Tổng quan về công nghệ WinMax

rao đổi khoá giữa SS và BS. Thông số Kích thước Ứng dụng AK 160 Khóa chứng thực Chuỗi dãy số AK 4 Chuỗi dãy số của các khóa gốc ( PAK và PMK ) cho AK. Giá trị này là sự kết hợp giữa tối đa 2 bit trong chuỗi dãy số PAK và tối thiểu 2 bit trong chuối dãy số PMK AK Lifetime -- Là khoảng thời gian mà khóa này có giá trị. AK lifetime = MIN ( PAK lifetime và PMK lifetime ) - khi nó hết hiệu lực, sự tái chứng thực được sử dụng Chuỗi dãy số PMK 4 Chuỗi dãy số PMK được xuất phát bắt nguồn từ khóa chứng thực HMAC/CMAC_KEY_U 160/128 Được sử dụng để đăng ký cho các bản tin quản lý UL HMAC/CMAC_PN_U 32 Được sử dụng để ngăn chặn sự tấn công trở lại của bản tin UL trong kết nối quản lý - khi nó hết hiệu lực, sự tái chứng thực được sử dụng. HMAC/CMAC_KEY_D 160/128 Được sử dụng để đăng ký cho các bản tin quản lý DL HMAC/CMAC_PN_D 32 Được sử dụng để ngăn chặn sự tấn công trở lại của bản tin DL trong kết nối quản lý, khi nó hết hiệu lực, sự tái chứng thực được sử dụng KEK 160 Được sử dụng để mã hóa các khóa vẫn chuyển từ BS đến SS EIK 160 Khóa toàn vẹn EAP dùng để xác nhận bản tin chứng thực EAP Bảng 3.4 Nội dung khóa chứng thực AK trong PMK version 2 Giao thức chứng thực PKM thiết lập cơ chế chia sẻ bí mật ( được gọi là Authorization Key - AK ) giữa SS và BS. Chế độ chia sẻ này sau đó được sử dụng để bảo vệ cho sự trao đổi PKM tiếp sau của khoá mã hoá lưu lượng TEK ( Traffic Encryption Key ). Cơ chế hai tầng này dành cho việc phân phối khoá cho phép kiểm tra lại các TEK mà không phải chịu sự quá tải từ các hoạt động tính toán chuyên sâu. Một BS chứng thực một thuê bao SS trong suốt quá trình trao đổi, cấp phép, khởi tạo. Mỗi một SS sẽ đưa ra thông tin xác thực của mình, và nó có thể là một chứng nhận số X.509 duy nhất được đưa ra bởi nhà sản xuất thiết bị ( trong trường hợp chứng thực RSA ) hoặc là một chứng nhận hoạt động riêng biệt ( trong trường hợp chứng thực dựa trên EAP ) BS sẽ nhận dạng chứng thực các SS trước tiên, sau đó là thuê bao sử dụng, và cuối cùng là các dịch vụ dữ liệu mà thuê bao được phép truy cập Khi một BS chứng thực được SS, nó sẽ bảo vệ chống lại sự tấn công có thể chiễm giữ và giả mạo SS như một thue bao hợp pháp. Quản lý khoá lưu lượng cùng với giao thức PKM gắn bó chặt chẽ với mô hình client/server, với SS ( PKM Client ) yêu cầu thông số khoá và BS ( PKM server ) đáp ứng lại những yêu cầu này, để chắc chắn rằng các SS riêng biệt chỉ nhận thông số khoá duy nhất phục vụ cho việc cấp phép hoạt động Hình 3.14 Giao thức chứng thực Chuẩn này bảo đảm rằng một SS luôn luôn sở hữu một khoá mã hoá hợp lệ. Cho cả hai mục đích nhận thực và khoá mã hoá lưu lượng dữ liệu, SS tạo ra hai khoá với thời gian tồn tại so le nhau. Phương pháp trao chuyên khoá (key changeover schemes) được sử dụng trong các AK và TEK là giống nhau và đảm bảo một thứ tự luân phiên giữa các lần sinh khoá Giao thức chứng thực Một SS sử dụng giao thức PKM để nhận được các thông số khoá và chứng thực từ BS, và hỗ trợ việc