Kỹ thuật xử lý tín hiệu trong wimax

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WiMAX Giới thiệu chương: Trong chương 1 này sẽ tìm hiểu về những khái niệm cơ bản, về cấu trúc, các băng tần sử dụng trong hệ thống mạng WiMAX. Qua đó chúng ta có thể thấy được các ứng dụng thực tế và những ưu nhược điểm của công nghệ WiMAX so với các phương thức truyền thông khác. Giới thiệu về wimax WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access - Khả năng tương tác toàn cầu với truy nhập vi ba) là một công nghệ ra đời dựa trên chuẩn 802.16 của IEEE cho phép truy cập vô tuyến đầu cuối (last mile) như một phương thức thay thế cho cáp, DSL và WLAN. Họ tiêu chuẩn IEEE 802.16 định nghĩa các giao diện vô tuyến trong mạng vô tuyến nội thị (WiMAX) cho việc truy nhập vô tuyến băng rộng cố định (BWA), nó cung cấp “chặng cuối” cho công nghệ truy nhập tới các hotpot với thoại, video và những dịch vụ dữ liệu tốc độ cao. Ưu điểm nổi bật nhất của BWA là nó có chi phí thấp cho sự lắp đặt và bảo trì so với những mạng hữu tuyến truyền thống hoặc so với mạng truy nhập quang, đặc biệt là cho những vùng xa xôi hoặc những vùng có địa hình khó khăn.WiMAX chính là một giải pháp cho việc mở rộng mạng truyền dẫn quang và nó có thể cung cấp một dung lượng lớn hơn so với các mạng cáp hoặc các đường thuê bao số (DSL). Các mạng WiMAX có thể được xây dựng dễ dàng trong một thời gian ngắn bằng cách triển khai một số lượng nhỏ các trạm gốc (BS) trên các toà nhà hoặc trên các cột điện để tạo ra những hệ thống truy nhập vô tuyến dung lượng lớn. Hệ thống WiMAX cho phép kết nối băng rộng vô tuyến cố định (người sử dụng có thể di chuyển nhưng cố định trong lúc kết nối), mang xách được (người sử dụng có thể di chuyển ở tốc độ đi bộ), di động với khả năng phủ sóng của một trạm anten phát lên đến 50km dưới các điều kiện tầm nhìn thẳng (LOS) và bán kính lên tới 8km không theo tầm nhìn thẳng (NLOS). Mô hình hệ thống Mô hình phủ sóng mạng WiMAX tương tự như một mạng điện thoại di động : Hình 1.1 Mô hình hệ thống WiMAX Một hệ thống WiMAX được mô tả như hình gồm có 2 phần : Trạm phát: giống như các trạm BTS trong mạng thông tin di động với công suất lớn, có thể phủ sóng khu vực rộng tới 8000km2. Trạm thu: có thể là các anten nhỏ như các loại card mạng tích hợp (hay gắn thêm) trên các mainboard của máy tính như WLAN. Các trạm phát được kết nối tới mạng Internet thông qua các đuờng truyền Internet tốc độ cao hay kết nối tới các trạm khác như là trạm trung chuyển theo đường truyền trực xạ (line of sight) nên WiMAX có thể phủ sóng đến những khu vực xa. Các anten thu phát có thể trao đổi thông tin qua qua các đường truyền LOS hay NLOS.Trong trường hợp truyền thẳng LOS, các anten được đặt cố định tại các điểm trên cao, tín hiệu trong trường hợp này ổn định và đạt tốc độ truyền tối đa. Băng tần sử dụng có thể ở tần số cao, khoảng 66GHz, vì ở tần số này ít bị giao thoa với các kênh tín hiệu khác và băng thông sử dụng lớn. Một đường truyền LOS yêu cầu phải có đặc tính là toàn bộ miền Fresnel thứ nhất không hề có chướng ngại vật, nếu đặc tính này không được bảo đảm thì cường độ tín hiệu sẽ suy giảm đáng kể. Không gian miền Fresnel phụ thuộc vào tần số hoạt động và khoảng cách giữa trạm phát và trạm thu. Miền Fresnel thứ nhất Hình 1.2 Miền Fresnel trong trường hợp LOS Trong trường hợp truyền NLOS, hệ thống sử dụng băng tần thấp hơn 2- 11GHz, tương tự như WLAN, tín hiệu có thể vượt các vật chắn thông qua đường phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ ….