lớp con bảo mật

Thực thể quản lí

PHY

Thực thể quản lí Lớp con hội tụ dịch vụ đặc biệt SSCS

Lớp con bảo mật (MAC SS)

Lớp vật lí (PHY)

Lớp con hội tụ dịch vụ đặc biệt (MAC SSCS)

Hình 2.3: Phân lớp MAC và các chức năng

chúng ta sẽ không đi sâu vào cấu trúc của từng phân lớp con mà sẽ xem xét các đặc tínhcủa lớp MAC nói chung theo cách phân chia như sau:

2.3.1 Dịch vụ lập lịch MAC

Dịch vụ lập lịch MAC WiMAX di động được thiết kế để phân phát hiệu quả các dịch

vụ số liệu băng rộng bao gồm thoại, dự liệu, và video với kênh vô tuyến băng rộng thayđổi theo thời gian Dịch vụ lập lịch MAC có các thuộc tính sau:

 Bộ lập lịch số liệu nhanh: Bộ lập lịch MAC phải phân bổ hiệu quả nguồn tài

nguyên khả dụng đáp ứng lại với lưu lượng số liệu bursty và điều kiện kênh thayđổi theo thời gian Bộ lập lịch ngồi tại mỗi trạm gốc cho phép phản hồi nhanh hơnvới yêu cầu lưu lượng và điều kiện kênh Gói số liệu được đưa vào các luồng dịch

vụ với tham số QoS trong lớp MAC để người lập lịch có thể quyết định trật tựtruyền gói qua giao diện vô tuyến Kênh CQICH cung cấp phản hồi thông tin kênhnhanh để cho phép bộ lập lịch lựa chọn mã hoá thích hợp và điều chế cho mỗi trạmgốc Điều chế/ mã hoá thích ứng kết hợp với HARQ cung cấp truyền dẫn mạnh quakênh thay đổi theo thời gian

 Lập lịch cho cả DL và UL: Dịch vụ lập lịch được cung cấp cho cả lưu lượng DL

và UL Để bộ lập lịch MAC phân bổ nguồn tài nguyên hiệu quả và cung cấp QoSmong muốn trong UL, UL phải phản hồi chính xác và thông tin kịp thời đối vớikhía cạch điều kiện lưu lượng và yêu cầu về QoS Các cơ chế yêu cầu băng tần đađường lên như là yêu cầu băng tần thông qua một khoảng kênh, yêu cầu

“piggyback” và “polling” được thiết kế để hỗ trợ yêu cầu băng tần UL Luồng dịch

vụ UL xác định cơ chế phản hồi cho mỗi kết nối đường lên để đảm bảo bộ lập lịch

UL có thể tiên đoán được Hơn nữa, với kênh con UL trực giao, không có xuyênnhiễu từ cell ngoài Lập lịch UL có thể phân bổ nguồn tài nguyên hiệu quả hơn vàtham số QoS tốt hơn

 Sự phân bổ nguồn tài nguyên động: MAC hỗ trợ sự phân bổ nguồn tài nguyên

đối với DL và UL trên mỗi khung Sự phân bổ nguồn tài nguyên được phân pháttrong bản tin MAP tại bắt đầu mỗi khung Do đó, sự phân bổ nguồn tài nguyên cóthể được thay đổi từ khung–khung theo các điều kiện về kênh và lưu lượng Hơn

đến toàn bộ khung Sự phân bổ nguồn tài nguyên hạt tốt và nhanh cho phép QoStốt hơn cho lưu lượng số liệu.

 QoS oriented: Bộ lập lịch MAC xử lý truyền tải số liệu trên mỗi kết nối-kết nối.

