Khảo sát hệ thống wimax

(3.2) Simulink được biểu diễn như hình 3.6, bao gồm: Chuyển đổi thành byte (RS là một kế hoạch mã hoá theo byte). Zero pad khối dữ liệu từ 36 byte (mã ngắn) thành 239 byte (mã RS tự nhiên). Sau mã hoá, đục lỗ 255 byte từ mã để tìm lại được các byte thông tin và 4 byte cờ đầu tiên. Mã xoắn / Giải mã Viterbi Mỗi khối RS được mã hoá bởi mã hoá xoắn nhị phân. Mã xoắn sẽ có tỉ lệ là 1/2, độ dài bắt buộc là 7, và sẽ sử dụng các đa thức tạo mã: G1=171OCT đối với X G2=133OCT đối với Y Hình 3.7 Mã hoá xoắn với tỉ lệ 1/2 Các mẫu đục lỗ và bậc phát hành sẽ được sử dụng để thực hiện các tỉ lệ mã khác nhau được định nghĩa trong bảng 3.1. Trong bảng, “1” nghĩa là bit được phát và “0” chỉ thị bit bị loại bỏ, trong khi đó X và Y có liên quan đến hình 3.7. Tỉ lệ RS-CC 1/2 sẽ luôn được sử dụng như là một kiểu mã hoá khi cần thiết truy nhập vào mạng. Tỉ lệ mã hoá Tỉ lệ 1/2 2/3 3/4 5/6 dfree 10 6 5 4 X 1 10 101 10101 Y 1 11 110 11010 XY X1Y1 X1Y1Y2 X1Y1Y2X3 X1Y1Y2X3Y4X5 Bảng 3.1 Mã xoắn với cấu hình đục lỗ Mã hoá được thực hiện bằng cách trước hết chuyển các khối dữ liệu sang bộ mã hoá RS, rồi sau đó chuyển tới bộ mã hoá xoắn. Một byte đuôi 0x00 đơn được nối vào cuối mỗi cụm. Byte cuối này sẽ được thêm vào sau quá trình ngẫu nhiên hoá. Trong bộ mã hoá RS, các bit dư thừa sẽ được truyền đi trước các bit đầu vào, duy trì byte đuôi 0x00 ở cuối khối. Khi tổng số các bit dữ liệu trong một cụm không là một số nguyên các byte, các bit độn zero sẽ được thêm vào sau các bit đuôi zero. Các bit độn zero không được trộn. Lưu ý rằng, tình huống này chỉ xảy ra khi phân hoá kênh. Trong trường hợp này, mã hoá RS không được sử dụng. Khối mã xoắn được biểu diễn như hình vẽ, bao gồm: Encoder 1 Out1 Đục lỗ Puncture Mã hoá xoắn Convolutional 1 In1 Hình 3.8 Khối mã xoắn Định nghĩa bộ tạo cho mã hoá xoắn có độ dài bắt buộc là 7, khoá (tap) của 171 và 133. Đầu ra khối đục lỗ lựa chọn X1Y1Y2X3Y4X5. Ở phía thu, bộ giải mã Viterbi sẽ được sử dụng để giải mã xoắn. Đan xen/Giải đan xen Sau khi mã hoá RS-CC, tất cả các bit dữ liệu được mã hoá sẽ được đan xen bởi một khối đan xen với một cỡ khối tương ứng số bít được mã hoá trong mỗi kênh con đã cấp phát mỗi ký hiệu OFDM, Ncbps. Vì biểu đồ điều chế khác nhau QPSK, 16QAM, 64QAM, nên Ncbps tương ứng là sẽ 384, 768, 1152. Đan xen được định nghĩa bởi hoán vị hai bước. Giả sử Ncpc là số bit được mã hoá trên sóng mang, vídụ 2, 4, hoặc 6 tương ứng với QPSK, 16QAM, 64QAM. Giả sử s=Ncpc/2. Đặt k là chỉ số của bit được mã hoá trước khi hoán vị đầu tiên ở lúc phát; m là chỉ số sau hoán vị đầu tiên và trước khi hoán vị thứ hai; và j là chỉ số sau hoán vị thứ hai, trước khi điều chế. Hoán vị bước thứ nhất: (3.3) Hoán vị bước thứ hai: (3.4) Bước đầu tiên đảm bảo rằng các bít lân cận nhau được mã hoá được sắp xếp vào các sóng mang không lân cận. Điều này đảm bảo rằng nếu pha đinh sâu ảnh hưởng đến một bit, các bit lân cận của nó sẽ không bị tác động bởi pha đinh, và vì vậy có khả năng sửa chữa những ảnh hưởng của pha đinh. Hoán vị thứ hai đảm bảo rằng các bit được mã hoá lân cận sẽ được ghép xen kẽ vào các bit có trọng số nhỏ hơn của chòm sao. Điều này giúp thực hiện tách chính xác và tránh được sự kéo dài của các bit có độ tin cậy thấp. Giải đan xen được thực hiện ngược lại ở phía thu. Điều chế/ giải điều chế ID Điều chế Cỡ khối chưa mã hoá (byte) Cỡ khối mã hoá (byte) Tỉ lệ mã hoá toàn bộ Mã RS Tỉ lệ mã CC 0 QPSK 24 48 1/2 (32, 24, 4) 2/3 1 QPSK 36 48 3/4 (40, 36, 2) 5/6 2 16-QAM 48 96 1/2 (64, 48, 8) 2/3 3 16-QAM 72 96 3/4 (80, 72, 4) 5/6 4 64-QAM 96 144 2/3 (108, 96, 6) 3/4 5 64-QAM 108 144 3/4 (120, 108, 6) 5/6 Bảng 3.2 Mã hoá kênh bắt buộc bởi điều chế Sau khi bít được đan xen, các bít dữ liệu được đưa vào theo thứ tự tới bộ sắp xếp chòm sao. Gray-mapped QPSK, 16-QAM, và 64-QAM được hỗ trợ. Chòm sao sẽ được nhân với một hằng số c để đạt được công suất trung bình cân bằng. c bằng đối với QPSK, đối với 16-QAM, đối với 64-QAM. Bảng 3.2 biểu diễn mối quan hệ của điều chế và các tốc độ mã hoá. Tạo khung Hình 3.9 PRBS cho điều chế hoa tiêu Đơn vị cơ bản trong truyền dẫn dữ liệu của một hệ thống OFDM là tín hiệu OFDM. Trong chuẩn IEEE 802.16a, mỗi ký hiệu OFDM gồm có 192 dữ liệu tải trọng phức, 8 hoa tiêu và một DC.Các sóng mang con hoa tiêu sẽ được chèn vào mỗi cụm dữ liệu theo thứ tự để tạo thành ký hiệu và các sóng mang hoa tiêu sẽ được điều chế dựa vào vị trí sóng mang của chúng bên trong ký hiệu OFDM. Các hoa tiêu được sinh ra bởi bộ tạo PRBS, như biểu diễn trong hình 3.9 Đa thức của bộ tạo PRBS là g(x)=x11+x9+1. Các ký hiệu OFDM nên được đóng gói thành các khung trước khi gửi đi. Trong kế hoạch này, cấu trúc khung đường lên FDD được biểu diễn như trong hình 3.10. Hình 3.10 Cấu trúc khung PHY OFDM FDD Mào đầu trong khung đường lên được gọi là mào đầu dài, nó gồm có một CP và 4 khoảng 64 mẫu, tiếp theo là một CP và 2 khoảng 128 mẫu, như biểu diễn trong hình 3.11. Mào đầu dài được sử dụng cho đồng bộ và ước tính kênh. Hình 3.11 Mào đầu dài đường lên Phần đi sau mào đầu dài là một cụm FCH, nó là một ký hiệu OFDM dài. FCH chứa thông tin điều khiển cho toàn bộ khung vật lý này, ví dụ tỉ lệ ID để xác định tỉ lệ điều chế cũng như độ dài khung được sử dụng cho khung hiện tại. Nó cũng chứa bản tin điều khiển MAC ngắn. Cụm FCH cũng được điều chế với 1/2 QPSK. Trong mô hình này không có điều chế fly-on-air (chúng ta chỉ mô hình lớp vật lý không tương tác với MAC), vì vậy cụm FCH không bao gồm trong mô hình này. Chúng ta sử dụng một cụm tải trọng để thay thế nó. Các cụm theo sau FCH là các cụm dữ liệu tải trọng. Phát IFFT/ Thu FFT Hai tín hiệu hai tuần hoàn được coi như trực giao khi tích phần nguyên của chúng trên một chu kì bằng 0. Các sóng mang của một hệ thống OFDM là đường hình sin của nhiều tần số căn bản khác nhau. Mỗi sóng mang con có một số nguyên các tiền tố trong một chu kì. Hình 3.12 đưa ra một ví dụ của các sóng mang con trực giao trong hệ thống OFDM. FFT thực hiện biến đổi tín hiệu trong miền thời gian thành một tín hiệu trong miền tần số như một hàm của chu kì lấy mẫu và số mẫu được sử dụng. Tần số căn bản của FFT được định nghĩa bằng 1/Ts_tot (Ts_tot là tổng thời gian mẫu của FFT). IFFT thực hiện ngược lại với FFT bằng cách