để đến đích. Các tín hiệu nhận được ở phía thu bao gồm sự tổng hợp các thành phần nhận được từ đường đi trực tiếp, các đường phản xạ, năng lượng tán xạ và các thành phần nhiễu xạ. Những tín hiệu này có những khoảng trễ, sự suy giảm, sự phân cực và trạng thái ổn định liên quan tới đường truyền trực tiếp là khác nhau. Hình 1.3 Truyền sóng trong trường hợp NLOS Hiện tượng truyền sóng đa đường cũng là nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi phân cực tín hiệu. Do đó sử dụng phân cực cũng như tái sử dụng tần số mà được thực hiện bình thường trong triển khai LOS lại khó khăn trong các ứng dụng NLOS. Nếu chỉ đơn thuần tăng công suất phát để “vượt qua” các chướng ngại vật không phải là công nghệ NLOS. Điều kiện phủ sóng của cả LOS và NLOS bị chi phối bởi các đặc tính truyền sóng của môi trường, tổn hao trên đường truyền (path loss) và quỹ công suất của đường truyền vô tuyến. 1.3 Các ưu và nhược điểm của công nghệ WiMAX 1.3.1 Một số ưu điểm chính của công nghệ WiMAX 1.3.1.1 Lớp vật lí của WiMAX dựa trên nền kĩ thuật OFDM (ghép kênh phân tần trực giao) Kỹ thuật này giúp hạn chế hiệu ứng phân tập đa đường, cho phép WiMAX hoạt động tốt trong môi truờng NLOS nên độ bao phủ rộng hơn, do đó khoảng cách giữa trạm thu và trạm phát có thể lên đến 50km. Cũng nhờ kĩ thuật OFDM, phổ các sóng mang con có thể chồng lấn lên nhau nên sẽ tiết kiệm, sử dụng hiệu quả băng thông và cho phép truyền dữ liệu với tốc độ cao: phổ tín hiệu 10MHz hoạt động ở chế độ TDD (song công phân thời) với tỉ số đường xuống/đường lên (downlink-to-uplink ratio) là 3:1 thì tốc độ đỉnh tương ứng sẽ là 25Mbps và 6.7Mbps. 1.3.1.2 Hệ thống WiMAX có công suất cao Trong WiMAX hướng truyền tin chia thành hai đường : hướng lên( uplink) và hướng xuống (downlink), hướng lên có tần số thấp hơn hướng xuống và đều sử dụng kĩ thuật OFDM. OFDM sử dụng tối đa 2048 sóng mang, trong đó 1536 sóng mang dành cho thông tin được chia thành 32 kênh con, mỗi kênh con tương đương 48 sóng mang. WiMAX còn sử dụng thêm điều chế nhiều mức thích ứng từ BPSK, QPSK đến 256 - QAM kết hợp các phương pháp sửa lỗi như ngẫu nhiên hoá, mã hoá sửa lỗi Reed Solomon,mã xoắn tỉ lệ mã từ 1/2 đến 7/8, làm tăng độ tin cậy kết nối với hoạt động phân loại sóng mang và tăng công suất qua khoảng cách xa hơn. Ngoài ra WiMAX còn cho phép sử dụng công nghệ TDD và FDD cho việc phân chia truyền dẫn hướng lên và hướng xuống. 1.3.1.3 Lớp MAC dựa trên nền OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access- truy nhập OFDM) Độ rộng băng tần của WiMAX từ 5MHZ đến trên 20MHz được chia nhỏ thành nhiều băng con 1.75Mhz, mỗi băng con này được chia nhỏ hơn nhờ kĩ thuật OFDM, cho phép nhiều thuê bao truy cập đồng thời một hay nhiều kênh một cách linh hoạt, đảm bảo hiệu quả sử dụng băng thông.OFDMA cho phép thay đổi tốc độ dữ liệu để phù hợp với băng thông tương ứng nhờ thay đổi số mức FFT ở lớp vật lí; ví dụ một hệ thống WiMAX dùng biến đổi FFT lần lượt là: 128 bit, 512 bit, 1048 bit tương ứng với băng thông kênh truyền là: 1.25MHz, 5MHz, 10MHz; nhờ vậy sẽ dễ dàng hơn cho user kết nối giữa các mạng có băng thông kênh truyền khác nhau. 1.3.1.4 Chuẩn cho truy cập vô tuyến cố định và di động tương lai WiMAX do diễn đàn WiMAX đề xuất và phát triển dựa trên nền 802.16, tập chuẩn về hệ thống truy nhập vô tuyến băng rộng cho di động và cố định của IEEE, nên các sản phẩm, thiết bị phần cứng sẽ do diễn đàn WiMAX chứng nhận phù hợp, tương thích ngược với HiperLAN của ETSI cũng như Wi-Fi. Hỗ trợ các kĩ thuật anten: phân tập thu phát, mã hoá không gian, mã hoá thời gian. Hỗ trợ kĩ thuật hạ tầng mạng trên nền IP : QoS (trong các dịch vụ đa phương tiện, thoại), ARQ (giúp bảo đảm độ tin cậy kết nối), …. 