tái chứng thực và kiểm tra khoá một cách tuần hoàn. PKM hỗ trợ hai cơ chế giao thức chứng thực cơ bản là : Giao thức RSA ( hỗ trợ bắt buộc trong PKM phiên bản 1, hỗ trợ tuỳ chọn trong PKM phiên bản 2 ) Giao thức chứng thực mở rộng ( hỗ trợ tuỳ chọn trừ khi có những yêu cầu đặc biệt ) Một điều rất quan trọng là lớp con bảo mật chỉ bảo vệ dữ liệu ở lớp 2 của mô hình OSI (Open System Interconnection). Nó không cung cấp sự mã hoá dữ liệu người dùng từ đầu cuối đến đầu cuối, và cũng không cung cấp sự bảo vệ tín hiệu vật lý. Kỹ thuật bảo mật lớp vật lý cũng như những lớp cao hơn đều cần được tích hợp sử dụng đồng thời để tăng chất lượng bảo mật. So sánh và các phương thức nâng cấp từ chuẩn 802.16d và 802.16e So sánh WiMAX cố định WiMAX di động Chuẩn 802.16d 802.16e Băng tần < 11 GHz < 6 GHz Môi trường truyền dẫn LOS, NLOS NLOS Song công TDD,FDD,HFDD TDD Đa truy nhập TDMA OFDMA,SOFDMA Điều chế QPSK,16 QAM,64 QAM, OFDM 256 QPSK,16 QAM,64 QAM, OFDM (128,256,512,1024) Tốc độ 35 MHz / kênh 10 MHz 30 MHz / kênh 10 MHz Kênh băng thông 3.5 , 7 , 10 MHz 5, 7,8 .75, 10 MHz Ứng dụng di động Cố định, Nomandic Di động < 120 km/h Bán kính phủ sóng 6 – 10 km , tối đa 50 km 1 – 3 km , tối đa 15 km Bảng 3.5 Bảng so sánh chuẩn 802.16d và 802.16e Các phương thức nâng cấp + Overlay network: Trong phương án này thì nhà cung cấp dịch vụ xây dựng mạng 802.16e song song với mạng 802.16d cung cấp cả dịch vụ truy cập cố định và dịch vụ truy cập di động trong cùng một vùng phủ sóng, tuy nhiên cần phải có 2 loại CPE nếu như người sử dụng muốn truy cập cả hai mạng. Giải pháp này có thể coi là không khả thi vì nó khá tốn kém cho khách hàng. ` + Dual-mode CPE: Các nhà khai thác có thể phát triển CPE dual-mode hỗ trợ cả 802.16 d và 802.16 e. Khi tất cả các SU có CPE dual-mode thì nhà khai thác sẽ chuyển đổi BS 802.16d sang 802.16e và các CPE sẽ tự động chuyển sang chế độ 802.16e. + Dual-mode BS: Khi các nhà khai thác muốn nâng cấp lên 802.16e, trong khi các CPE chỉ hỗ trợ single mode thì giải pháp dual-mode BS là hợp lý nhất. Khi tất cả các CPE đã được nâng cấp thì giải pháp này sẽ chuyển toàn bộ BS sang 802.16e. Các kỹ thuật được sử dụng trong WiMAX Kỹ thuật điều chế số Kỹ thuật điều chế số được sử dụng rất nhiều trong các hệ thống viễn thông hiện nay. Trong kỹ thật WiMAX các phương pháp điều chế số được sử dụng như QPSK, M_QAM, điều chế thích ứng Kỹ thuật điều chế pha QPSK Kỹ thuật điều chế pha là kỹ thuật điều chế trong đó pha của sóng mang thay đổi theo tín hiệu tin tức. Điều chế pha là kỹ thuật điều chế đảm bảo mức lỗi thấp nhất với một mức thu đã nhận trước Hình 4.1 Điều chế QPSK Để thực hiện điều chế pha QPSK (4PSK) người ta chia luồng số đầu vào thành hai luồng số bằng cách cho luồng tín hiệu đi qua bộ biến đổi nối tiếp – song song. Bộ biến đổi nối tiếp – song song A 0 0 1 1 S(t) 00011111 B 0 1 1 1 Hình 4.2 Bộ biến đổi nối tiếp song song Và mỗi tổ hợp bit gôm hai bit sẽ được gán với một trạng thái pha của sóng mang như: , , , Hình 4.3 Tổ hợp bit điều