Đồ án Nghiên cứu công nghệ WiMAX và ứng dụng

ạm thuê bao. Điều này có nghĩa là IEEE 802.16 được xác định một cách duy nhất để mở rộng vô tuyến băng rộng ra xa những giới hạn của các hệ thống ngày nay, cả về khoảng cách và khả năng hỗ trợ các ứng dụng. Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu công nghệ WiMAX và ứng dụng GVHD: ThS. Võ Trường Sơn 42 SVTH: Lê Thị Kim Cương 3.6.2 Chất lượng dịch vụ Khả năng thoại thì vô cùng quan trọng, đặc biệt ở thị trường quốc tế sâu xa. Chính nguyên nhân này làm cho chuẩn IEEE 802.16a bao gồm các đặc trưng chất lượng dịch vụ để cho phép các dịch vụ bao gồm thoại và video yêu cầu trễ thấp. 3.6.3 Liên kết thích nghi Cung cấp độ tin cậy cao Điều chế và mã hoá thích nghi – subscriber-by- subscriber, burst by burst, đường lên và đường xuống. Sự thích nghi truyền dẫn với điều chế phụ thuộc vào điều kiện kênh, cung cấp độ tin cậy cao đến hệ thống. Giữ cho nhiều người sử dụng hơn được kết nối bởi việc sử dụng độ rộng kênh linh hoạt và điều chế thích nghi của nó. Bởi vì nó sử dụng các kênh hẹp hơn các kênh cố định 20 MHz được sử dụng ở 802.11, chuẩn 802.16-2004 có thể phục vụ các thuê bao tốc độ dữ liệu thấp hơn mà không lãng phí băng thông. Điều chế thích nghi cho phép trạm gốc điều chỉnh thông lượng. Cho ví dụ, nếu trạm gốc không thể thiết lập một liên kết thiết thực đến một thuê bao xa bằng cách sử dụng kế hoạch điều chế bậc cao nhất, 64 QAM (điều chế biên độ cầu phương), bậc điều chế được giảm đến 16 QAM hoặc QPSK (khoá dịch pha cầu phương), nó cho phép giảm thông lượng và tăng phạm vi khoảng cách hiệu quả. 3.6.4 Hỗ trợ tầm nhìn không thẳng Cung cấp thị trường rộng hơn và chi phí thấp hơn Điểm dịch vụ tầm nhìn thẳng LOS là một anten cố định trên đỉnh của một ngôi nhà hoặc công ty ở một kết nối không dây cho phép toà tháp có khả năng kết nối mạnh và ổn định khi gửi một lượng lớn dữ liệu với suy hao và lỗi ít. Truyền dẫn LOS sử dụng tần số cao hơn như 60-100 GHz, cho phép nhiễu thấp và băng thông cao. WiMAX giải quyết và làm nhẹ các vấn đề gây ra từ điều kiện NLOS bằng cách sử dụng: cấp phát nhiều tần số hỗ trợ từ 2-11 GHz – OFDM và OFDMA cho các ứng dụng NLOS (phổ được cấp phép và không được cấp phép), chia kênh, anten định Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu công nghệ WiMAX và ứng dụng GVHD: ThS. Võ Trường Sơn 43 SVTH: Lê Thị Kim Cương hướng, phân tập phát và thu, điều chế thích nghi, công nghệ sửa lỗi và điều khiển công suất. WiMAX cung cấp cả dịch vụ LOS và NLOS. Các trạm truyền dẫn LOS WiMAX gửi dữ liệu đến các máy tính được cho phép WiMAX hoặc các router trong bán kính 30 dặm (có lẽ là 3600 dặm vuông hoặc 9300 km vuông của vùng phủ). 3.6.5 Việc sử dụng phổ hiệu quả cao Cung cấp hiệu suất cao MAC được thiết kế cho việc sử dụng hiệu quả phổ. Hiệu quả phổ, có thể được xác định như thông tin được chuyển đi trên một đơn vị phổ và được đo bằng bits/s/Herzt/cell, chịu ảnh hưởng bởi các nhân tố khác nhau bao gồm: • Phương pháp đa truy cập • Phương pháp điều chế • Tổ chức kênh • Việc sử dụng lại tài nguyên (mã, khe thời gian, sóng mang) Hiệu quả phổ đóng vai trò quan trọng trong việc quyết định công nghệ, cấu hình, đặc điểm kỹ thuật và các thông số thiết kế khác của mạng không dây băng rộng (thậm chí mạng băng hẹp hoặc không dây thoại khác). Vài điều quan trọng liên quan đến chi phí, phụ thuộc vào hiệu quả của việc sử dụng phổ là: • Số lượng lớn phổ được yêu cầu (CapEx) • Số lượng vị trí, trạm gốc và bảo dưỡng được liên kết (CapEx, OpEx). 