1.3.1.5 Chi phí thấp Thiết lập, cài đặt dịch vụ WiMAX dễ dàng sẽ giảm chi phí cho nhà cung dịch vụ cũng như khách hàng. Tạo điều kiện thuận lợi để phát triển các dịch vụ truyền thông đa phương tiện ở các vùng sâu, vùng xa, những nơi khó phát triển hạ tầng mạng băng rộng, khắc phục những giới hạn của đường truyền Internet DSL và cáp. CPE vô tuyến cố định có thể sử dụng cùng loại chipset modem được sử dụng trong máy tính cá nhân (PC) và PDA, vì ở khoảng cách gần các modem có thể tự lắp đặt trong nhà CPE sẽ tương tự như cáp, DSL và các trạm gốc có thể sử dụng cùng loại chipset chung được thiết kế cho các điểm truy cập WiMAX chi phí thấp và cuối cùng là số lượng tăng cũng thỏa mãn cho việc đầu tư vào việc tích hợp mức độ cao hơn các chipset tần số vô tuyến (RF), làm chi phí giảm hơn nữa. Một số nhược điểm của công nghệ WiMAX Dải tần WiMAX sử dụng không tương thích tại nhiều quốc gia, làm hạn chế sự phổ biến công nghệ rông rãi. Do công nghệ mới xuất hiện gần đây nên vẫn còn một số lỗ hổng bảo mật. Tuy được gọi là chuẩn công nghệ nhưng thật sự chưa được “chuẩn” do hiện giờ đang sử dụng gần 10 chuẩn công nghệ khác nhau. Theo diễn dàn WiMAX chỉ mới có khoảng 12 hãng phát triển chuẩn WiMAX được chứng nhận bao gồm : Alvarion, Selex Communication, Airspan, Proxim Wilreless, Redline, Sequnas, Siemens, SR Telecom, Telsim, Wavesat, Aperto, Axxcelera. Về giá thành: Dù các hãng, tập đoàn sản xuất thiết bị đầu cuối (như Intel, Alcatel, Alvarion, Motorola…) tham gia nghiên cứu phát triển nhưng giá thành vẫn còn rất cao. Công nghệ này khởi xướng từ nước Mỹ, nhưng thực sự chưa có thông tin chính thức nào đề cập đến việc Mỹ sử dụng WiMAX như thế nào, khắc phục hậu quả sự cố ra sao. Ngay cả ở Việt Nam,VNPT ( với nhà thầu nước ngoài là Motorola, Alvarion) cũng đã triển khai ở một số tỉnh miền núi phía Bắc, cụ thể là ở Lào Cai nhưng cũng chỉ giới hạn là các điểm truy cập Internet tại Bưu điện tỉnh, huyện chứ chưa có những kết luận chính thức về tính hiệu quả đáng kể của hệ thống. Cấu trúc của WiMAX Về cấu trúc phân lớp, hệ thống WiMAX được phân chia thành 4 lớp: Lớp con tiếp ứng (convergence) làm giữ vai trò giao diện giữa lớp đa truy nhập và các lớp bên trên. Lớp đa truy nhập ( MAC layer). Lớp truyền dẫn (transmission). Lớp vật lý (physical layer) Các lớp này tương đương với 2 lớp dưới cùng cùng của mô hình OSI,được tiêu chuẩn hoá để giao tiếp với nhiều ứng dụng lớp trên. 1.4.1 Các đặc tính của lớp vật lý ( PHY) Có 3 kiểu lớp vật lý ( PHY) được đưa ra trong chuẩn 802.16 : WirelessMAN PHY SC: Sử dụng điều chế đơn sóng mang. WirelessMAN PHY OFDM 256 điểm FFT: Sử dụng ghép kênh phân chia theo tần số trực giao có 256 điểm biến đổi Fourier nhanh (FFT). Điều này là bắt buộc cho các băng tần được miễn cấp phép. WirelessMAN PHY OFDMA 2048 điểm FFT: Sử dụng đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao có 2048 điểm FFT. Đa truy nhập được sử dụng bằng cách gửi một tập con nhiều sóng mang cho các máy thu riêng biệt. Đầu tiên là Wireless Metropolitan Area Network - Single carrier physical layer (MAN vô tuyến - lớp vật lý đơn sóng mang) dựa trên tập chuẩn 802.16c, hoạt động ở băng tần 11-66GHz. Trạm gốc (Base Station-BS) chỉ cần một anten đẳng hướng, truyền dữ liệu hướng xuống các user đã có mã số nhận dạng kết nối (Connection Identifer - CID). Các máy thu (Subcriber Station - SS) với các anten định hướng, hướng về phía các BS (máy phát). Tín hiệu xử lí phía máy phát bao gồm: ngẫu nhiên hoá, mã hoá sửa lỗi, sắp