chế QPSK Ta có biểu thức điều chế QPSK như sau: U00 (t) = A cos(+ + ) U01 (t) = A cos(+ + ) U11 (t) = A cos(+ + ) U10 (t) = A cos(+ + ) Như vậy độ dịch pha giữa hai trạng thái pha là 900 vì vậy điều chế QPSK còn được gọi là điều chế pha vuông góc. Sơ đồ khối của bộ điều chế QPSK : Hình 4.4 Sơ đồ khối điều chế QPSK Luồng số ở đầu vào qua bộ biến đổi nối tiếp - song song thành hai luồng số dI(t) và dQ(t). Hai luồng số này được đưa vào bộ biến đổi NRZ đơn cực thành NRZ lưỡng cực sau đó được đưa vào bộ trộn M1 và M2 để trộn cùng với dao động sóng mang. Hai sóng mang được đưa tới bộ trộn đã được làm lệch pha nhau một góc pha 900. Tín hiệu ra của hai bộ trộn sẽ được đưa và bộ tổng để tạo ra tín hiệu QPSK Kỹ thuật điều chế biên độ cầu phương QAM Kỹ thuật điều chế M_QAM là kỹ thuật được kết hợp giữa phương pháp điều chế biên độ và phương pháp điều chế pha. Hai sóng mang điều chế vuông pha với nhau. Số trạng thái trong phương pháp này là M=L2 trong đó l là số mức biên độ của mỗi sóng mang vuông góc. Tín hiệu tổng của hai sóng mang này sẽ có dạng vừa điều biên vừa điều pha. Phương trình điều chế của phương pháp QAM: u và là các mức biên độ rời rạc. Trước khi điều chế với các tải tin sin và cos thì các dòng bit I và Q được cho qua bộ biến đổi D/A tạo thành các mức biên độ và . Sau đây là sơ đồ khối của phương pháp điều chế M_QAM: Hình 4.5 Sơ đồ khối phương pháp điều chế M_QAM Trong phương pháp này khi biến đổi 2 mức thành 4 mức thì ta có phương pháp điều chế 16 QAM , khi biến đổi 2 mức thành 6 mức thì ta có phương pháp điều chế 64 QAM . Và các tổ hợp bit tương ứng với các trạng thái pha có các biên độ sóng mang khác nhau, sóng mang có 16 trạng thái pha tương ứng với phương thức điều chế 16 QAM, và sóng mang có 64 trạng thái pha ứng với phương thức điều chế 64 QAM . Mỗi trạng thái pha tương ứng với một biên độ của sóng mang khác nhau, vì vậy khoảng cách giữa các tổ hợp bit xa nhau hơn, khả năng mắc lỗi sẽ giảm. Như vậy với phương pháp điều chế này độ rộng băng tần yêu cầu thấp nên sử dụng hiệu quả băng tần truyền dẫn. Tuy nhiên trong phương pháp này méo phi tuyến và méo xuyên kênh tăng, tỷ lệ lỗi bit BER tăng nếu tỉ số tín hiệu trê tạp âm không đổi. Và bộ điều chế cũng sẽ phức tạp hơn so với phương thức điều chế riêng rẽ. Kỹ thuật điều chế OFDM OFDM ( Orthogonal Frequency Division Multiplexing ) là công nghệ điều chế đa sóng mang theo tần số trực giao, gần đây đã được công nhận là phương thức tốt nhất dành cho việc truyền dữ liệu không dây hai chiều tốc độ cao. Nó ra đời từ những thập kỷ 60 nhưng gần đây mới trở nên phổ biến, bởi các nhà sản xuất có thể cung ứng ra thị trường những IC với chi phí rất kinh tế nhưng vẫn có thể đáp ứng được những hoạt động số tốc độ cao. OFDM cho phép điều chế các sóng mang phụ chồng lấn lên nhau rất hiệu quả, làm giảm yêu cầu về băng thông nhưng vẫn giữ được các tín hiệu trực giao mà không gây nhiễu cho các tín hiệu khác. Ngày nay, công nghệ này được sử dụng trong các hệ thống ADSL cũng như trong các hệ thống không dây như 802.11 a/g ( Wi-fi ) và 802.16 ( WiMAX ). Nó cũng được dùng cho tín hiệu số âm thanh và hình ảnh quảng bá không dây. Điều chế đa sóng mang theo tần số trực giao OFDM là một dạng đặc biệt của phép điều chế đa sóng mang thông thường FDM, là công nghệ sử dụng nhiều tần số để truyền tín hiệu song song trong cùng một thời điểm. Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao này được thực hiện bằng cách chia dòng số liệu truyền đi thành nhiều các dòng số liệu song song với tôc độ dữ liệu giảm đi. Mỗi một dòng dữ liệu này sau đó được truyền lên những sóng mang riêng biệt, được gọi là các sóng mang con ( Sub – carrier ). Các sóng mang này được điều chế trực giao với nhau bằng cách chọn tần số cách quãng thích hợp giữa chúng, nghĩa là các kênh con được xếp đặt trên miền tần số cách nhau một khoảng đều đặn sao cho điểm cực đại của một kênh con là điểm không của kênh con lân cận. Những sóng mang này sau đó ghép thành các kênh tần số để truyền vô tuyến. Hình 4.6 Kỹ thuật ghép kênh theo tần số trực giao Điều này làm nguyên lý trực giao thoả mãn và cho phép chồng phổ giữa các sóng mang vì tính trực giao vẫn đảm bảo cho thiết bị thu nhận có thể phân biệt được các sóng mang con OFDM và khôi phục lại các tín hiệu này. Hiệu quả của OFDM có thể thấy được là yêu cầu về băng thông giảm đi rất nhiều nhờ việc bỏ đi khoảng bảo vệ. Do đó OFDM hiệu quả hơn FDM trong trải phổ bởi khoảng cách giữa các kênh con gần nhau hơn ( gần như chúng chồng lẫn lên nhau ). Nhờ sự trựu giao này mà hiệu quả sử dụng phổ tin hiệu của toần bộ hệ thống tăng lên rõ rệt mà không gây ra nhiễu Một ký hiệu OFDM được tạo thành từ các sóng mang con. Số lượng các sóng mang con phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ rộng kênh và mức độ nhiễu. Con số này tương ứng với kích thước FFT ( Fast Fourier Transformer ). Chuẩn giao tiếp vô tuyến 802.16-2004 xác định rõ 256 sóng mang con, tương ứng với kích cỡ FFT 256 độ rộng kênh độc lập. Theo cách khác, chuẩn 802.16e-2005 cung cấp các kích cỡ FFT từ 512 tới 2048 phù hợp với các độ rộng kênh từ 1.25 tới 20MHz để duy trì tương đối khoảng thời gian không đổi của ký tự và khoảng dãn cách giữa các sóng mang con độc lập với độ rộng kênh. Vì thế với công nghệ OFDM, sự kết hợp của các sóng mang con trực giao truyền song song với các ký tự có khoảng thời gian dài đảm bảo rằng lưu lượng băng thông rộng không bị hạn chế do môi trường bị che chắn tầm nhìn (NLOS) và nhiễu do hiện tượng đa đường dẫn. Cấu trúc theo miền thời gian của một symbol có dạng sau : Hình 4.7 Cấu trúc của một ký hiệu OFDM Mẫu tín hiệu OFDM có độ dài là Ts, trong đó Tb là khoảng thời gian thực của ký hiệu, ngoài ra còn có một chuỗi bảo vệ ( Guard Interval ) có đọ dài Tg, thực chất là một chuỗi tín hiệu được sao chép từ phần phía sau Tb rồi đưa lên phần trước của ký hiệu này. Do đó cấu trúc của ký hiệu OFDM sẽ là : Ts = Tb + Tg Sự sao chép này có tác dụng chống lại nhiễu xuyên tín hiệu gây ra bởi hiệu ứng phân tập đa