3.6.6 Băng thông kênh linh hoạt Cung cấp băng thông theo yêu cầu và tỉ lệ Khi khoảng cách giữa thuê bao và trạm gốc (hoặc AP) tăng, hoặc khi thuê bao bắt đầu di chuyển bằng đi bộ hoặc khi đang lái xe hơn, nó trở thành một thách thức Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu công nghệ WiMAX và ứng dụng GVHD: ThS. Võ Trường Sơn 44 SVTH: Lê Thị Kim Cương cho thuê bao để phát thành công trở về trạm gốc với mức công suất đã cho. Với laptop hoặc thiết bị cầm tay, chúng thường không có khả năng phát đến trạm gốc qua khoảng cách dài nếu băng thông kênh rộng. Chuẩn IEEE 802.16-2004 và 802.16e có các băng thông kênh linh hoạt giữa 1.5 và 20 MHz để thuận tiện cho việc truyền dẫn qua khoảng cách dài hơn và đến các loại khác nhau của thuê bao. Thêm vào đó, sự linh hoạt của băng thông kênh cũng quyết định cho việc lập kế hoạch cell, đặc biệt trong phổ tần được cấp phép. 3.6.7 Hỗ trợ anten thông minh Cung cấp thông lượng tốt hơn liên quan vùng phủ Anten thông mình đang được sử dụng để gia tăng mật độ phổ (đó là, số bit nó có thể được thông tin qua kênh đã cho trong thời gian đã cho) và để gia tăng tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) cho cả giải pháp WiMAX (có thể được sử dụng cho công nghệ không dây khác như Wi-Fi). Trong đó, anten thông minh mở rộng khoảng cách, duy trì công suất và cải thiện bảo mật. Anten thông minh cải thiện vùng phủ đáng kể và dung lượng băng thông, thỉnh thoảng mở rộng xa hơn 100 lần so với anten đẳng hướng. Một anten thông minh bao gồm nhiều phần tử anten. Tín hiệu đến các phần tử này được tính toán và xử lý giúp anten xác định được hướng của nguồn tín hiệu, tập trung bức xạ theo hướng mong muốn và tự điều chỉnh theo sự thay đổi của môi trường tín hiệu. Công việc tính toán này đòi hỏi thời gian thực để anten thông minh có thể bám theo nguồn tín hiệu khi nó chuyển động. Vì vậy, anten thông minh còn được gọi là anten thích nghi. Anten thông minh có búp sóng hẹp hơn và tính định hướng cao hơn anten thường. Thực ra, bản thân các phần tử anten không thông minh, mà sự thông minh được tạo ra do quá trình xử lý số các tín hiệu đến các phần tử anten, quá trình kết hợp tín hiệu và sau đó bức xạ theo một hướng đặt biệt được gọi là beam-forming. Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu công nghệ WiMAX và ứng dụng GVHD: ThS. Võ Trường Sơn 45 SVTH: Lê Thị Kim Cương Một số ưu điểm chủ yếu của anten thông minh: • Cải thiện chất lượng tín hiệu của các hệ thống truyền thông vô tuyến bằng cách triệt can nhiễu, loại bỏ hiệu ứng đa đường, và thu phát đúng hướng mong muốn. • Cải thiện dung lượng hệ thống do tăng khả năng sử dụng lại tần số trong cùng một cell. • Công suất phát thấp, cho phép thời gian sử dụng