chuyển đổi tín hiệu trong miền tần số thành tín hiệu thời gian. Khoảng thời gian của tín hiệu thời gian IFFT bằng số bin FFT đã được ghép bởi chu kỳ lấy mẫu. Sau đó mỗi luồng con được sắp xếp vào một sóng mang con tại một tần số duy nhất và kết hợp cùng với IFFT để sinh ra dạng sóng miền thời gian để phát. Các giá trị tín hiệu tại đầu ra của IFFT là tổng của các mẫu hình sin. Khi một ký hiệu OFDM có thể được định nghĩa bởi một IFFT, mô hình toán học của một ký hiệu OFDM phát được cho bởi: ,N=0, 1,2,….,N-1 (3.5) Hình 3.12 Các sóng mang con OFDM trực giao Các zero được độn bằng nhau tại điểm bắt đầu và kết thúc của một ký hiệu OFDM để thực hiện IFFT 256 điểm tại phía phát. Các sóng mang zero này cũng được sử dụng như khoảng bảo vệ để tránh giao thoa giữa các kênh. Tại phía thu, sau khi thực hiện FFT các bít độn zero sẽ được xoá khỏi vị trí tương ứng. Trong thông tin vô tuyến, tín hiệu thông thường có thể bị méo bởi tín hiệu phản xạ vì trễ đa đường. Đây gọi là giao thoa giữa các ký hiệu (ISI). Để đối phó với vấn đề này, một tiền tố tuần hoàn được chèn vào trước mỗi ký hiệu được phát. Nếu trễ đa đường nhỏ hơn khoảng CP, ISI được loại trừ hoàn toàn bởi thiết kế. Vì vậy, sau khi thực hiện IFFT, tiền tố tuần hoàn cần được thêm vào mỗi ký hiệu OFDM. Điều này được thực hiện bằng cách chép lại dữ liệu phần sau cùng trong một ký hiệu OFDM để làm phần bắt đầu. Trong chuẩn IEEE 802.16a, độ dài CP phù hợp là 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 có thể được ápdụng cho ký hiệu phát. Tại phía thu thực hiện ngược lại. 3.2. Các đặc trưng lớp MAC của IEEE 802.16a 3.2.1. Lớp con hội tụ dịch vụ đặc trưng (CS) CS thực hiện các chức năng sau: Tiếp nhận các đơn vị dữ liệu giao thức (PDU) của lớp cao hơn Thực hiện phân loại các PDU Xử lý (nếu cần thiết) các PDU dựa vào việc phân loại Chuyển giao các PDU CS thành MAC SAP Nhận các CS PDU từ thực thể ngang hàng Hiện tại CS cung cấp 2 đặc tính khả dụng: CS ATM (kiểu truyền dẫn không đồng bộ), để thích ứng lưu lượng ATM và CS gói, để thích ứng lưu lượng IP và Internet. 3.2.2. Lớp con phần chung (MAC CP) MAC CP chịu trách nhiệm về một vài chức năng quan trọng chung cho tất cả các công nghệ khách CS. Phần này miêu tả các chức năng sau: Xử lý các kết nối Lớp MAC là hướng kết nối. Điều này có nghĩa là trước khi gửi thông tin người sử dụng, nó cần thiết lập một kết nối giữa SS và BS hoặc một SS và một SS khác, phụ thuộc vào cấu hình sử dụng. Hỗ trợ multicast. Mỗi kết nối có một định danh kết nối (CID) 16 bit. Có 2 loại kết nối: các kết nối quản lý và kết nối vận chuyển dữ liệu. Kết nối quản lý có 3 loại: cơ bản, sơ cấp và thứ cấp. Kết nối cơ bản là kết nối được tạo ra cho mỗi SS khi nó đăng nhập vào mạng. Kết nối này được dùng cho các bản tin quản lý khẩn và ngắn. Kết nối sơ cấp cũng được tạo ra cho mỗi SS vào lúc nó gia nhập mạng, nhưng nó được sử dụng cho các bản tin quản lý dung sai trễ. Kết nối thứ cấp được sử dụng cho các bản tin quản lý việc đóng gói IP (như là DHCP, SNMP, TFP). Kết nối vận chuyển có thể là dự phòng hoặc có thể được thiết lập tuỳ theo yêu cầu. Kết nối này được dùng cho luồng lưu lượng người sử dụng MAC PDU Các MAC PDU được chia làm ba phần: một tiêu đề chung (6 byte); một tải trọng độ dài thay đổi và một mã kiểm tra dư vòng (4 byte). Độ dài PDU lớn nhất là 2 Kbyte. Tải trọng có thể được sử dụng để truyền thông tin điều khiển qua các tiêu đề con. Tải trọng có thể rỗng hoặc đầy các tiêu đề con, các MAC PDU hoặc các đoạn. Để đàm phán băng thông, nó được phát triển một MAC PDU dành riêng. PDU này có một tiêu đề đặc biệt, chứa các thông số băng thông. Có năm loại tiêu đề con: phân đoạn, gói, quản lý trợ cấp, lưới và cấp phát hồi tiếp nhanh. Tiêu đề con phân đoạn được sử dụng để điều khiển phân 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 lý trợ cấp cho phép yêu cầu băng thông mà không cần gửi một PDU dành riêng. Yêu cầu được xác nhận cùng với một MAC PDU chung. Khi cấu hình lưới được sử dụng, tiêu đề con lưới chứa một ID node, được sử dụng chỉ địa chỉ của node lân cận với nó. IEEE 802.16TM-2004 chỉ ra 41 bản tin quản lý được phát vào các tải trọng MAC PDU qua các kết nối quản lý. Các MAC PDU được sắp xếp trong các khung lớp vật lý. Phân kênh Không chỉ TDD (song công phân chia theo thời gian) mà cả FDD (song công phân chia theo tần số) cũng được hỗ trợ. Trong FDD cả hai phía phát đồng thời với các tần số khác nhau, còn 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 xuống và khung con đường lên. Mỗi khung con được phân chia thành các khe vật lý (PL) đối với các giao diện vô tuyến đơn sóng mang và thành các cụm đối với các giao diện vô tuyến OFDM. Các MAC PDU được chèn trong các PL hoặc các cụm theo các giao diện vô tuyến được triển khai. Với FDD, mô hình song công và bán song công được cho phép. Sắp xếp Sắp xếp được triển khai để cấp phát băng thông cho các kết nối. Đối với giao diện không gian đơn sóng mang, BS gửi trong khung con đường xuống một sắp xếp đường lên (UL-MAP) và một sắp xếp đường xuống (DL-MAP). UL-MAP chứa các PL mà một SS có thể sử dụng để phát trên đường lên. DL-MAP chứa các khe thời gian mà một SS phải nghe trong đường xuống. Khung con đường xuống bắt đầu với các sắp xếp này, được gửi qua giao diện không gian tới tất cả các SS. Vì vậy, UL-MAP và DL-MAP xác định băng thông được cấp phát cho các kết nối (qua số các PL khả dụng), các PL mỗi trạm phải phát và nhận và hồ sơ cụm được sử dụng. Với giao diện vô tuyến OFDM, sắp xếp được thực hiện sử dụng các ký hiệu thay vì các PL. Với giao diện không gian OFDMA, các ký hiệu OFDM và các kênh con được sử dụng. IEEE 802.16TM-2004 mô tả quá trình sắp xếp cho mỗi giao diện vô tuyến, chúng khá khác nhau. Lập lịch, yêu cầu và cấp phát băng thông Lập lịch được triển khai để xác định quyền ưu tiên truyền dẫn các MAC SDU qua các kết nối MAC đang tồn tại. Với mỗi kết nối nó được kết hợp với một loại lập lịch được xác định trước. Mỗi loại có một tập các thông số xác định các yêu cầu chất lượng dịch vụ (QoS). Có bốn loại được định nghĩa: dịch vụ cấp phát tự nguyện (UGS), dịch vụ thăm dò thời gian thực (rtPS), dịch vụ thăm dò phi thời gian thực (nrtPS) và nỗ lực tốt nhất (BE: best effort). UGS được định nghĩa cho lưu lượng tốc độ bít không