Mỗi kết nối được kết hợp với dịch vụ số liệu đơn với một tập hợp các tham sốQoS Với khả năng nguồn tài nguyên được phân bổ động trong cả DL và UL, bộlập lịch có thể hỗ trợ QoS cho cả lưu lượng DL và UL Cụ thể với lập lịch kênhlên-nguồn tài nguyên đường lên được phân bổ hiệu quả, QoS là tốt hơn

 Lập lịch lựa chọn tần: Bộ lập lịch có thể hoạt động trên các kiểu khác nhau của

kênh con Kênh con đảo tần số như là hoán vị PUSC, nơi mà sóng mang con trongcác kênh con được phân bố giả ngẫu nhiên trên băng tần, kênh con có chất lượngtương tự Lập lịch đa dạng tần số có thể hỗ trợ QoS với tính hạt tốt và nguồn tàinguyên thời gian tần số mềm dẻo Với sự hoán vị liền kề như hoán vị AMC, kênhcon có thể trải qua các cường độ khác nhau Lập lịch lựa chọn tần số có thể phân

bổ các thuê bao di động tới kênh con mạnh nhất Lập lịch lựa chọn tần số có thểtăng cường khả năng hệ thống với sự tăng lên vừa phải trong tiêu đề CQI trong

để được phân phát qua kết nối Tham số QoS được kết hợp với luồng dịch vụ xác định thứ

tự truyền dẫn qua môi trường vô tuyến Do đó, QoS định hướng kết nối có thể cung cấpđiều khiển chính xác qua giao diện vô tuyến Do giao diện vô tuyến thường là nút cổ chai,QoS định hướng kết nối có thể cho phép hiệu quả qua điều khiển QoS end-to-end

Bảng 2.3: Các dịch vụ trong QoS

2.3.3 Quản lý nguồn

WiMAX di động hỗ trợ 2 chế độ cho hoạt động hiệu quả nguồn: chế độ sleep và chế

độ idle Chế độ “sleep” là một trạng thái trong đó MS điều khiển một giai đoạn tiền thoảthuận về sự vắng mặt sự phục vụ của giao diện vô tuyến trạm gốc Giai đoạn này đượcđặc trưng hoá bởi tính không khả dụng của MS, như được quan sát từ sự phục vụ của trạmgốc, lưu lượng DL hoặc UL Chế độ sleep cho phép tối ưu công suất MS và tối ưu sự sửdụng của nguồn giao diện vô tuyến trạm gốc Chế độ sleep cũng cung cấp sự mềm dẻocho MS để quét các trạm gốc khác để thu thập thông tin để hỗ trợ handoff qua chế độsleep

Chế độ Idle cung cấp cơ chế cho MS để trở thành khả dụng tuần hoàn cho bản tinlưu lượng quảng bá mà không đăng ký tại một trạm gốc cụ thể nào như khi MS nằm trongmôi trường liên kết vô tuyến được chiếm giữa bởi nhiều trạm gốc Chế độ idle mang lạilợi ích cho MS bởi việc không cần yêu cầu cho handoff và hoạt động bình thường khác vàlợi ích cho mạng và trạm gốc bởi sự loại bỏ giao diện vô tuyến và lưu lượng handoffmạng từ sự không hoạt động của MS trong khi vẫn cung cấp một phương pháp đơn giản

và kịp thời cho cảnh báo MS về pending lưu lượng DL

2.3.4 Quản lý di động

Có 3 phương pháp handoff được hỗ trợ trong chuẩn 802.16e: handoff cứng (hard)(HHO-Hard Handoff), chuyển mạch trạm gốc nhanh (FBSS- Fast Base Station Switching)

và handover chuyển giao phân tập vĩ mô (MDHO - Macro Diversity Handover)

Trong những phương pháp handoff trên, HHO là bắt buộc trong khi FBSS vàMDHO là 2 chế độ tuỳ chọn Diễn đàn WiMAX đang phát triển các yêu cầu kỹ thuật choviệc tối ưu handoff cứng trong khung của chuẩn 802.16e Những cải tiến này được pháttriển với mục tiêu là giữ cho độ trễ lớp 2 của handoff là bé hơn 50 ms

Chuyển giao nhanh trong Wimax chỉ có thể thực hiện giữa các BS nằm trong cái gọi

là Diversity Set – là tập hợp các BS hoạt động trong cùng tần số, có SINR đủ lớn để MS

có thể kết nối được và đặc biệt là chúng phải đồng bộ Trong Diversity Set này thì chỉ có