năng lượng lâu hơn, và do đó có thể giảm kích thước và khối lượng của các thiết bị đầu cuối. Hơn nữa, việc phát công suất thấp sẽ làm giảm ảnh hưởng đến các kênh kế cận. • Anten thông minh thích hợp với hầu hết các hệ thống anten vô tuyến hiện nay. Hình 3.4 – Làm việc với anten thông minh 3.6.8 Các kỹ thuật phát hiện lỗi Cung cấp hiệu suất tốt hơn Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu công nghệ WiMAX và ứng dụng GVHD: ThS. Võ Trường Sơn 46 SVTH: Lê Thị Kim Cương Các kỹ thuật phát hiện lỗi đã được áp dụng chặt chẽ trong WiMAX để giảm yêu cầu tỉ số tín hiệu trên nhiễu hệ thống. Phát hiện lỗi trước (FEC), mã hoá Convolutional và các thuật toán xen rẽ được sử dụng để tìm và phát hiện lỗi nhằm cải thiện dung lượng. Các kỹ thuật phát hiện lỗi này giúp phục hồi các khung bị lỗi có thể bị mất do phađing lựa chọn tần số hoặc lỗi cụm. Yêu cầu phát lại tự động (ARQ) được sử dụng để phát hiện lỗi mà không được phát hiện bởi FEC, bằng cách gửi lại thông tin bị lỗi. Điều này cải thiện đáng kể tỉ số lỗi bit (BER). 3.6.9 Điều khiển công suất Cung cấp hiệu quả công suất tốt hơn Các thuật toán điều khiển công suất được sử dụng để cải thiện toàn bộ công suất của hệ thống, trạm gốc gửi thông tin điều khiển công suất đến mỗi CPE để điều chỉnh mức công suất phát, đảm bảo mức công suất nhận được ở trạm gốc là xác định trước. Trong môi trường phađing, mức công suất được xác định trước có nghĩa là CPE chỉ phát đủ công suất để có thể kết nối trong điều kiện tệ nhất. Điều khiển công suất giảm toàn bộ công suất tiêu thụ của CPE và nhiễu với các trạm gốc đồng vị trí khác. Với LOS, công suất phát của CPE phụ thuộc vào khoảng cách của nó từ trạm gốc, với NLOS nó cũng phụ thuộc vào khoảng cách và chướng ngại vật. 3.6.10 Bảo mật dữ liệu Cung cấp thông tin được bảo mật WiMAX đảm bảo trao đổi dữ liệu được bảo mật bao gồm: nhận thực bằng cách trao đổi chứng nhận để ngăn chặn các thiết bị xấu, chứng thực người dùng bằng cách sử dụng giao thức nhận thực mở rộng (EAP), mật mã hoá dữ liệu bằng cách sử dụng chuẩn mật mã hoá dữ liệu (DES) hoặc chuẩn mật mã hoá tiến bộ (AES). 3.6.11 Công nghệ ghép kênh WiMAX sử dụng OFDM (Orthogonal Frenquency Division Multiplexing – ghép kênh phân chia theo tần số trực giao), một kỹ thuật đa sóng mang cho phép Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu công nghệ WiMAX và ứng dụng GVHD: ThS. Võ Trường Sơn 47 SVTH: Lê Thị Kim Cương truyền dẫn băng rộng trong môi trường di động với ảnh hưởng đa đường ít hơn tín hiệu đơn với điều chế băng thông rộng. Hình 3.5 – Dạng sóng OFDM OFDM phát dữ liệu theo cách song song bằng cách phân phối nó trên một số lượng lớn sóng mang (tone). Để duy trì sự trực giao giữa các tone, các tone này được phân biệt bởi một tần số chính xác. Một tiền tố tuần hoàn được thêm vào, có độ dài lớn hơn khoảng trễ được mong đợi. Tone với mã thích hợp và tần số xen kẽ, được trực giao với mỗi tone khác qua khoảng ký tự OFDM trong khi đa đường trở thành một hệ thống OFDM, có ưu điểm của việc phân tập tần số. OFDM có thể được thực thi hiệu quả bằng cách sử dụng biến đổi Fourier nhanh (FFTs) ở đầu phát và đầu nhận. Ở đầu nhận, biến đổi Fourier nhanh giảm đáp ứng kênh trong một hằng số nhân lên trên cơ sở tone-by-tone. Với MIMO, đáp ứng kênh trở thành một ma trận. Kể từ khi mỗi tone có thể được cân bằng một cách độc lập, độ phức tạp của bộ cân bằng không gian-thời gian bị huỷ bỏ. Đa đường vẫn còn một ưu điểm khi việc lựa chọn tần số gây ra bởi đa đường cải thiện việc phân phối hàng ngũ các ma trận kênh xuyên qua các tone tần số, do đó làm tăng dung lượng. Điều chế/giải điều chế một cách đồng thời của dữ liệu trên các sóng mang này được thực hiện hiệu quả bởi IFFT/FFT, được thực hiện bằng cách sử dụng các bộ xử lý tín hiệu số tốc độ cao (DSP). Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu công nghệ WiMAX và ứng dụng GVHD: ThS. Võ Trường Sơn 48 SVTH: Lê Thị Kim Cương Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) là một kỹ thuật truyền dẫn đa sóng mang đã được công nhận gần đây như một phương pháp thông minh cho truyền thông dữ liệu không dây hai hướng tốc độ cao. Đa truy cập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) cho phép sóng mang con được ấn định đến những người sử dụng khác nhau. Các nhóm này của sóng mang con được biết như kênh con. OFDMA tỉ lệ cho phép kích thước FFT nhỏ hơn để cải thiện công suất (hiệu suất) cho các kênh băng thông thấp hơn. Điều này ứng dụng cho IEEE 802.16-2004, hiện nay có thể giảm kích thước FFT từ 2048 đến 128 để xử lý băng thông kênh trong dải từ 1.25-20 MHz. Điều này cho phép khoảng cách sóng mang con vẫn còn là một hằng số độc lập của băng thông, nó làm giảm độ phức tạp trong khi cũng cho phép FFT lớn hơn cho công suất được tăng với các kênh rộng. OFDM và FDM OFDM tương tự như FDM. OFDM dựa trên ghép kênh phân chia theo tần số (FDM) nhưng OFDM có hiệu quả phổ hơn. FDM là một công nghệ sử dụng nhiều tần số để truyền đồng thời nhiều tín hiệu song song. Mỗi tín hiệu có dải tần số riêng của nó (sóng mang con), nó sau đó được điều chế bởi dữ liệu. Mỗi sóng mang con được phân biệt bởi một băng tần bảo vệ để đảm bảo chúng không bị trùng lấp. Các sóng mang con này sau đó được giải điều chế ở đầu nhận bằng cách sử dụng bộ lọc để phân biệt các băng tần. OFDM có hiệu quả phổ hơn FDM được tạo ra bởi khoảng cách của các kênh con có thể chồng lên nhau (cho đến khi chúng thật sự chống lấp lên nhau). Điều này tạo ra bởi việc tìm kiếm các tần số mà ở đó chúng trực giao, điều này có nghĩa là chúng vuông góc theo nghĩa toán học, cho phép phổ của mỗi kênh con chồng lấp lên kênh con khác mà không nhiễu với nó. Điều này làm băng thông được yêu cầu giảm một cách đáng kể bởi việc loại bỏ băng tần bảo vệ và cho phép tín hiệu chồng lên nhau. Để giải điều chế tín hiệu, một biến đổi Fourier rời rạc (DFT) thì cần thiết. Các chip biến đổi Fourier nhanh (FFT) thì có giá trị về mặt thương mại. Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu công nghệ WiMAX và ứng dụng GVHD: ThS. Võ Trường Sơn 49 SVTH: Lê Thị Kim Cương Hình 3.6 – Kênh OFDM Sự lựa chọn OFDM như một công nghệ truy cập dựa trên cả nghiên cứu lớp vật lý và MAC, yêu cầu lớp liên kết và lớp mạng. OFDM cho phép tạo ra kiến trúc hệ thống linh hoạt, nó có thể được sử dụng một cách hiệu quả cho phạm vi rộng của dịch vụ, bao gồm cả thoại và dữ liệu. OFDM chống lại phađing lựa chọn tầ nsố bằng cách chia kênh thành nhiều kênh con nhỏ hơn. Các băng thông kênh con hẹp làm cho mỗi kênh con này trải qua phading phẵng trong phương tiện truyền dẫn. Ưu điểm chính của việc sử dụng OFDM là do tính trực giao, hệ thống không chịu nhiễu liên sóng mang (ICI-inter carrier interference) và nhiễu liên ký tự (ISI – Inter symbol interference). OFDM nén một cách hiệu quả nhiều sóng mang được điều chế một cách chặt chẽ với nhau, làm giảm băng thông yêu cầu nhưng giữ tín hiệu điều chế trực giao để chúng không bị nhiễu lẫn nhau. Người sử dụng được phân phát dung lượng trong một hoặc nhiều hơn một nhóm các tone, mỗi người sử dụng có số định rõ các tone. Ưu điểm khác của OFDM là không bị ảnh hưởng bởi đa đường (nhiều đường tín hiệu bị phản xạ đập vào đầu thu). OFDM lý tưởng trong môi trường vô tuyến di Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu công nghệ WiMAX và ứng dụng GVHD: ThS. Võ Trường Sơn 50 SVTH: Lê Thị Kim Cương động, trong khi hiệu quả phổ cao của OFDM làm nó là một công nghệ vô cùng phù hợp để đáp ứng nhu cầu lưu lượng dữ liệu không dây. 3.6.12 Công nghệ điều chế Điều chế là quá trình bằng cách đó sóng mang có thể mang thông điệp hoặc tín hiệu số (chuỗi các bit 1 và 0). Có ba phương pháp điều chế cơ bản: Khoá dịch biên độ (ASK), khoá dịch tần số (FSK), khoá dịch pha (PSK). Bậc điều chế cao hơn cho phép chúng ta mã hoá nhiều bit trên ký tự hơn hoặc chu kỳ (thời gian) lớn hơn. Trong trường hợp của WiMAX, ASK và PSK có thể được kết hợp để tạo ra QAM, ở đó cả pha và biên độ đều bị thay đổi. Đầu thu nhận tín hiệu được điều chế, dò tìm các sự thay đổi vị trí và giải điều chế tín hiệu trở về luồng dữ liệu ban đầu. Kế hoạch giải điều chế được thực hiện bởi trạm gốc, phụ thuộc vào khoảng cách đến khách hàng, cũng như thời tiết, nhiễu tín hiệu, và các nhân tố tạm thời khác. 802.16 hỗ trợ “điều chế thích nghi”, điều này cho phép nó tăng vùng phủ ở nơi cần thiết, khi đó dung lượng giảm. Điều chế bậc cao (chẳng hạn 64 QAM hoặc QAM) cung cấp thông lượng cao ở vùng phủ nhỏ, trong khi điều chế bậc thấp hơn (chẳng hạn 16 QAM) cung cấp thông lượng thấp hơn ở vùng phủ cao hơn, từ một trạm gốc. Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu công nghệ WiMAX và ứng dụng GVHD: ThS. Võ Trường Sơn 51 SVTH: Lê Thị Kim Cương Hình 3.7 - Điều chế thích nghi Điều chế thích nghi Điều chế thích nghi và mã hoá, đặc tính chủ yếu của thiết kế lớp vật lý WiMAX cho phép các tốc độ dữ liệu khác nhau được ấn định cho người dùng khác nhau phụ thuộc vào điều kiện kênh của họ. Khi các điều kiện kênh thay đổi theo thời Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu công nghệ WiMAX và ứng dụng GVHD: ThS. Võ Trường Sơn 52 SVTH: Lê Thị Kim Cương gian, đầu thu chọn một bộ thống kê kênh, nó được sử dụng ở cả đầu phát và đầu thu để tối ưu hoá các thông số hệ thống như điều chế và mã hoá, băng thông tín hiệu, công suất tín hiệu, chu kỳ, bộ lọc ước lượng kênh, điều