đổi thời gian thực. rtPS được định nghĩa cho lưu lượng tốc độ bít thay đổi thời gian thực như lưu lượng video. nrtPS liên quan tới lưu lượng tốc độ bít thay đổi phi thời gian thực dung sai trễ. Đối với lưu lượng dữ liệu tốc độ bit thay đổi, nó được định nghĩa bởi lớp nỗ lực tốt nhất (BE). Đối với các kết nối UGS, BS cấp phát một cách định kỳ một lượng băng thông cố định, mà được đàm phán khi thiết lập kết nối. Các loại khác phải yêu cầu định kỳ băng thông, được cấp phát tự động trong suốt thời gian truyền dẫn. Băng thông có thể được yêu cầu bởi các yêu cầu riêng lẻ (BW yêu cầu MAC PDU) hoặc một yêu cầu xác nhận (tiêu đề con MAC PDU). Các yêu cầu có thể tăng lên hoặc kết hợp lại. Các yêu cầu kết hợp thay thế các kết nối trước được yêu cầu băng thông, trong khi đó các yêu cầu tăng cải thiện băng thông hiện tại bởi số lượng yêu cầu. Các SS phải yêu cầu băng thông theo chu kì đối với các kết nối BE, rtPS, nrtPS, vìvậy giảm sử dụng băng thông. Chu kì cập nhật phụ thuộc loại lập lịch và chất lượng liên kết. Thêm vào các yêu cầu riêng lẻ, BS có thể cấp phát một khoảng thời gian yêu cầu, trong đó một hoặc nhiều SS có thể gửi các bản tin yêu cầu băng thông. Quá trình này được gọi là thăm dò. Thăm dò có thể được thực hiện theo hai cách: thăm dò đơn hướng và thăm dò dựa vào tranh chấp. Trong thăm dò đơn hướng, BS cấp phát băng thông lắng nghe các yêu cầu của chỉ một SS, còn trong thăm dò dựa vào tranh chấp, BS cấp phát băng thông lắng nghe yêu cầu của một nhóm đa hướng các SS hoặc tất cả các SS. 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 mà cải thiện cấp phát băng thông BS. Tuy nhiên, trong GPC băng thông được cấp phát cho các kết nối đặc biệt, còn trong GPSS nó được cấp phát cho SS. Giải quyết tranh chấp Mặc dù BS điều khiển cấp phát băng thông trong đường lên, nhưng có thể xuất hiện xung đột trong khoảng thiết lập và khoảng thời gian yêu cầu băng thông. Thuật toán backoff mũ nhị phân rút gọn được triển khai để giải quyết các tình huống xung đột. ARQ ARQ là quá trình phát lại các MAC PDU đã bị mất hoặc sai lạc. Theo IEEE 802.16TM-2004, kỹ thuật ARQ dựa vào số chuỗi phân đoạn của các tiêu đề con phân đoạn hoặc gói. Hỗ trợ ARQ là tuỳ chọn và có thể được lựa chọn cho mỗi kết nối. Lựa chọn được thực hiện trong khoảng thiết lập kết nối. ARQ không có thể được sử dụng cùng với giao diện không gian sóng mang đơn. Khi ARQ được cho phép, các MAC PDU có thể được phân đoạn trong các khối ARQ. Xác nhận ARQ được gửi hoặc trong bản tin MAC riêng lẻ qua một kết nối quản lý cơ bản hoặc được mang trên một MAC PDU qua một kết nối dữ liệu tồn tại. Mô tả thích ứng cụm Để thích ứng các thay đổi trong điều kiện liên kết vô tuyến, IEEE 802.16TM-2004 đã triển khai một kỹ thuật tiến bộ để mã hoá, điều chế, sắp xếp và công suất truyền dẫn động. Mô tả thích ứng cụm được sử dụng để thay đổi các đặc tính truyền dẫn dựa vào trạng thái liên kết. Mục tiêu là cân bằng giữa sức mạnh và hiệu quả. Kỹ thuật là khác nhau giữa đường xuống và đường lên. Bản tin được sử dụng để thông tin trao đổi giữa các thiết bị. BS không chỉ điều khiển SS mô tả cụm đường lên sử dụng UL-MAP mà còn tính toán mô tả cụm đường xuống theo chất lượng của tín hiệu thu được từ mỗi SS. Tuy nhiên các SS có thể yêu cầu thay đổi trong mô tả cụm đường xuống nếu điều kiện môi trường quá xấu. 3.2.3. Lớp con an ninh An ninh cũng là một vấn đề phức tạp. Bởi vì nó như một vấn đề chính để giữ dữ liệu dưới dạng bí mật, IEEE 802.16 cố gắng tốt nhất để phân phát kết nối an toàn và làm cho người sử dụng hài lòng với các dịch vụ được cung cấp. An ninh được thực hiện bằng cách mã hoá các kết nối giữa SS và BS. Nó đưa ra biện pháp bảo vệ chống lại kẻ xâm phạm bằng cách sử dụng một giao thức quản lý khoá chủ/khách được nhận thực và chứng nhận số. Trong lớp con này, có hai giao thức: giao thức đóng gói cho dữ liệu gói, đặc biệt cho các tải trọng MAC PDU và một giao thức quản lý khoá (PKM), các SS sử dụng để thu được nhận thực và khoá từ BS. PKM có một chứng nhận số X.509 và một vài thuật toán mã hoá khác nhau. Giao thức này được tạo qua khái niệm kết hợp an ninh (SA), là một tập mật mã và khoá dữ liệu. 3.3. Các ưu điểm khác của lớp PHY chuẩn 802.16e Ngoài một số các tầng cơ bản như trong chuẩn 802.16a, lớp vật lý của chuẩn 802.16e còn có một số các ưu điểm hỗ trợ như: Mã hoá và điều chế thích ứng (AMC), yêu cầu lặp tự động lai ghép (HARQ) và hồi tiếp kênh nhanh (CQICH) được giới thiệu trong 802.16e để tăng vùng phủ sóng và dung lượng cho chuẩn 802.16 trong các ứng dụng di động. DL UL Điều chế QPSK, 16QAM, 64QAM QPSK, 16QAM, 64QAM Tỉ lệ mã hoá CC 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 1/2, 2/3, 5/6 CTC 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 1/2, 2/3, 5/6 Lặp lại x2, x4, x6 x2, x4, x6 Bảng 3.3 Các điều chế và mã được hỗ trợ Hỗ trợ QPSK, 16QAM và 64QAM có tính bắt buộc trong DL của 802.16e. Trong UL, 64QAM là không bắt buộc. Cả mã xoắn (CC), mã turbo xoắn (CTC) có tỷ lệ mã thay đổi và mã hoá lặp được hỗ trợ. Mã turbo khối và mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp (LDPC) được hỗ trợ nhưng không bắt buộc. Bảng 3.3 tổng kết các sơ đồ điều chế và mã hoá được hỗ trợ trong 802.16e, với các mã và điều chế UL không bắt buộc được biểu diễn bằng chữ nghiêng. Sự kết hợp các tỷ lệ mã hoá và các điều chế khác nhau cung cấp một giải pháp tốt cho tốc độ dữ liệu như biểu diễn trong bảng 3.4, bảng 3.4 biểu diễn tốc độ dữ liệu cho các kênh 5 và 10 MHz với các kênh con PUSC. Độ dài khung là 5 ms. Mỗi khung có 48 ký hiệu OFDMA, trong đó 44 ký hiệu khả dụng cho truyền dẫn dữ liệu. Các giá trị in đậm biểu thị các tốc độ dữ liệu cho 64QAM (không bắt buộc) trong UL. Thông số Đường lên Đườngxuống Đường lên Đường xuống Băng thông hệ thống 5 MHz 10 MHz Cỡ FFT 512 1024 Sóng mang con Null 92 104 184 184 Sóng mang con hoa tiêu 60 136 120 280 Sóng mang con dữ liệu 360 272 720 560 Kênh con 15 17 30 35 Chu kì ký hiệu, TS 102.9 ms Độ dài khung 5 ms Số ký hiệu OFDM/khung 48 Số ký hiệu OFDM dữ liệu 44 Điều chế Tỉ lệ mã hoá Kênh 5 MHz Kênh 10 MHz Tốc độ đường lên, Mbps Tốc độ đường xuống, Mbps Tốc độ đường lên, Mbps Tốc độ đường xuống, Mbps QPSK 1/2 CTC, 6x 0,53 0,38 1,06 0,78 1/2 CTC, 4x 0,79 0,57 1,58 1,18 1/2 CTC, 2x 