1 BS được gọi là anchor (BS chủ lực, hay còn gọi là điểm kết nối, khớp) Sự khác nhaugiữa MDHO và FBSS là ở chổ: đối với FBSS, MS chỉ trao đổi thông tin dữ liệu thông qua

BS anchor thôi, còn MDHO thì MS truyền lưu lượng dữ liệu qua tất cả các BS nằm trongDiversity Set

Khi FBSS được hỗ trợ, MS và BS duy trì một danh sách các BS mà nó liên quan đếnFBSS với MS Tập hợp này được gọi là tập hợp tích cực Trong FBSS, MS tiếp tục giámsát trạm gốc trong tập hợp tích cực Giữa MS trong tập hợp tích cực, một BS “anchor”được xác định Khi hoạt động trong FBSS, MS chỉ truyền thông với BS “anchor” cho bảntin đường lên và đường xuống bao gồm quản lý và kết nối lưu lượng Chuyển dịch từ một

BS “Anchor” tới một BS khác (ví dụ chuyển mạch BS) được thực hiện mà không cần đềbản tin báo hiệu HO bắt buộc Thủ tục cập nhập “Anchor” được thực hiện bởi độ dài tínhiệu truyền thông của BS phục vụ thông qua kênh CQI Chuyển giao FBSS bắt đầu với

đổi trong một tập hợp tích cực MS thông báo NS được lựa chọn và thủ tục cập nhập tậphợp tích cực MS quét các BS lân cận và lựa chọn từ những BS này ra các BS phù hợp vàthủ tục cập nhập tập hợp tích cực được thực hiện bởi BS và MS MS tiếp tục giám sát độdài tín hiệu của BS mà trong tập hợp tích cực và lựa chọn một BS từ một tập hợp để trởthành BS “anchor” MS thông báo BS “anchor” được lựa chọn trên CQICH hoặc MS bắtđầu bản tin yêu cầu HO Một yêu cầu quan trọng của FBSS là các số liệu được truyềnđồng thời tới tất cả các thành viên của tập hợp tích cực của BS mà cho phép phục vụ MS.Với MS và BS mà hỗ trợ MDHO, MS và BS duy trì một tập tích cực các BS mà liênquan đến MDHO trong MS Giữa các BS trong tập hợp tích cực, BS “anchor” được xácđịnh Khi hoạt động trong chế độ MDHO, MS truyền thông với tất cả BS trong tập hợptích cực của bản tin unicast đường lên và đường xuống và lưu lượng MDHO bắt đầu khi

MS quyết định truyền hoặc nhận bản tin unicast và lưu lượng từ nhiều BS trong cùng mộtkhoảng thời gian Cho MDHO đường xuống, 2 hoặc nhiều BS cung cấp truyền dẫn đồng

bộ cho số liệu đường xuống MS mà kết hợp đa dạng được thực hiện tại MS Cho MDHOđường lên, truyền dẫn từ một MS được nhận bởi đa BS trong khi sự đa dạng lựa chọntrong thông tin nhận được được thực hiện

Các khía cạnh sử dụng cho các đặc điểm an ninh là:

 Giao thức quản lý chìa khoá: giao thức quản lý chìa khoá phiên bản 2 (PKM v2)

là thành phần cơ bản trong an ninh WiMAX di động được xác định trong 802.16e.Giao thức này quản lý an ninh MAC sử dụng bản tin PMK-REQ/RSP, nhật thựcPMK EAP, điều khiển mã hoá lưu lượng, trao đổi chìa khoá handover và tất cả bảntin an ninh multicast/broadcast được dựa trên giao thức này

 Nhật thực thiết bị/ người sử dụng: WiMAX di động hỗ trợ nhật thực thiết bị và

người sử dụng sử dụng giao thức IETF EAP bằng việc cung cấp hỗ trợ

“credentials” được dựa trên SIM, hoặc dựa trên USIM hoặc chứng nhận số hoặcdựa trên tên người sử dụng/mật khẩu Tương ứng với phương pháp nhật thực EAP-