khiển độ lợi tự động,… Điều chế bậc khác nhau cho phép việc gửi nhiều bit trên ký tự hơn do đó tạo ra thông lượng cao hơn hoặc hiệu quả phổ tốt hơn. Tuy nhiên, cũng phải chú ý rằng việc sử dụng kỹ thuật điều chế như 64 QAM cần dựa vào tỉ số tính hiệu trên nhiễu (SNR) và duy trì tỉ số lỗi bit BER chắc chắn. Cả QAM và QPSK đều là các kỹ thuật điều chế được sử dụng trong IEEE 802.16 (WiMAX), chúng cũng được sử dụng trong các công nghệ không dây IEEE 802.11 (Wi-Fi), và 3G (WCDMA/HSPDA). Việc sử dụng điều chế thích nghi cho phép các công nghệ không dây tối ưu thông lượng, thông lượng cao hơn với khoảng cách dài hơn. 3.6.13 Công nghệ song công Song công được đề cập như quá trình tạo ra các kênh hai hướng cho truyền dẫn dữ liệu đường lên và đường xuống. Song công phân chia theo thời gian (TDD) và song công phân chia theo tần số (FDD) đều được hỗ trợ bởi chuẩn 802.16-2004. FDD không giống TDD yêu cầu hai đôi kênh được phân tách để giảm đến mức thấp nhất nhiễu, một để phát và một để nhận. Hầu hết băng tần FDD được chỉ định cho thoại, bởi vì kiến trúc hai hướng của FDD cho phép thoại được xử lý với trễ nhỏ nhất trong khi TDD hiệu quả hơn cho IP hoặc dữ liệu. IEEE chỉ rõ cả hai lựa chọn FDD và TDD: FDD • Hỗ trợ các dịch vụ • Chỉ có lưu lượng đối xứng • Không linh hoạt để triển khai • Hiệu suất thấp hơn (HD-FDD) Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu công nghệ WiMAX và ứng dụng GVHD: ThS. Võ Trường Sơn 53 SVTH: Lê Thị Kim Cương • Cần thiết có một băng tần bảo vệ TDD • Hiệu quả cho hệ thống dựa trên IP • Đối xứng và không đối xứng • Linh hoạt, băng tần đơn được yêu cầu • Hiệu suất cao, gấp đôi băng thông • Khả năng thích ứng với việc xử lý tín hiệu tiến bộ (chẳng hạn AAS) Cả hệ thống FDD và TDD có thể cùng tồn tại. 3.7 Các chuẩn WiMAX Chuẩn IEEE 802.16 – 2001: Là bộ tiêu chuẩn đầu tiên IEEE 802.16 về “Giao diện vô tuyến cho hệ thống truy cập vô tuyến băng rộng cố định hoạt động ở băng tần 10-66 GHz” được chấp nhận vào 12/2001 và được công bố vào ngày 8/4/2002. Tiêu chuẩn này định nghĩa giao diện không gian của mạng MAN không dây và xác định các đặc tính tầng vật lý (PHY), tầng điều khiển truy cập trung gian (MAC) của các hệ thống BWA. Ở băng tần 10-66GHz, truyền dẫn yêu cầu tầm nhìn thẳng (LOS). Chuẩn IEEE 802.16a: Nhóm nghiên cứu bổ sung sửa đổi chuẩn 802.16 mở rộng sang băng tần cấp phép và không cấp phép từ 2-11 GHz và đã được nhóm làm việc IEEE 802.16 và sau đó là Ủy ban quản lý IEEE 802 chấp nhận vào 29/1/2003 và được công bố vào 01/04/2003. Tiêu chuẩn này cho phép người sử dụng kết nối băng rộng với trạm gốc mà không cần tầm nhìn thẳng (NLOS). Đưa vào áp dụng OFDM 256FFT cho giao diện vô tuyến. Chuẩn IEEE 802.16c: Nhóm nghiên cứu bổ sung sửa đổi chuẩn IEEE 802.16 phát triển profile hệ thống băng tần 10-66 GHz để hỗ trợ đặc điểm tương tác giữa các thành phần và đã được chấp nhận vào ngày 11/12/2002. Chuẩn IEEE 802.16-2004: Dự án 802.16d được thông qua vào ngày 11/09/2003 và công bố vào ngày 24/6/2004 thay thế các bộ tiêu chuẩn IEEE 802.16- 2001, IEEE 802.16c-2002 và IEEE 802.16a-2003. [1] 802.16d sử dụng phương