xếp các kí hiệu, sửa dạng xung (pulse shaping) truớc khi truyền đi. Ngẫu nhiên hoá để bảo đảm khôi phục tín hiệu phía đầu thu vì nếu tín hiệu không được mã hoá giả ngẫu nhiên thì năng lượng sẽ tập trung tại một số tần số nào đó như phổ vạch, điều này tạo ra nguy hiểm cho máy thu, bộ dao động VCO của máy thu có thể khoá pha tại các tần số này thay vì tại tần số sóng mang sẽ dẫn đến không giải điều chế được và sẽ mất thông tin của luồng dữ liệu. Bộ mã hoá sửa lỗi FEC bao gồm mã Reed Solomon, mã chập (mã xoắn), có thể có thêm mã kiểm tra chẳn lẻ hay mã xoắn turbo (Convolution turbo code - CTC). Tỉ lệ mã phụ thuộc vào điều kiện của kênh truyền và tỉ số bít lỗi (Bit error rate- BER). Các kĩ thuật điều chế thường là QPSK, 16-QAM, đôi khi sử dụng 64 - QAM. Chuẩn này áp dụng cho kết nối vi ba điểm - điểm (point to point- PPP) và điểm - đa điểm (point to multi point- PMP); giúp tiết kiệm thời gian, chi phí hơn so với việc lắp đặt cáp. Ngoài ra, tập chuẩn 802.16a cũng hỗ trợ WirelessMAN PHY SC nhưng dành cho băng tần dưới 11GHZ và hoạt động trong NLOS. SS có thể là một máy tính với vớ modem gắn ngoài nối với một anten đẳng hướng. Tập chuẩn này cũng hỗ trợ song công TDD và FDD, như 802.16c, sử dụng thêm các kĩ thuật cân bằng và uớc lượng kênh để khắc phục hiệu ứng đa đường, và để nâng chất lượng tín hiệu vẫn phải sử dụng TCM( trellis coded modulation), FEC, ghép xen, hệ thống anten thích ứng (Adaptive Antenna System - AAS), mã hoá không gian thời gian (Space Time coding - STC). WirelessMAN 256 sóng mang dựa trên tập chuẩn 802.16d, cung cấp dịch vụ kết nối băng rộng trong nhà. Các SS là các thiết bị anten dùng trong nhà và có thể di chuyển với tốc độ thấp (portable). Nhờ sử dụng OFDM nên cho phép kết nối NLOS dưới 11GHz, và làm bỏ bớt khối cân bằng trong bộ thu.Các kĩ thuật hỗ trợ cũng gồm: FEC với Reed-Solomon, AAS, STC, ghép xen; thời gian kí hiệu và số điểm FFT có thể thay đổi cho phù hợp với băng thông tương ứng. Với WirelessMAN OFDMA 2048 sóng mang: tương tự như WirelessMAN 256 sóng mang nhưng có nhiều ưu điểm hơn. Dựa trên tập chuẩn 802.16e (2005), với sự hỗ trợ của OFDMA ở lớp vật lý, cho phép các user (SS) di chuyển với tốc độ cao, khoảng gần 125km/s, sử dụng mã hoá kênh là mã xoắn, mã xoắn turbo, mã khối, mã kiểm tra chẳn lẻ mật độ thấp (Low Density Parity Check- LDPC); dữ liệu được ngẫu nhiên hoá, ghép xen để tránh tổn thất khi khôi phục và lỗi cụm.Ngoài kĩ thuật AAS, STC còn sử dụng thêm phân tập thu phát (Multi In Multi Out –MIMO). Các đặc tính của lớp truy nhập (MAC) Physical Layer Tranmission MAC Layer Convergence Physical Layer MAC Layer Mô hình OSI Kiến trúc phân lớp của WiMAX Hình 1.4 Phân lớp của WiMAX so với mô hình OSI Chuẩn 802.16 của IEEE đưa ra cùng một lớp MAC cho tất cả lớp PHY (đơn sóng mang, 256 OFDM, 2048 OFDMA). Lớp MAC này là kết nối được định hướng điểm - đa điểm.Hoạt động truy nhập kênh ở lớp MAC của WiMax hoàn toàn khác so với WiFi. WiMax hỗ trợ phương pháp truyền song công FDD và TDD sử dụng kỹ thuật truy nhập TDMA/OFDMA. Ưu điểm của phương pháp này là nó cho phép linh động thay đổi độ rộng băng tần lên hoặc xuống, dẫn đến có thể thay đổi tốc độ phát (Upload) hoặc thu (Download) dữ liệu chứ không phải là cố định như trong ASDL hay CDMA.Trong WiFi tất cả các trạm truy nhập một cách ngẫu nhiên đến điểm truy cập (Access point - AP), chính vì vậy khoảng cách khác nhau từ mỗi nút đến AP sẽ làm giảm thông lượng mạng. Ngược lại,ở lớp MAC của 802.16, lịch trình hoạt động cho mỗi thuê bao được định trước, do vậy các trạm chỉ có duy nhất một lần cạnh tranh