1,58 1,14 3,17 2,35 1/2 CTC, 1x 3,17 2,28 6,34 4,70 3/4 CTC 4,75 3,43 9,50 7,06 16QAM 1/2 CTC 6,34 4,57 12,67 9,41 1/2 CTC 9,50 6,85 19,01 14,11 64QAM 1/2 CTC 9,50 6,85 19,01 14,11 2/3CTC 12,67 9,14 25,34 18,82 3/4 CTC 14,26 10,28 28,51 21,17 5/6 CTC 15,84 11,42 31,68 23,52 Bảng 3.4 Các tốc độ dữ liệu lớp vật lý 802.16e với kênh con PUSC Bộ lập lịch trạm gốc xác định tốc độ dữ liệu thích hợp (hoặc hồ sơ cụm) cho mỗi cụm được cấp phát dựa vào kích thước bộ đệm, điều kiện truyền dẫn kênh tại phía thu... Một kênh CQI (chỉ thị chất lượng kênh) được dùng để cung cấp thông tin trạng thái kênh (CSI) từ các đầu cuối người sử dụng đến bộ lập lịch trạm gốc. CSI có thể được hồi tiếp bởi CQICH gồm có: CINR tự nhiên, CINR cần thiết, lựa chọn chế độ MIMO và chọn kênh con lựa chọn tần số. Với thực hiện TDD, thích ứng liên kết cũng có thể có ưu điểm của đặc quyền kênh để cung cấp phép đo điều kiện kênh chính xác hơn (như thăm dò). Yêu cầu lặp tự động lai ghép (HARQ) được hỗ trợ trong chuẩn 802.16e. HARQ cho phép sử dụng N kênh giao thức “dừng và đợi” mà cung cấp đáp ứng nhanh với các lỗi gói và cải thiện vùng phủ đỉnh cell. Một kênh ACK riêng cũng được cung cấp trong đường lên cho báo hiệu HARQ ACK/NACK. Hoạt động HARQ đa kênh cũng được hỗ trợ. ARQ dừng-và-đợi đa kênh với một số nhỏ kênh là một giao thức đơn giản, hiệu quả để giảm yêu cầu bộ nhớ cho HARQ và quá trình dừng. Chuẩn 802.16e cung cấp báo hiệu để cho phép hoạt động không đồng bộ hoàn toàn. Hoạt động không đồng bộ cho phép trễ thay đổi giữa những lần truyền lại, đưa ra độ mềm dẻo hơn cho bộ lập lịch tại giá trị của phần tiêu đề thêm vào cho mỗi cấp phát truyền lại. HARQ kết hợp với CQICH và AMC cung cấp thích ứng liên kết mạnh trong môi trường di động tại tốc độ khoảng 120 km/h. 3.3.1. Công nghệ anten thông minh Công nghệ anten thông minh thường gồm có vector phức hoặc ma trận hoạt động trên các tín hiệu nhờ có nhiều anten. OFDMA cho phép vận hành anten thông minh được thực hiện trên các sóng mang con vector phẳng. Các bộ cân bằng phức tạp không được yêu cầu để bù cho pha đinh lựa chọn tần số. Vì vậy OFDMA là thích hợp để hỗ trợ công nghệ anten thông minh. Thực tế, MIMO-OFDM/OFDMA được mong đợi như là nền tảng cho các hệ thống thông tin băng rộng thế hệ tiếp theo. Chuẩn IEEE 802.16e hỗ trợ đủ các loại công nghệ anten thông minh để tăng hiệu suất hệ thống. Các công nghệ anten thông minh được hỗ trợ bao gồm: Tạo búp: với tạo búp, hệ thống sử dụng nhiều anten để phát các tín hiệu để cải thiện vùng phủ sóng và dung lượng của hệ thống và giảm thiểu xác xuất ngừng phục vụ. Mã không gian-thời gian (STC): phát phân tập như mã Alamouti được hỗ trợ để cung cấp phân tập không gian và giảm dư âm. Ghép kênh không gian (SM): ghép kênh không gian được hỗ trợ để đạt được ưu điểm: tốc độ đỉnh cao hơn và thông lượng tăng. Với ghép kênh không gian, nhiều dòng được phát qua nhiều anten. Nếu máy thu cũng có nhiều anten, nó có thể tách rời ra các dòng khác nhau để đạt được độ thông qua cao được so sánh với các hệ thống anten đơn. Với MIMO 2x2, SM tăng tốc độ dữ liệu đỉnh gấp hai lần bằng cách phát hai dòng dữ liệu. Trong UL, mỗi người sử dụng chỉ có một anten phát, hai người sử dụng có thể phát cộng tác trong cùng một khe như thể hai dòng được ghép kênh không gian từ hai anten của cùng người sử dụng. điều này được gọi là UL cộng tác SM. Các đặc trưng được hỗ trợ trong sơ lược hiệu suất chuẩn IEEE 802.16e được liệt kê trong bảng dưới đây: Đường Tạo búp Mã hoá không gian thời gian Ghép kênh không gian DL Nt≥2, Nr≥15 Nt=2, Nr≥1 ma trận A Nt=2, Nr≥2 Ma trận B, Mã hoá đúng UL Nt≥1, Nr≥2 N/A Nt=1, Nr≥2 SM hai người sử dụng cộng tác Bảng 3.5 Các lựa chọn anten tiên tiến Chuẩn IEEE 802.16e hỗ trợ chuyển mạch thích ứng giữa các sự lựa chọn này để làm cực đại hoá lợi ích của công nghệ anten thông minh dưới các điều kiện kênh khác nhau. Ví dụ như, SM cải thiện độ thông qua đỉnh. Tuy nhiên, khi các điều kiện kênh là ít, tốc độ lỗi gói (PER) có thể cao và vì vậy mật độ vùng trong đó PER đích phải được giới hạn. Mặt khác STC cung cấp mật độ rộng bất chấp điều kiện kênh nhưng không cải thiện tốc độ dữ liệu đỉnh. 802.16e hỗ trợ chuyển mạch MIMO thích ứng (AMS) giữa các mô hình đa MIMO để cực đại hoá hiệu quả phổ tần với không giảm trong vùng mật độ. Hình 2.13 biểu diễn kiến trúc để hỗ trợ các đặc trưng của anten thông minh. Bảng 3.6 cung cấp một tổng kết của các tốc độ dữ liệu đỉnh lý thuyết cho các tỉ lệ DL/UL khác nhau cho rằng băng tần kênh là 10 MHz, khoảng khung là 5ms với 44 ký hiệu dữ liệu OFDM (trong 48 ký hiệu OFDM tổng) và kênh con PUSC. Với MIMO 2x2, DL sử dụng và tốc độ dữ liệu đỉnh bộ phận là gấp đôi lý thuyết. Tốc độ dữ liệu đỉnh DL cực đại là 63,36 Mbps khi tất cả các ký hiệu dữ liệu được dành cho DL. Với UL cộng tác SM, tốc độ dữ liệu đỉnh bộ phận UL là gấp đôi trong khi đó tốc độ dữ liệu đỉnh người sử dụng là không đổi. Tỉ lệ DL/UL 1:0 3:1 2:1 3:2 1:1 0:1 Tốc độ đỉnh người sử dụng (Mbps) SIMO (1x2) DL 31,68 23,04 20,16 18,72 15,84 0 UL 0 4,03 5,04 6,05 7,06 14,11 MIMO (2x2) DL 63,36 46,08 40,32 37,44 31,68 0 UL 0 4,03 5,04 6,05 7,06 14,11 Tốc độ đỉnh Sector (Mbps) SIMO (1x2) DL 31,68 23,04 20,16 18,72 15,84 0 UL 0 4,03 5,04 6,05 7,06 14,11 MIMO (2x2) DL 63,36 46,08 40,32 37,44 31,68 0 UL 0 8,06 10,08 12,10 14,12 28,22 Bảng 3.6 Các tốc độ dữ liệu cho cấu hình SIMO/MIMO Hình 3.13 Chuyển mạch thích ứng cho anten thông minh Tốc độ dữ liệu đỉnh người sử dụng UL và tốc độ dữ liệu đỉnh bộ phận là 14,11 Mbps và 28,22 Mbps đặc biệt khi tất cả các ký hiệu dữ liệu được dành cho UL. Bằng ứng dụng tỉ lệ DL/UL khác nhau, băng tần có thể được điều chỉnh giữa DL và UL để trợ giúp các mẫu lưu lượng khác nhau. Nó có thể được chú ý rằng các trường hợp cao nhất giống như sự phân chia tất cả UL và tất cả DL hiếm khi được sử dụng. Sơ lược chuẩn IEEE 802.16e hỗ trợ dải các tỉ lệ DL/UL từ 3:1 tới 1:1 để trợ giúp các sơ lược lưu lượng khác nhau. 3.3.2. Tái sử dụng phân đoạn tần số Chuẩn IEEE 802.16e hỗ trợ dùng lại tần số của 1, ví dụ tất cả tế bào/sector hoạt động trên kênh tần số giống nhau để cực đại hoá hiệu quả phổ tần. Tuy nhiên, vì giao thoa đồng kênh (CCI) là nghiêm trọng trong sự triển khai dùng lại tần số của 1, các người sử dụng tại