thức Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu công nghệ WiMAX và ứng dụng GVHD: ThS. Võ Trường Sơn 54 SVTH: Lê Thị Kim Cương ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) như là một đặc tính lớp vật lý cho phép truyền thông NLOS dưới tần số 11GHz. Chuẩn IEEE 802.16-2005 (e): Dự án 802.16e về lớp MAC và lớp vật lý cho di động và cố định ở băng tần cấp phép, được chấp nhận vào 07/12/2005 và được công bố vào 01/2006[2]. Tiêu chuẩn này chính là sự mở rộng của tiêu chuẩn 802.16- 2004 cho di động. Hơn nữa, 802.16e hỗ trợ khả năng mở rộng cho OFDMA (Scalable-OFDMA), hỗ trợ hệ thống an ten MIMO (Multi input – Multi output) và các hệ thống anten thích ứng (AAS), cũng như chuyển vùng cứng và mềm. Tiêu chuẩn này cũng đã cải thiện về các khả năng tiết kiệm nguồn điện cho các thiết bị di động và các đặc tính bảo mật rộng hơn Điểm khác nhau giữa chuẩn 802.16d và 802.16e là trong OFDM, SS sử dụng tất cả các sóng mang con khả dụng tại một thời điểm, nhưng trong OFDMA, người dùng chỉ định một vùng đã được xác định cả về thời gian và tần số. Ngoài ra còn có các bản bổ xung 802.16f về quản lý thông tin và cấu trúc mạng hình lưới (mesh) được IEEE chấp nhận vào 22/09/2005 và công bố vào ngày 01/12/2005; Dự án 802.16g về quản lý thủ tục và dịch vụ, dự án 802.16h đang phát triển. Tóm lại, hệ thống chuẩn 802.16 cho phép SS truy nhập không dây băng rộng (BWA) ở tất cả các thời điểm và tại tất cả các vị trí: Cố định, lưu động, đi bộ hoặc di động ở tốc độ các phương tiện cơ giới (lên đến 125 km/h). Với quá trình chuẩn hóa các tiêu chuẩn về vô tuyến băng rộng như trên, đến nay có 2 tiêu chuẩn chính đã được chuẩn hóa và hiện đang được áp dụng trong qúa trình sản xuất, triển khai thử nghiệm các thiết bị WiMAX đó là tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004 (d) và IEEE 802.16-2005 (e). Trong đó tiêu chuẩn 802.16-2004 bao gồm 2 tiêu chuẩn chính là IEEE 802.16 và IEEE 802.16a. Tóm tắt các yêu cầu chính trong các tiêu chuẩn IEEE 802.16, IEEE 802.16d và IEEE 802.16e được cho như bảng 1.2 [20], [21]. Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu công nghệ WiMAX và ứng dụng GVHD: ThS. Võ Trường Sơn 55 SVTH: Lê Thị Kim Cương Bảng 3.1 Các số liệu cơ bản của chuẩn IEEE 802.16 802.16 802.16-2004 802.16e-2005 Trạng thái hoàn thành tháng 12 năm 2001 tháng 6 năm 2004 tháng 12 năm 2005 Dải tần 10GHz-66GHz 2GHz-11GHz 2GHz-11GHz với cố định; 2GHz-6GHz với di động. Điều kiện truyền LOS cố định NLOS cố định NLOS cố định và di động Kiến trúc MAC Point-to-point, lưới Point-to-point, lưới Point-to-point, lưới Phương thức truyền dẫn Đơn sóng mang đơn sóng mang, 256 OFDM hoặc 2,048 OFDM Đơn sóng mang, 256 OFDM hoặc S-OFDM với 128, 512, 1,024 hoặc 2,048 sóng mang con Điều chế QPSK, 16 QAM, 64 QAM QPSK, 16 QAM, 64 QAM QPSK, 16 QAM, 64 QAM Tốc độ dữ liệu 32 Mbps-134,4 Mbps 1 Mbps-75 Mbps 1 Mbps-75 Mbps Ghép Burst TDM/TDMA Burst TDM/TDMA/OFDMA Burst TDM/TDMA/OFDMA Phương thức song công TDD và FDD TDD và FDD TDD và FDD Độ rộng băng tần kênh 20MHz, 25MHz, 28MHz 1,75MHz, 3,5MHz, 7MHz, 14MHz, 1,25MHz, 5MHz, 1,75MHz, 3,5MHz, 7MHz, 