kênh truyền dẫn là thời điểm gia nhập mạng. Sau thời điểm này, mỗi trạm được trạm phát gốc gắn cho một khe thời gian. Khe thời gian có thể mở rộng hay co hẹp lại trong quá trình truyền dẫn. Ưu điểm của việc đặt lịch trình là chế độ truyền dẫn vẫn hoạt động ổn  định trong trường hợp quá tải và số lượng thuê bao đăng ký vượt  quá cho phép, và nó cũng có thể tăng  được hiệu quả sử dụng băng tần. Việc sử dụng thuật toán lịch trình còn cho phép trạm phát gốc điều khiển chất lượng dịch vụ (Quality of Service -QoS) bằng việc cân bằng nhu cầu truyền thông giữa các thuê bao. So sánh WiMAX với WiFi WiMAX và WiFi sẽ cùng tồn tại và trở thành những công nghệ bổ sung ngày càng lớn cho các ứng dụng riêng.Đặc trưng của WiMAX là không thay thế WiFi. Hơn thế WiMAX bổ sung cho WiFi bằng cách mở rộng phạm vi của WiFi và mang lại những thực tế của người sử dụng "kiểu WiFi" trên một quy mô địa lý rộng hơn.Công nghệ WiFi được thiết kế và tối ưu cho các mạng nội bộ (LAN), trong khi WiMAX được thiết kế và tối ưu cho các mạng thành phố (MAN).Trong khoảng thời gian từ 2008 - 2010, hy vọng cả 802.16 và 802.11 sẽ xuất hiện trong các thiết bị người sử dụng từ laptop tới các PDA, cả hai chuẩn này cho phép kết nối vô tuyến trực tiếp tới người sử dụng tại gia đình, trong văn phòng và khi đang di chuyển. Mặc dù có cùng mục đích như nhau nhưng chúng ta  thấy công nghệ sử dụng trong mạng WiMAX có một số ưu điểm so với WiFi:  Sai số tín hiệu truyền nhận ít hơn Khả năng vượt qua vật cản tốt hơn Số thiết bị sử dụng kết nối lớn hơn hàng trăm so với hàng chục trong WiFi. Lớp vật lý MAC (Medium Access Control) dùng trong WiMAX dựa trên kỹ thuật phân chia theo khe thời gian cho phép đồng nhất băng tần giữa các thiết bị (TDMA) hiệu quả hơn sơ với WiFi (sử dụng CSMA-CA rất gần CSMA-CD sử dụng trong mạng Ethernet).Chính vì vậy phổ sóng vô tuyến sẽ đạt được tốt hơn. Mạng WiMAX không thể thay thế được WiFi trong các ứng dụng nhưng nó góp phần bổ sung để hình thành mạng không dây. Xu hướng chung của mạng không dây đó là cải thiện phạm vi phủ sóng với hiệu quả tốt nhất. Kỹ thuật nổi bật đó là chiếm lĩnh về không gian, tích hợp với các kỹ thuật hiện tại và quan tâm đến các yếu tố cơ bản như công suất tiêu thụ thấp, phạm vi lớn, tốc độ truyền dữ liệu cao. Trong mạng không dây chất lượng tại lớp thấp nhất để có thể điều khiển trễ trong quá trình truyền và các dịch vụ như thoại, video.   WiMAX và WiFi ứng dụng trong hai môi trường khác nhau. Mục đích của WiMAX sẽ hướng tới không chỉ là phạm vi phủ sóng mạng di động mà cả những mạng công cộng khác. Một trong các hướng phát triển quan trọng khác của  WiMAX đó là giải quyết kết nối cho mạng VoIP trong tương lai không xa. 1.6 Các dải tần áp dụng 1.6.1 Các dải tần cấp phép 11-66 GHz Dải tần từ 11-66 GHz hoạt động trong các môi trường vật lý có bước sóng ngắn,tầm nhìn thẳng (LOS) và ảnh hưởng của đa đường là không đáng kể. Thông thường, độ rộng băng tần của kênh trong dải tần này là 25 MHz hoặc 28 MHz.Ở dải tần này, giao diện vô tuyến áp dụng kiểu điều chế sóng mang đơn WirelessMAN SC 1.6.2 Các dải tần cấp phép dưới 11 GHz Các tần số dưới 11 GHz hoạt động trong các môi trường vật lý có bước sóng lớn hơn,điều kiện LOS là không cần thiết và có thể chấp nhận đa đường lớn hơn. Nó có khả năng hỗ trợ LOS gần và NLOS. Giao diện Khả năng áp dụng Các tuỳ chọn Phương thức song công WirelessMAN-SCTM 11-66 GHz TDD, FDD WirelessMAN-SCaTM Các băng tần dưới 11GHz được cấp phép AAS, ARQ, STC TDD, FDD WirelessMAN-OFDMTM Các băng tần dưới 11GHz được cấp phép AAS, ARQ, Mesh, STC TDD, FDD