cạnh tế bào phải chịu đựng sự giảm chất lượng kết nối. Với chuẩn IEEE 802.16e , các người sử dụng hoạt động trên các kênh con, cái mà chỉ chiếm một phần nhỏ băng tần kênh; Vấn đề nhiễu cạch tế bào có thể dễ dàng đề địa chỉ bằng cách cấu hình thích hợp kênh con thông thường không sử dụng đến mặt phẳng tần số truyền thống. Trong chuẩn IEEE 802.16e, dùng lại kênh con linh hoạt được làm dễ dàng bởi sự phân đoạn kênh con và hoán vị vùng. Một phân đoạn là một sự chia nhỏ ra của các kênh con OFDMA sẵn có (một phân đoạn phải bao gồm tất cả các kênh con). Một phân đoạn được sử dụng để triển khai một trường hợp đơn của MAC. Hoán vị vùng là một số của các ký hiệu OFDMA liền kề trong DL hoặc UL sử dụng hoán vị giống nhau. Khung con DL hoặc UL phải bao gồm nhiều hơn một hoán vị vùng như trong hình 2.14. Hình 3.14 Cấu trúc khung đa vùng Hình 3.15 Tái sử dụng phân đoạn tần số Mẫu dùng lại kênh con có thể được cấu hình giống như các người sử dụng đóng trạm gốc hoạt động trên vùng với tất cả các kênh con sẵn có. Trong khi đó với cạch các người sử dụng, mỗi tế bào hoặc sector hoạt động trên vùng với một phân số của tất cả các kênh con sẵn có. Trong hình 3.15, F1, F2, và F3 miêu tả các thiết lập khác nhau của các kênh con trong cùng kênh tần số. Với cấu hình này, dùng lại tần số tải đầy đủ của một được duy trì cho các người sử dụng trung tâm để cực đại hoá hiệu quả phổ tần và dùng lại tần số phân đoạn được triển khai cho các người sử dụng ngoài rìa để đảm bảo chất lượng kết nối người sử dụng ngoài rìa và độ thông qua. Mặt phẳng dùng lại kênh con có thể được đánh giá động qua các sector hoặc các tế bào dựa vào tải trọng mạng và các điều kiện nhiễu trên cơ sở từng khung. Vì vậy tất cả các tế bào và các sector có thể hoạt động trên cùng kênh tần số không cần mặt phẳng tần số. 3.3.3. Dịch vụ đa hướng và quảng bá (MBS) Dịch vụ đa hướng và quảng bá (MBS) được hỗ trợ bởi chuẩn IEEE 802.16e kết hợp các đặc điểm tốt nhất của DVB-H, MediaFLO và 3GPP E-UTRA và thoả mãn các yêu cầu sau đây: Tốc độ dữ liệu và mật độ sử dụng một mạng tần số đơn (SFN) cao. Cấp phát linh hoạt các tài nguyên vô tuyến. Sự tiêu thụ công suất MS thấp. Hỗ trợ khuôn dữ liệu trong các dòng audio và video. Thời gian chuyển mạch kênh thấp. Hình 3.16 Hỗ trợ MBS được ấn định với chuẩn IEEE 802.16e -các vùng MBS Sơ lược chuẩn IEEE 802.16e Release-1 định nghĩa một hộp công cụ cho sự phân phát dich vụ MBS ban đầu. Dịch vụ MBS có thể được hỗ trợ bởi hoặc xây dựng một vùng MBS riêng biệt trong khung DL cùng với dịch vụ đơn hướng (được ghi vào MBS) hoặc khung nguyên vẹn có thể được dành cho MBS (chỉ DL) với một mình dịch vụ quảng bá. Hình 3.16 biểu diễn xây dựng vùng DL/UL khi sự pha trộn dịch vụ quảng bá và đơn hướng được hỗ trợ. Vùng MBS hỗ trợ mô hình MBS đa BS sử dụng hoạt động mạng tần số đơn (SFN) và khoảng thời gian linh hoạt của các vùng MBS cho phép phân chia theo tỉ lệ các tài nguyên vô tuyến cho lưu lượng MBS. Chú ý rằng các vùng đa MBS cũng có thể thực hiện được. Có một vùng MBS được MAP IE miêu tả. MS truy cập DL MAP để ban đầu nhận thực các MBS và xác định các MBS MAP được kết hợp trong mỗi vùng. Lúc đó MS có thể đọc các MBS MAP không cần chuyển đến DL MAP trừ khi đồng bộ MBS MAP bị mất. IE MAP MBS chỉ rõ cấu hình PHY vùng MBS và định nghĩa vị trí của mỗi vùng MBS qua thông số khoảng cách ký hiệu OFDMA. MAP MBS được xác định tại kênh con thứ nhất của ký hiệu OFDM thứ nhất của vùng MBS được kết hợp. MBS đa BS không yêu cầu MS phải được đăng kí trong trạm gốc. MBS có thể được truy cập khi MS trong mô hình Idle cho phép sự tiêu thụ năng lượng thấp. Độ linh hoạt của chuẩn IEEE 802.16e để hỗ trợ MBS được kết hợp và các dịch vụ đơn hướng cho phép một dải rộng các ứng dụng. 3.4. Mô tả lớp MAC của chuẩn 802.16e Chuẩn 802.16 được triển khai bắt đầu từ việc truyền các dịch vụ băng rộng gồm thoại, dữ liệu và video. Lớp MAC dựa vào chuẩn DOCSIS và có thể hỗ trợ lưu lượng dữ liệu cụm với yêu cầu tốc độ đỉnh cao khi mà hỗ trợ đồng thời video liên tục và lưu lượng thoại nhạy với trễ trên cùng một kênh. Tài nguyên được cấp phát cho một đầu cuối bởi bộ lập lịch MAC có thể thay đổi từ một khe thời gian tới toàn bộ khung, do đó cung cấp một dải động lớn thông lượng tới người sử dụng đầu cuối đặc trưng tại các thời điểm nhất định. Hơn nữa, do thông tin cấp phát tài nguyên được truyền trong các bản tin MAP tại bắt đầu mỗi khung, nên bộ lập lịch có thể thay đổi hiệu quả cấp phát tài nguyên trên cơ sở từng khung một để phù hợp với bản chất cụm của lưu lượng. 3.4.1. Hỗ trợ chất lượng dịch vụ (QoS) Với liên kết không gian (air) nhanh, công suất đường xuống/đường lên không đối xứng, tính chất tài nguyên nhiều và kỹ thuật cấp phát tài nguyên linh hoạt, chuẩn 802.16e có thể đạt được các yêu cầu QoS cho đủ mọi loại dịch vụ dữ liệu và ứng dụng. Hình 3.17 Hỗ trợ QoS trong 802.16e Trong lớp MAC 802.16e, QoS được cung cấp qua các luồng dịch vụ như mô tả trong hình 3.17. Đó là một luồng các gói theo một hướng duy nhất được cung cấp một tập các thông số QoS riêng biệt. Trước đây khi cung cấp một loại dịch vụ dữ liệu nào đó, thì trước tiên trạm gốc và đầu cuối người sử dụng thiết lập một liên kết logic theo một hướng duy nhất giữa các MAC ngang cấp được gọi là kết nối. Sau đó MAC ngoài cùng kết hợp các gói đi ngang qua giao diện MAC thành một luồng dịch vụ, rồi được chuyển qua kết nối. Các thông số QoS kết hợp với luồng dịch vụ định nghĩa lập lịch và thứ tự truyền trên giao diện vô tuyến. Vì vậy QoS hướng kết nối có thể cung cấp điều khiển chính xác qua giao diện vô tuyến. Vì giao diện vô tuyến thường bị nghẽn cổ chai, nên QoS hướng kết nối cho phép điều khiển hiệu quả QoS đầu cuối-đầu cuối. Loại QoS Ứng dụng Đặc điểm QoS UGS Dịch vụ cấp phát tự nguyện VoIP Tốc độ duy trì lớn nhất Dung sai trễ lớn nhất Dung sai trượt rtPS Dịch vụ theo dõi thời gian thực Dòng Audio hoặc Video Tốc độ dành riêng nhỏ nhất Tốc độ duy trì lớn nhất Dung sai trễ lớn nhất Ưu tiên lưu lượng ErtPS Dịch vụ theo dõi thời gian thực mở rộng Thoại với tách sóng tích cực (VoIP) Tốc độ dành riêng nhỏ nhất Tốc độ duy trì lớn nhất Dung sai trễ lớn nhất Dung sai trượt Ưu tiên lưu lượng nrtPS Dịch vụ theo dõi phi thời thực Giao thức truyền file (FTP) Tốc độ dành riêng nhỏ nhất Tốc độ duy trì lớn nhất Ưu tiên lưu lượng BE Dịch vụ nỗ lực tốt nhất Truyền dữ liệu, trình duyệt Web, ... Tốc độ duy trì lớn nhất Ưu tiên lưu lượng Bảng 3.7 Chất lượng dịch vụ và ứng dụng 802.16e Các thông số luồng dịch vụ có thể được quản lý tự động qua các bản tin MAC để điều chỉnh các yêu cầu dịch vụ động. Kỹ thuật QoS dựa vào luồng dịch vụ áp dụng cho cả DL và UL để cung cấp QoS được cải thiện trong cả hai hướng. Chuẩn IEEE 802.16e hỗ trợ đủ mọi loại dịch vụ dữ liệu và ứng dụng có các yêu cầu QoS thay đổi. Tất cả được tổng kết trong bảng 3.7. 