14MHz, 1,25MHz, 5MHz, Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu công nghệ WiMAX và ứng dụng GVHD: ThS. Võ Trường Sơn 56 SVTH: Lê Thị Kim Cương 10MHz, 15MHz, 8,75MHz 10MHz, 15MHz, 8,75MHz Thiết kế giao diện vô tuyến WirelessMAN- SC WirelessMAN-Sca WirelessMAN-OFDM, WirelessMAN- OFDMA, WirelessHUMAN WirelessMAN-Sca, WirelessMAN-OFDM WirelessMAN- OFDMA, WirelessHUMAN Khoảng truyền 50 Km (Bán kính cell 1,7 -> 5 Km) 50 Km (Bán kính cell 5 -> 10 Km) ( Bán kính cell 1,7 -> 5 Km) Mức di động Cố định Cố định và xách tay Di động tới 120 km/h Triển khai WiMAX Không 256-OFDM cho WiMAX cố định OFDMA cho WiMAX di động 3.8 Các profile cơ bản WiMAX chỉ làm việc trên hai lớp đầu tiên của mô hình tham chiếu OSI. Đó là lớp vật l ý và lớp liên kết dữ liệu, chính xác hơn là lớp điều khiển truy cập môi trường (MAC). Lớp vật l ý của WiMAX cho phép truyền tín hiệu trong dải tần số từ 10 đến 66 GHz, sau đó thêm vào dải từ 2 đến 11 GHz được gọi là 802.16a. 802.16a sau đó được cải tiến thành 802.16d và tiếp tục nâng cấp thành 802.16e. 802.16d sử dụng ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM), hỗ trợ nhiều anten. Ưu điểm của việc sử dụng nhiều anten là cải thiện được vùng phủ, tiêu thụ công suất thấp, khả năng tự lắp đặt, tái sử dụng tần số và hiệu quả băng thông cao. 802.16 MAC sử dụng thuật toán scheduling, với thuật toán này trạm thuê bao cần cạnh tranh một lần (lúc khởi đầu đi vào mạng). Sau đó nó được cấp phát một khe dành cho truy cập bởi trạm gốc. Khe thời gian có thể mở rộng hoặc thu nhỏ nhưng vẫn được ấn định đến trạm thuê bao, tức là các trạm thuê bao khác không thể sử dụng Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu công nghệ WiMAX và ứng dụng GVHD: ThS. Võ Trường Sơn 57 SVTH: Lê Thị Kim Cương được nó. Thuật toán scheduling ổn định quá taria, cho hiệu quả băng thông cao hơn. Thuật toán này cũng cho phép BS điều khiển các thông số QoS bằng cách cân bằng giữa các ấn định khe thời gian giữa các nhu cầu của trạm thuê bao. CS SAP MAC SAP PHY SAP Quản lý Lớp con hội tụ chuyên biệt dịch vụ (CS) Quản lý Lớp con phần chung MAC (MAC CPS)Lớp con bảo mật Lớp vật lý (PHY) Mặt phẵng dữ liệu/điều khiển Mặt phẵng quản lý Lớp con hội tụ chuyên biệt dịch vụ (CS) Lớp con phần chung MAC (MAC CPS) Quản lý Lớp vật lý (PHY) Hình 3.8– Mô hình phân lớp của chuẩn WiMAX Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu công nghệ WiMAX và ứng dụng GVHD: ThS. Võ Trường Sơn 58 SVTH: Lê Thị Kim Cương Hình 3.9– Các lớp của giao thức 802.16 3.8.1 Lớp điều khiển truy cập môi trường (MAC) Lớp MAC bao gồm ba lớp con: lớp con hội tụ dịch vụ chuyên biệt (MAC CS), lớp con phần chung (MAC CPS) và lớp con bảo mật (MAC PS). Có hai loại lớp con hội tụ là lớp con hội tụ ATM và lớp con hội tụ gói dành cho các dịch vụ dạng gói như Ethernet, PPP, IP và VLAN. Chức năng cơ bản của lớp con hội tụ là nhận dữ liệu từ lớp cao hơn, phân loại dữ liệu dạng ATM hay dạng gói và chuyển các khung này đến lớp CPS. Phần lõi của lớp MAC 802.16 là lớp con phần chung (MAC CPS). Nó định nghĩa tất cả các quản l ý kết nối, phân phối băng thông, yêu cầu và cấp p