WirelessMAN-OFDMA Các băng tần dưới 11GHz được cấp phép AAS, ARQ, STC TDD, FDD WirelessHUMANTM Các băng tần dưới 11 GHz được miễn cấp phép AAS, ARQ, Mesh, STC TDD Bảng 1.1 Đặc tính của các giao diện vô tuyến Các dải tần được miễn cấp phép dưới 11 GHz (chủ yếu từ 5-6 GHz) Đây là băng tần được nhiều nước cho phép sử dụng không cần cấp phép và với công suất tới cao hơn so với các đoạn băng tần khác trong dải 5GHz (5125-5250 MHz ), thường được sử dụng trong các ứng dụng trong nhà. Băng tần này thích hợp để triển khai WiMax cố định, độ rộng kênh là 10 MHz. 1.7 Ứng dụng của WiMAX Đối với các doanh nghiệp, WiMAX cho phép truy cập băng rộng với chi phí hợp lý. Vì phần lớn các doanh nghiệp sẽ không được chia thành khu vực để có đường cáp, lựa chọn duy nhất của họ đối với dịch vụ băng rộng là từ các nhà cung cấp viễn thông địa phương. Điều này dẫn tới sự độc quyền. Các doanh nghiệp sẽ được hưởng lợi từ việc triển khai các hệ thống WiMAX, nhờ tạo ra sự cạnh tranh mới trên thị trường,giảm giá và cho phép các doanh nghiệp thiết lập mạng riêng của mình. Điều này đặc biệt phù hợp đối với các ngành như khí đốt, mỏ, nông nghiệp, vận tải, xây dựng và các ngành khác nằm ở những vị trí xa xôi, hẻo lánh. Đối với người sử dụng là hộ gia đình ở những vùng nông thôn (nơi dịch vụ DSL và cáp chưa thể vươn tới), WiMAX mang lại khả năng truy cập băng rộng. Điều này đặc biệt phù hợp ở các nước đang phát triển nơi mà hạ tầng viễn thông truyền thống vẫn chưa thể tiếp cận. Công nghệ WiMAX cách mạng hoá phương pháp truyền thông. Nó cung cấp hoàn toàn tự do cho những người thường xuyên di chuyển, cho phép họ lưu lại kết nối thoại, dữ liệu và các dịch vụ hình ảnh. WiMAX cho phép ta đi từ nhà ra xe, sau đó đi đến công sở hoặc bất cứ nơi nào trên thế giới, hoàn toàn không có đường nối. Để minh hoạ khả năng của WiMAX cho các ứng dụng được phân cấp trong phần trước, một vài mô hình sử dụng tiêu biểu được nhóm thành hai loại lớn: các mạng công cộng và riêng. 1.7.1 Các mạng riêng Các mạng riêng, được dùng dành riêng cho một tổ chức, cơ quan hoặc cơ sở kinh doanh, cung cấp các liên kết thông tin chuyên dụng đảm bảo chuyển giao tin cậy thoại, dữ liệu và hình ảnh. Triển khai đơn giản và nhanh thường được ưu tiên cao, và các cấu hình tiêu biểu là điểm tới điểm hoặc điểm tới đa điểm. 1.7.1.1 Chuyển về các nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến Các nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến (WSPs) sử dụng thiết bị WiMAX để chuyển lưu lượng từ trạm gốc về các mạng truy cập của họ, như được minh hoạ ở hình 1.5 Hình 1.5 Minh hoạ chuyển về nhà cung cấp dịch vụ Các mạng truy cập dựa trên WiFi, WiMAX hoặc bất kỳ công nghệ truy cập vô tuyến có đăng ký độc quyền. Nếu mạng truy nhập sử dụng thiết bị WiFi, thì toàn bộ mạng WSP được xem như một hot zone. Vì các WSP thường cung cấp thoại, dữ liệu và hình ảnh, nên đặc điểm QoS của WiMAX gắn liền sẽ giúp ưu tiên, tối ưu hoá dung lượng chuyển về. Thiết bị WiMAX có thể được triển khai nhanh, tạo điều kiện thuận lợi cho việc giới thiệu nhanh mạng WSP. Như đã được minh hoạ, điều kiện thuận lợi chuyển về thuê từ công ty điện thoại địa phương sẽ tăng chi phí hoạt động, và triển khai giải pháp cáp quang có thể rất tốn kém và yêu cầu lượng thời gian đáng kể, tác động chống lại sự giới thiệu dịch vụ mới.Hơn nữa, cáp quang, DSL không có lợi nhuận trong các vùng nông thôn, ngoại thành, và hầu hết các phiên bản của DSL,công nghệ cáp không cung cấp được dung lượng yêu cầu cho các mạng này. Các mạng giáo dục Hình 1.6 Minh hoạ về mạng giáo dục Các ban phụ trách trường học có thể sử dụng mạng WiMAX để kết nối các trường với trụ sở ban trong một quận (huyện), như được minh hoạ ở dưới. Một số yêu cầu chính cho hệ thống trường học là NLOS, độ rộng băng tần cao (>15 Mbps), khả năng điểm tới điểm điểm tới đa điểm, và độ phủ rộng. Các mạng giáo dục dựa vào WiMAX sử dụng QoS, có thể thực hiện đầy đủ các yêu cầu thông tin liên lạc, bao gồm hệ thống thoại, hoạt động dữ liệu (như các báo cáo của sinh viên), email, truy cập internet, intranet (dữ liệu), giáo dục từ xa (hình ảnh) giữa trụ sở ban và tất cả các trường trong vùng; giữa các trường với nhau. Giải pháp WiMAX cung cấp vùng phủ rộng, làm cho nó có lợi nhuận, đặc biệt cho các trường ở nông thôn không có hoặc có ít cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc, bị phân tán khắp nơi. Khi ban phụ trách trường học sở hữu, vận hành các mạng riêng, họ có thể đáp ứng lại những thay đổi về vị trí và cách bố trí các tiện nghi của họ. Điều này giảm đáng kể chi phí vận hành các tuyến thuê hàng năm. Các giải pháp có dây không thể cung cấp khả năng triển khai nhanh chóng, giá thành thấp, và hầu hết các phiên bản DSL, công nghệ cáp không có thông lượng được yêu cầu bởi các mạng giáo dục này. 1.7.1.3 An ninh công cộng Các cơ quan an ninh công cộng của chính phủ, như: cảnh sát, cứu hoả, tìm kiếm và cứu hộ, có thể sử dụng các mạng WiMAX để hỗ trợ đáp lại những tình huống cấp cứu và tình trạng khẩn cấp khác,như được minh hoạ ở hình 1.7. Ngoài ra còn cung cấp truyền thông thoại hai chiều giữa trung tâm giải quyết nhanh và các đội đáp lại tình trạng khẩn cấp, mạng tiếp sóng các hình ảnh video, dữ liệu từ địa điểm vụ tai nạn hoặc thảm họa tới trung tâm điều khiển. Dữ liệu này có thể được tiếp sóng tới các đội chuyên gia cấp cứu hoặc nhân viên khẩn cấp, là những người có thể phân tích các tính huống trong thời gian thực, như thể là họ đang ở đó. WiMAX QoS cho phép mạng xử lý các loại lưu lượng khác nhau. Các giải pháp WiMAX có khả năng triển khai cao, do đó đội đáp ứng ban đầu có thể thiết lập một mạng vô tuyến tạm thời tại địa điểm vụ tai nạn, sự kiện, hoặc thảm hoạ tự nhiên trong khoảng vài phút. Họ cũng có thể tiếp sóng lưu lượng từ mạng này trở về trung tâm giải quyết nhanh hoặc trung tâm điều khiển, qua mạng WiMAX hiện hành. Hình 1.7 Minh hoạ về mạng an ninh công cộng Các giải pháp có dây không phải là các giải pháp thích hợp, do tính không thể dự đoán, không ổn định của các vụ tai nạn và các thảm hoạ. Ở đây có lẽ cũng yêu cầu cả tính di động, ví dụ như: một cảnh sát đang phải truy cập cơ sở dữ liệu từ một phương tiện chuyển động, hoặc môt lính cứu hoả phải tải thông tin về tuyến đường tốt nhất tới nơi xảy ra hoả hoạn hoặc kiến trúc của tòa nhà đang bị cháy. Các máy quay video trong xe cứu thương có thể cung cấp trước thông tin về tình trạng của bênh nhân, trước khi xe cứu thương đến bênh viện. Trong tất cả các trường hợp đó, WiMAX hỗ trợ tính di động và độ rộng băng tần cao, mà các hệ thống băng hẹp không thể chuyển được. 1.7.1.4 Các phương tiện liên lạc xa bờ Các nhà sản xuất ga, dầu có thể sử dụng thiết bị WiMAX để cung cấp các tuyến nối thông tin liên lạc từ các phương tiện trên mặt đất tới các giàn khoan dầu, các bệ khoan, để hỗ trợ các hoạt động từ xa, các phương tiện liên lạc cơ bản và an ninh, như được minh hoạ ở hình 1.8. Các hoạt động từ xa bao gồm: việc xử lý sự cố từ xa các vấn đề thiết bị phức tạp, kiểm tra định hướng địa điểm, và truy cập cơ sở dữ liệu. Ví dụ, các đoạn video của các thành phần hoặc các cụm lắp ráp gặp sự cố được truyền tới đội chuyên gia trên mặt đất để phân