SIM, EAP-AKA, EAP-TLS, EAP-MSCHAPv2 được hỗ trợ thông qua giao thứcEAP

 Mã hoá lưu lượng: AES-CCM là một mã hoá được sử dụng để bảo vệ tất cả số

liệu người sử dụng qua giao diện WiMAX MAC di động “Chìa khoá” được sửdụng cho mã hoá được tạo ra từ việc nhật thực EAP

 Bảo vệ bản tin điều khiển: số liệu điều khiển được bảo vệ bằng việc sử dụng AES

hoặc sử dụng CMAC hoặc sơ đồ HMAC dựa trên MD5

 Hỗ trợ chuyển vùng nhanh: Một sơ đồ bắt tay 3 bước được hỗ trợ bởi WiMAX

di động để tối ưu cơ chế nhật thực lại cho hỗ trợ chuyển vùng nhanh Cơ chế nàycũng hữu ích trong việc chống lại việc tấn công giữa chừng bởi “con người”

“hacker”

2.3.6 Truy nhập kênh truyền

Khi một MS mở máy nó sẽ tiến hành các bước sau để kết nối với trạm BS như được

mô tả ở hình dưới đây

 Thực hiện quá trình tìm kiếm và đồng bộ hóa với các BS mà nó thu được sóngradio Để thực hiện được điều này, các MS sẽ tiến hành scan các tần số DL (đã biếttrước), lắng nghe các DL preamble phát ra từ các BS và đồng bộ hóa dựa vào cácthông điệp điều khiển

 Tiếp theo MS nhận biết các thông số uplink bằng cách lắng nghe các UL-MAP

 MS thực hiện quá trình ranging Cái này giống như power control trong mạngthông tin di động tế bào

 MS thỏa thuận về việc thuê nhận băng thông với BS cũng như các thông tin về profile

 MS thực hiện quá trình nhận thực, trao đổi khóa và tiến hành đăng ký truy nhậpvào mạng Kết nối IP được thiết lập

 Luồng dịch vụ có thể bắt đầu được trao đổi

Hình 2.5: Các bước kết nối với trạm BS

2.4 Các đặc điểm cải tiến của WiMAX di động

2.4.1 Công nghệ anten thông minh

2.4.1.1 MIMO

Kỹ thuật MIMO trong lĩnh vực truyền thông là kỹ thuật sử dụng nhiều anten phát vànhiều anten thu để truyền dữ liệu MIMO technique tận dụng sự phân cực (không gian,thời gian, mã hóa ) nhằm nâng cao chất lượng tín hiệu, tốc độ dữ liệu Kỹ thuật MIMOngày nay đang được ứng dụng rất rộng rãi: MIMO-Wifi, MIMO-UMTS nhờ tính tối ưutrong việc sử dụng hiệu quả băng thông, tốc dộ dữ liệu cao, robust với kênh truyền fading

Hình 2.6 : Kỹ thuật MIMO

Kỹ thuật MIMO tương đối đa dạng và phức tạp Trong WiMAX, người ta sử dụng

mã hóa thời gian không gian nhằm làm giảm quỹ dự trữ yêu cầu và tránh nhiễu Đối vớiphân tập phát, rất nhiều các phương pháp đã được kết hợp nhằm cải thiện khả năng của hệthống

2.4.1.2 Công nghệ Anten thông minh

Công nghệ an ten thông minh điển hình liên quan đến véc tơ phức hoặc hoạt động matrận của tín hiệu bởi nhiều an ten OFDMA cho phép các hoạt động an ten thông minhđược thực hiện trên các sóng mang con véc tơ phẳng Sự cân bằng phức không được yêucầu để bù cho fading theo tần số Do đó, OFDMA là phù hợp tốt với sự hỗ trợ công nghệ

an ten thông minh Thực tế, MIMO-OFDM/OFDMA được xem như là một nền móng cho

hệ thống truyền thông băng rộng thế hệ tiếp theo WiMAX di động hỗ trợ một khoảngrộng các công nghệ an ten thông minh để tăng cường khả năng thực hiện của hệ thống.Công nghệ an ten thông minh hỗ trợ bao gồm:

 Beamforming: với beamforming, hệ thống sử dụng nhiều ăn ten để truyền tín hiệu

với mục đích cải thiện vùng phủ và khả năng của hệ thống