3.4.2. Dịch vụ lập lịch MAC Dịch vụ lập lịch MAC 802.16e được thiết kế để truyền hiệu quả các dịch vụ băng rộng bao gồm thoại, dữ liệu và video qua kênh vô tuyến băng rộng biến thiên theo thời gian. Dịch vụ lập lịch MAC có các đặc điểm sau đây: Bộ lập lịch dữ liệu nhanh: bộ lập lịch MAC phải cấp phát hiệu quả tài nguyên khả dụng đáp ứng cho lưu lượng dữ liệu cụm và các điều kiện kênh biến thiên theo thời gian. Bộ lập lịch được đặt tại mỗi trạm gốc cho phép đáp ứng nhanh các yêu cầu lưu lượng và các điều kiện kênh. Các gói dữ liệu được kết hợp thành các luồng dịch vụ với các thông số QoS xác định trước trong lớp MAC sao cho bộ lập lịch có thể xác định chính xác thứ tự truyền dẫn gói qua giao diện vô tuyến. Kênh CQICH cung cấp thông tin hồi tiếp kênh nhanh cho phép bộ lập lịch lựa chọn điều chế và mã hoá thích hợp cho mỗi cấp phát. Điều chế/mã hoá thích ứng kết hợp với HARQ cung cấp truyền dẫn tốt hơn qua kênh biến thiên theo thời gian. Lập lịch cho cả UL và DL: dịch vụ lập lịch được cung cấp cho cả lưu lượng UL và DL. Bộ lập lịch MAC thực hiện cấp phát tài nguyên hiệu quả và cung cấp QoS mong muốn trong UL, UL phải hồi tiếp chính xác và thông tin đúng lúc như các điều kiện lưu lượng và các yêu cầu QoS. Nhiều kỹ thuật yêu cầu băng thông đường lên, như yêu cầu băng thông qua kênh sắp xếp, yêu cầu piggyback và thăm dò được thiết kế để hỗ trợ các yêu cầu băng thông UL. Luồng dịch vụ UL xác định kỹ thuật hồi tiếp cho mỗi kết nối đường lên để đảm bảo dự báo hoạt động của bộ lập lịch UL. Hơn nữa, các kênh con UL trực giao, không có nhiễu trong tế bào. Lập lịch UL có thể cấp phát tài nguyên hiệu quả hơn và QoS tốt hơn. Cấp phát tài nguyên động: MAC hỗ trợ cấp phát tài nguyên thời gian-tần số cho cả UL và DL trên cơ sở từng khung. Cấp phát tài nguyên được truyền trong các bản tin MAC tại bắt đầu mỗi khung. Vì vậy, cấp phát tài nguyên có thể được thay đổi trên từng khung đáp ứng với các điều kiện kênh và lưu lượng. Thêm nữa, lượng tài nguyên trong mỗi cấp phát có thể trải rộng từ một khe đến toàn bộ khung. Cấp phát tài nguyên tốt và nhanh cho phép QoS mong ước cho lưu lượng dữ liệu. QoS định hướng: Bộ lập lịch MAC điều khiển truyền dữ liệu trên cơ sở từng kết nối. Mỗi kết nối được kết hợp với một dịch vụ dữ liệu có một tập các thông số QoS để xác định khía cạnh hoạt động của nó. Với khả năng cấp phát động tài nguyên cho cả UL và DL, bộ lập lịch có thể cung cấp QoS mong muốn cho cả lưu lượng UL và DL. Đặc biệt với lập lịch đường lên –Tài nguyên đường lên được cấp phát hiệu quả hơn, hiệu suất dễ tiên đoán hơn và QoS tốt hơn. Lập lịch lựa chọn tần số: Bộ lập lịch có thể hoạt động trên các loại kênh con khác nhau. Với các kênh con tần số thay đổi khác nhau như hoán vị PUSC, các sóng mang con trong các kênh con được phân bố giả ngẫu nhiên dọc theo băng thông, các kênh con có chất lượng như nhau. Lập lịch tần số thay đổi khác nhau có thể hỗ trợ QoS có tính chất tốt hơn và lập lịch tài nguyên thời gian-tần số linh hoạt. Với hoán vị liền kề như hoán vị AMC, các kênh con phải chịu suy hao khác nhau. Lập lịch lựa chọn tần số có thể cấp phát các người sử dụng di động cho các kênh con tương ứng mạnh nhất. Lập lịch lựa chọn tần số có thể làm tăng dung lượng hệ thống với sự tăng vừa phải trong tiêu đề CQI ở UL. 3.4.3.Quản lý tính di động Tuổi thọ của pin và chuyển giao là hai vấn đề then chốt của các ứng dụng di động. 802.16e hỗ trợ chế độ Sleep và chế độ Idle cho phép hoạt động MS hiệu quả về công suất. 802.16e cũng hỗ trợ chuyển giao cho phép MS chuyển mạch từ một trạm gốc tới trạm khác mà không làm ngắt quãng kết nối. Quản lý công suất Chuẩn IEEE 802.16e hỗ trợ hai chế độ để vận hành công suất hiệu quả-chế độ Sleep và chế độ Idle. Chế độ Sleep là một trạng thái trong đó MS kiểm soát các khoảng thời gian vắng mặt ở giao diện vô tuyến trạm gốc phục vụ được đàm phán trước. Khoảng thời gian này được đặc trưng bởi tính không không khả dụng của MS, được quan sát từ trạm gốc phục vụ, tới lưu lượng DL hoặc UL. Chế độ Sleep nhằm tối thiểu hoá sự sử dụng công suất MS và sử dụng tài nguyên giao diện vô tuyến trạm gốc phục vụ. Chế độ Sleep cũng cung cấp tính linh hoạt cho MS để quét các trạm gốc khác nhằm thu thập thông tin cần cho chuyển giao trong suốt chế độ Sleep. Chế độ Idle cung cấp một kỹ thuật cho MS để trở nên có hiệu lực một cách định kì cho bản tin lưu lượng quảng bá DL mà không có sự đăng kí tại một trạm gốc đặc biệt khi MS đi qua môi trường liên kết vô tuyến có nhiều trạm gốc cư trú. Chế độ Idle giúp ích cho MS bằng cách chuyển các yêu cầu cho chuyển giao, các hoạt động thông thường khác; giúp ích cho mạng và trạm gốc bằng cách loại trừ giao diện vô tuyến và lưu lượng chuyển giao từ các MS không tích cực khi mà vẫn cung cấp một phương pháp đơn giản và hợp lí (gói) để báo cho MS về lưu lượng DL. Chuyển giao Có ba phương pháp chuyển giao được hỗ trợ trong chuẩn 802.16e- chuyển giao cứng (HHO), chuyển mạch trạm gốc nhanh (FBSS), và chuyển giao phân tập macro (MDHO). Trong đó, HHO là bắt buộc còn FBSS và MDHO là hai chế độ tự chọn. Diễn đàn WiMAX đã triển khai một vài kỹ thuật để tối ưu hoá chuyển giao cứng trong chuẩn 802.16e. Sự cải thiện này được triển khai với mục đích giữ trễ chuyển giao lớp 2 luôn nhỏ hơn 50 ms. Khi FBSS được hỗ trợ, MS và BS duy trì một danh sách các BS được bao hàm trong FBSS cùng với MS. Tập này được gọi là tập tích cực. Trong FBSS, MS giám sát liên tục các trạm gốc trong tập tích cực. Trong số các BS ở tập tích cực, một BS neo được định nghĩa. Khi hoạt động trong FBSS, MS chỉ liên lạc với BS neo bằng các bản tin đường xuống và đường lên bao gồm các kết nối lưu lượng và quản lý. Sự chuyển tiếp từ một BS neo này tới BS khác (tức là chuyển mạch BS) được thực hiện mà không cần viện dẫn các bản tin báo hiệu HO rõ ràng. Thủ tục cập nhật neo được cho phép bởi độ dài của tín hiệu thông tin của BS phục vụ qua kênh CQI. Một chuyển giao FBSS bắt đầu với quyết định thu hoặc phát dữ liệu của MS từ BS neo mà có thể thay đổi trong tập tích cực. MS quét các BS lân cận và lựa chọn cái nào được cho là phù hợp trong một phiên thiết lập tích cực. MS báo cáo lựa chọn các BS và thủ tục cập nhật thiết lập tích cực được thực hiện bởi BS và MS. MS giám sát liên tục độ dài tín hiệu của các BS trong thiết lập tích cực và lựa chọn một BS từ thiết lập BS neo. MS báo cáo lựa chọn BS trên CQICH hoặc MS khởi đầu bản tin yêu cầu HO. Một yêu cầu quan trọng của FBSS là dữ liệu được phát cùng một lúc tới tất cả các bộ phận của một thiết lập tích cực của các BS có thể phục vụ MS. Với các MS và BS được hỗ trợ MDHO, MS và BS duy trì một thiết lập tích cực của các BS bao gồm trong MDHO với MS. Giữa các BS trong thiết lập tích cực, một BS neo được định nghĩa. Chế độ chuẩn của hoạt động quy vào một trường hợp riêng biệt của MDHO với thiết lập tích cực gồm có một BS đơn. Khi hoạt động trong MDHO, MS liên lạc với tất cả các BS trong thiết lập tích cực của các bản tin đơn hướng đường xuống và đường lên và lưu lượng. Một MDHO bắt đầu khi một MS quyết định để thu hoặc phát bản tin đơn hướng và lưu lượng từ nhiều BS trong khoảng thời gian giống nhau. Với MDHO đường xuống, hai hoặc nhiều hơn BS cung cấp truyền dẫn đồng bộ của dữ liệu đường xuống MS như kết hợp đa dạng được thực hiện tại MS. Với MDHO đường lên, truyền dẫn từ MS được thu bởi nhiều BS trong đó lựa chọn đa dạng của thông tin thu được thực hiện. 3.4.4. An ninh Chuẩn IEEE 802.16e hỗ trợ các đặc điểm lớp an ninh bằng cách các công nghệ khả dụng tốt nhất hiện nay. Hỗ trợ nhận thực người sử dụng / thiết bị tương hỗ, giao thức quản lý khoá linh hoạt, mật hoá lưu lượng, quản lý và điều khiển bảo vệ bản tin và tối ưu hoá giao thức an ninh cho các chuyển giao nhanh. Giao thức quản lý khoá: giao thức quản lý khoá và mật mã riêng phiên bản 2 (PKMv2) là cơ sở của an ninh được định nghĩa trong 802.16e. Giao thức này quản lý an ninh MAC sử dụng các bản tin PKM-REQ/RSP. Nhận thực PKM EAP, điều khiển mật hoá lưu lượng, trao đổi khoá chuyển giao và tất cả các bản tin an ninh đa hướng/quảng bá đều dựa vào giao thức này. Nhận thực người sử dụng/thiết bị: Chuẩn IEEE 802.16e sử dụng giao thức IETF EAP để hỗ trợ nhận thực người sử dụng và thiết bị bằng cách cung cấp hỗ trợ dựa vào SIM, USIM hoặc chứng nhận số hoặc dựa vào username/password. Các phương pháp nhận thực EAP-SIM, EAP-AKA, EAP-TLS hoặc EAP-MSCHAPv2 tương ứng được hỗ trợ qua giao thức EAP. Phương pháp chuyển khoá chỉ được giao thức EAP hỗ trợ. Mật hoá lưu lượng: AES-CCM là mật mã được sử dụng để bảo vệ tất cả dữ liệu người sử dụng trên giao diện MAC. Các khoá sử dụng để tạo mật mã được tạo ra từ nhận thực EAP. Một kỹ thuật trạng thái mật hoá lưu lượng có một kỹ thuật nạp lại khoá chu kì (TEK) cho phép duy trì liên tục trạng thái chuyển tiếp của các khoá để cải thiện sự bảo vệ. Bảo vệ bản tin điều khiển: dữ liệu điều khiển được bảo vệ bằng sử dụng AES dựa vào CMAC, hoặc MD5 dựa vào kế hoạch HMAC. Hỗ trợ chuyển giao nhanh: Kế hoạch bắt tay ba bước được hỗ trợ bởi chuẩn IEEE 802.16e để tối ưu kỹ thuật nhận thực lại cho mục đích chuyển giao nhanh. Kỹ thuật này cũng có ích để ngăn chặn kẻ xâm phạm (man-in-the-middle-attacks). Chương 4 QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG WIMAX TẠI VIỆT NAM 4.1. Mô hình thử nghiệm wimax tại bưu điện tỉnh Lào Cai Dự án thử nghiệm WiMAX được triển khai tại Lào Cai là kết quả của sự hợp tác giữa Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt Nam (VNPT), đại diện là công ty Điện toán và Truyền số liệu VDC), Tập đoàn Intel và cơ quan hỗ trợ phát triển quốc tế hoa kỳ (USAID) để cùng triển khai công nghệ băng thông rộng không dây thế hệ mới tới vùng sâu vùng xa của Việt Nam. Tại địa phương có hai đơn vị tham gia hỗ trợ triển khai dự án là Bưu điện tỉnh Lào Cai (đơn vị thành viên của VNPT) và trung tâm CNTT tỉnh Lào Cai (LCIT). Dự án thử nghiệm WiMAX tại Lào Cai sử dụng thiết bị theo chuẩn 802.16 Rev D chạy ở tần số 3.3-3.4 GHz của hãng Alvarion, được triển khai tại 19 điểm đầu cuối bao gồm: 01 điểm Bưu điện Văn hoá xã 02 điểm truy cập café Internet, 06 trường học, 02 Cơ sở y tế, 02 doanh nghiệp vừa và nhỏ, 05 trụ sở chính quyền địa phương, 01 hộ nông dân. Hệ thống được triển khai hai ứng dụng: Truy nhập Internet tốc độ cao và gọi điện thoại VoIP. Truy nhập Internet tốc độ cao: với dịch vụ này, người dùng có thể truy nhập Internet với tốc độ tương đương và lớn hơn dịch vụ ADSL. Bên cạnh đó, hệ thống WiMAX tạo nền tảng cho người dùng đầu cuối có thể sử dụng bất cứ dịch vụ Internet nào mà nhà cung cấp dịch vụ có thể cung cấp. Gọi điện thoại VoIP: đây là hình thức gọi điện thoại trên Internet dùng công nghệ SIP. Người dùng đầu cuối có thể gọi giữa các thuê bao VoIP với nhau, gọi đến thuê bao PSTN và ngược lại. Mô hình wimax xây dựng tại bưu điện tỉnh Lào Cai có trạm gốc BS đặt tại Lào Cai. Anten của hệ thống wimax thuộc dạng Ommi-directional sẽ được treo trên tháp Anten của bưu điện tỉnh tại độ cao 70m so với mặt đất. Vì khoảng cách từ chân tháp đến phòng máy là khoảng 80m nên dây cáp truyền sóng sẽ có độ dài khoảng 150m, đi theo hệ thống máng cáp của bưu điện tỉnh. Hệ thống wimax của hãng Alvarion cung cấp có khoảng cách phủ sóng lên đến 10Km đến anten phía người dùng theo tầm nhìn thẳng. Và có khoảng cách phủ sóng khoảng 3-4Km đến anten phía người dùng không theo tầm nhìn thẳng. Hình 4.1 Sơ đồ kết nối trạm góc BS Lào Cai Sóng điện từ thu được từ Anten, theo dây feeder RG213 đi vào trong phòng máy đến một thiết bị đặt trong nhà gọi là Wimax Access Point Indoor Unit. Thiết bị này có chức năng biến đổi tính hiệu sóng điện từ thành tín hiệu điện và xử lý tín hiệu này để kết nối vào hệ thống. Hệ thống wimax kết nối vào internet thông qua DSLAM như mọi thuê bao ADSL bình thường. Cấu hình ADSL này cần tăng tốc độ download/upload 8:1 Mbps. Đây là tốc độ phù hợp với số thuê bao dự định là 18 thuê bao. Cùng kết nối tới hệ thống này có một NMS Server (Network Management Symtem Server) là một máy chủ chạy phần mềm Breezel ITE của Alvarion máy chủ này có chức năng quản lý truy nhập của các CPE, thống kê phân tích lưu lượng. Ngoài ra, tại phòng máy còn có một thiết bị gọi là Media Gateway. Đây là thiết bị để kết nối hệ thống VoIP với hệ thống PSTN, hai đường dây điện thoại sẽ được gắn với thiết bị này. Các thiết bị wimax trong nhà Indoor Unit, NMS server, Media Gateway đều được gán địa chỉ Global IP để có thể quản lý từ xa. Hình 4.2 Sơ đồ kết nối tại đầu cuối người sử dụng Tại End-User thiết bị anten wimax được gắn trên nóc nhà để thu phát tín hiệu. Từ anten tín hiệu được truyền vào trong nhà đến một thiết bị gọi là IDU. Thiết bị IDU có chức năng như một Router với đầy đủ các tính năng định tuyến, DHCP. IDU có thể kết nối với một switch nhiều cổng để có thể cung cấp kết nối internet cho nhiều máy. Mỗi người dùng đầu cuối sẽ được trang bị ít nhất một IP phone để có thể gọi điện thoại qua internet . Đối với ứng dụng gọi điện thoại qua internet (VoIP), hạ tầng wimax chỉ đóng vai trò truyền dẫn. Về bản chất VoIP độc lập với phương thức truyền dẫn, dù đó là có dây hay không dây. Hệ thống VoIP gồm 3 thành phần cơ bản sau đây: SIP server, IP SIP phone và voice Gateway. SIP server có vai trò quản lý và định tuyến cuộc gọi, nó giống như tổng đài điện thoại trong mạng PSTN. Hình 4.3 Sơ đồ kết nối cho ứng dụng VoIP Trong dự án ACP/LMI, SIP server là một server chạy phần mềm có tên Lign-Up. SIP server trong thời gian thử nghiệm sẽ đặt tại trụ sở VDC. IP SIP phone là điện thoại có khả năng thực hiện các cuộc gọi VoIP dùng công nghệ SIP. IP SIP phone có thể là một điện thoại để bàn, một thiết bị cầm tay kết nối qua WiFi, có thể là một máy điện thoại thông thường kết nối tới một thiết bị chuyển đổi gọi là ATA. Với IP SIP phone các End-User có thể thực hiện các cuộc gọi VoIP với nhau. Để kết nối giữa mạng VoIP và mạng PSTN thì cần một thiết bị gọi là Voice Gateway. Dự án ABC/LMI dùng một thiết bị Voice Gateway có tên là: Media trix 1024. Thiết bị này có chức năng chuyển đổi một cuộc gọi từ mạng VoIP sang mạng PSTN và ngược lại. 4.2. Các kết quả thử nghiệm Khả năng bao phủ của mạng: Các đầu cuối của dự án được triển khai trong bán kính 5km xung quanh trạm gốc BTS, tuy nhiên kết quả đo kiểm hệ thống do Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện tiến hành cho thấy mạng hoạt động tốt ở trạm vi ba Cam Đường với khoảng cách 9,5km. Tính cơ động: Hệ thống WiMAX Lào Cai có kích thước nhỏ gọn, rất dễ dàng cho việc lắp đặt và bảo trì, bảo hành. Các thiết bị WiMAX chỉ dùng nguồn điện thông thường, rất thuận tiện cho việc triển khai và vận hành Khả năng quản lý của mạng: Hệ thống WiMAX được nối với một Server có thể quản lý được việc truy nhập vào ra của các SU. Hệ thống quản lý có chức năng qui định các mức chất lượng và lưu lượng khác nhau cho từng SU. Đánh giá chung về hoạt động của hệ thống WiMAX: Hệ thống đã được lắp đặt và hoạt động khá ổn định Các thiết bị khách hàng CPE (Customer Premises Equipment) được lắp đặt hiện tại đều nằm trong tầm nhìn thẳng nên có công suất thu được lớn. Khi hoạt động ở tốc độ cao CPE và BS có thể sử dụng các kiểu điều chế tốc độ cao như QAM16, QAM 64 với tỉ lệ lỗi cụm thấp. Tốc độ download, upload dữ liệu lớn đáp ứng được các yêu cầu dịnh vụ Internet. Hệ thống WiMAX có khả năng cung cấp truy nhập tốc đội tối đa lên đến 10 Mbps theo thiết kế và trong thực tế đạt được 4-5 Mbps trong quá trình thử thiết bị. Các thuê bao trong dự án được cung cấp mức dịch vụ khác nhau tuỳ vào ứng dụng tại từng địa điểm thử nghiệm, với tốc độ tối đa khác nhau từ 512 Kbps tới 4Mbps, hoặc là cam kết về thời gian trễ ít nhất với thuê bao thiên về ứng dụng VoIP như tại nhà ông Vương Trung Thìn. Khoảng cách giữa CPE và BS (Base Station): Trong điều kiện tầm nhìn thẳng (LOS): tín hiệu vẫn thu được với khoảng cách giữa CPE và BS lên tới 9.5 km và có thể lớn hơn. Trong điều kiện tầm nhìn không thẳng (NLOS): khả năng hoạt động của hệ thống tùy thuộc vào địa hình, địa vật giữa CPE và BS. Hệ thống đã hoạt động được với khoảng cách 2.2km và có thể lớn hơn. Anten của CPE là anten định hướng nên SU chỉ thu tốt với những vị trí phù hợp. Tại cùng vị trí đặt SU ở các góc khác nhau, công suất thu, tỉ lệ lỗi bit BER của CPE khác nhau. 4.3. Hệ thống điện thoại VoIP trên nền wimax Đối với chất lượng thoại VoIP trên nền Công nghệ WiMAX, theo khảo sát của Viện khoa học Kỹ thuật Bưu điện, VDC và Bưu điện tỉnh Lào Cai và Trung tâm CNTT tỉnh Lào Cai cũng như người sử dụng đánh giá thì chất lượng dịch vụ VoIP trên nền công nghệ WiMAX là rất tốt, âm thanh rõ ràng, không có tiếng vọng, không có hiện tượng vỡ tiếng. Các thuê bao VoIP đặt tại BĐ-VHX Vạn Hoà, một xã vùng sâu vùng xa là hoạt động nhiều nhất, phục vụ cho nhu cầu của những hộ dân của xã này. Trung bình mỗi ngày tại đây phát sinh hơn 10 cuộc gọi. Những người dân xung quanh đây chưa có điều kiện trang bị các thuê bao điện thoại PSTN cũng như rất nghèo, nên hệ thống của thử nghiệm đã phát huy tác dụng rất tốt tại điểm này. Các điện thoại VoIP thực hiện nhiều cuộc gọi nhất là tại các điểm Bưu điện Lào Cai, BĐ-VHX Vạn Hòa, Khách sạn Hoa Vinh, Trường THCS Lê Quí Đôn, Trường chuyên cấp 2 Ngô Văn Sở, Trạm y tế xã Bắc Cường và hộ nông dân Vương Trung Thìn. Các điểm BĐ-VHX, điểm truy nhập Internet công cộng, các trường học, trạm y tế xã và các hộ dân là những điểm thử nghiệm hết sức thành công, nhu cầu sử dụng Internet và điện thoại VoIP qua hệ thống WiMAX tại những địa điểm thử nghiệm này rất lớn. Các cơ quan chính quyền do đã có sẵn điện thoại PSTN nên nhu cầu sử dụng điện thoại VoIP trong thực tế chưa lớn như mong muốn. Do là công nghệ không dây nên việc triển khai hệ thống diễn ra một cách nhanh chóng, nhất là ở những vùng sâu vùng xa, những nơi mà việc kéo cáp viễn thông là hết sức khó khăn. Toàn bộ thời gian để triển khai tại trạm gốc và 10 điểm đầu cuối chỉ diễn ra trong vòng 1 tuần. Cơ cấu đất tại Lào Cai thường hay diễn ra sạt lở đất thì ưu điểm không dây càng thể hiện rõ hơn. WiMAX là công nghệ mới mẻ. Các kết quả triển khai thử nghiệm WiMAX tại Lào Cai là những sở cứ kỹ thuật rất cần thiết trong quá trình lựa chọn những giải pháp phát triển cơ sở hạ tầng viễn thông.