tích. An ninh gồm: kiểm tra đèn cảnh báo, giám sát video. Các phương tiện liên lạc cơ bản gồm: điện thoại, email, truy cập internet, trao đổi video. Hình 1.8 Minh hoạ về mạng liên lạc xa bờ 1.7.2 Các mạng công cộng Trong mạng công cộng,các tài nguyên được truy cập, chia sẻ với những người sử dụng khác nhau, gồm cả các hãng kinh doanh và các cá nhân riêng biệt. Nói chung mạng công cộng yêu cầu lợi nhuận qua việc cung cấp vùng phủ song khắp nơi, vì vị trí của người sử dụng hoặc là cố định hoặc có thể dự đoán được. Các ứng dụng chính của mạng công cộng là truyền thông thoại và dữ liệu, mặc dù truyền thông video đang trở nên phổ biến hơn. An ninh là một yêu cầu then chốt, vì nhiều người sử dụng cùng chia sẻ một mạng. Hỗ trợ kèm theo VLAN và mã hoá dữ liệu là giải pháp an ninh được sử dụng. Mạng công cộng bao gồm một số bối cảnh sử dụng được minh hoạ dưới đây. 1.7.2.1 Nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến truy cập mạng Các nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến (WSPs) sử dụng mạng WiMAX để cung cấp kết nối tới cả khu dân cư (thoại, dữ liệu và video) và hãng kinh doanh (chủ yếu là thoại và internet), được minh hoạ ở hình 1.9. Hình 1.9 Minh hoạ về mạng WiMAX của nhà cung cấp dịch vụ WSP có thể là một CLEC (các nhà cung cấp tổng đài nội hạt cạnh trạnh) mà bắt đầu việc kinh doanh với ít hoặc không có cơ sở hạ tầng được lắp đặt. Vì WiMAX rất dễ để triển khai, nên CLEC có thể lắp đặt mạng nhanh chóng và ở vào thế cạnh tranh với ILEC (nhà cung cấp sóng mang tổng đài nội hạt). Kỹ thuật QoS gắn liền với WiMAX rất phù hợp với hỗn hợp lưu lượng được mang bởi CLEC. QoS MAC cũng đưa ra dịch vụ đa mức để cung cấp cho các nhu cầu dịch vụ khác nhau của khách hàng. Hỗ trợ nhiều loại dịch vụ cho phép các luồng thu nhập khác nhau, tuy nhiên nó giảm chi phí thu được từ khách hàng, và tăng ARPU (thu nhập trung bình trên mỗi người sử dụng). WSP chỉ cần một hệ thống quảng cáo và một cơ sở dữ liệu khách hàng. Các nhà vận hành tế bào cũng quan tâm tới ứng dụng WiMAX trong mạng của họ. Các nhà vận hành đã có các cơ sở hạ tầng quảng cáo và khách hàng, nhưng triển khai giải pháp WiMAX sẽ mở rộng thị trường trong vùng dịch vụ của họ. Tất cả các giải pháp có dây (bao gồm: cáp quang, DSL, và cáp) yêu cầu các chi phí ban đầu đáng kể để xây dựng cơ sở hạ tầng. Nói cụ thể, các giải pháp có dây không phù hợp với các thị trường đang phát triển ở các nước, như các vùng nông thôn, thị trấn nhỏ hoặc rìa ngoại ô của các trung tâm lớn. 1.7.2.2 Kết nối nông thôn Các nhà cung cấp dịch vụ sử dụng WiMAX để phát triển dịch vụ cho các thị trường ít được quan tâm trong các vùng nông thôn, vùng ngoại ô của các thành phố, như được minh hoạ ở hình 1.10. Hình 1.10 Minh hoạ về mạng WiMAX cho kết nối ở vùng nông thôn Sự phân phát kết nối nông thôn là vấn đề then chốt trong các nước đang phát triển và các vùng ít được quan tâm của những nước phát triển, mà ở đó không có hoặc có rất ít cơ sở hạ tầng có giá trị. Kết nối thông thôn chủ yếu cung cấp dịch vụ internet và điện thoại. Vì WiMAX cung cấp vùng phủ rộng nên đây là một giải pháp mang lại lợi nhuận nhiều nhất. Kết Luận chương : Với những nội dụng được trình bày trong chương 1 đã cho chúng ta một cái nhìn tổng quát về công nghệ WiMAX, chúng ta cơ bản hiểu được cấu trúc bên trong, ưu nhược điểm của wimax, và những ứng dụng trong thực tế của nó. Khi đã nắm vững những kiến thức cơ bản đó rồi thì chúng ta sẽ dễ dàng hơn trong việc tìm hiểu nguyên lý hoạt động cũng như cách thức xử lý tín hiệu trong WiMAX sẽ được trình bày trong các chương sau.