đường. Nguyên tắc này được giải thích như sau : Nếu như máy phát phát đi một khoảng tín hiệu hình sin có chiều dài là Tb. Sau khi chèn chuối bảo vệ, tín hiêu này có chu kỳ là Ts = Tb + Tg. Do hiệu ứng phân tập đa đường, tín hiệu này sẽ đến máy thu qua nhiều tuyến đường truyền với trễ truyền dẫn khác nhau. Giả sử thời gian trễ truyền của tín hiệu ở đây là τ. Khi đó mẫu tín hiệu sau bị dịch sang mẫu tín hiệu trước một khoảng là τ do trễ truyền dẫn. Cứ như vậy các tín hiệu tiếp theo cũng sẽ bị dịch đi một khoảng τ so với tín hiệu trước nó. Tín hiệu thu được ở máy thu sẽ là tổng của tín hiệu tất cả các tuyến. Sự dịch tín hiệu do trễ truyền dẫn trong các phương pháp điều chế thông thường sẽ gây ra nhiễu xuyên tín hiệu ISI. Tuy nhiên trong hệ thống OFDM có sử dụng chuỗi bảo vệ sẽ loại bỏ được nhiễu này. Trong trường hợp Tg ≥ τ thì phần bị chồng lấn tín hiệu gây nhiễu ISI chỉ nằm trong khoảng của chuỗi bảo vệ. Khoảng tín hiệu có ích có độ dài Ts không bị chồng lấn bởi các mẫu tín hiệu khác. Ở phía thu, chuỗi bảo vệ sẽ bị gạt bỏ trước khi gửi đến bộ giải điều chế OFDM. Như vậy điều kiện quyết định để đảm bảo hệ thông OFDM không bị ảnh hưởng bởi nhiễu ISI là : Tg ≥ τ Việc sử dụng chuỗi bảo vệ đảm bảo tính trực giao của các sóng mang phụ, do vậy đơn giản hoá cấu trúc bộ đánh giá kênh truyền, bộ cân bằng tín hiệu ở phía máy thu. Tuy nhiên chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích nên phổ tín hiệu của hệ thống giảm đi một hệ số là : η = Hình 4.8 Tiền tố vòng CP và hiện tượng đa đường Các ưu nhược điểm của phương pháp OFDM Ưu điểm: -Tăng hiệu suất phổ và tốc độ dữ liệu -Ảnh hưởng của nhiễu xuyên kí hiệu ISI giảm đi đáng kể -Ảnh hưởng của hiệu ứng lựa chọn tần số kênh cũng giảm do kênh được chia ra làm nhiều kênh phụ -Độ phúc tạp của bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu cho hệ thống cũng giảm đi Nhược điểm -Tỉ số công suất đỉnh trên trung bình (PAPR) cao -Nhạy cảm với sự dịch tần số.Sự dịch tần số sẽ làm giảm tính trực giao của các sóng mang. Kỹ thuật song công WiMAX hỗ trợ cả hai phương thức song công FDD và TDD trong các mô hình ứng dụng của nó. Phiên bản đầu tiên cho chuẩn WiMAX được phê chuẩn bởi diễn đàn WiMAX chỉ hỗ trợ TDD.Với những phiên bản sau, diễn đàn WiMAX sẽ đề cập đến các thông số FDD để định lại các cơ hội thị trường riêng biệt , nơi mà những yêu cầu phân định các phổ cục bộ cũng như kế thừa TDD hoặc những triển khai phù hợp hơn cho FDD. - FDD ( Frequency Division Duplexing ) : kỹ thuật này chia kênh tần số ra làm hai kênh riêng biệt, một tần số được sủ dụng cho chiều lên, còn tần số còn lại được sử dụng cho chiều xuống. - TDD ( Time Division Duplexing ) : kỹ thuật này cho phép các khung đường lên và đường xuống có thể nằm trên cùng một kênh, tuy chúng ở những khe thời gian khác nhau . Hình 4.9 Hai chế độ song công TDD và FDD Đối với các vấn đề nhiễu, TDD yêu cầu sự đồng bộ hóa hệ thống diện rộng. Tuy nhiên, trong WiMAX di động TDD được thường ưu tiên ở chế độ song công vì những lý do sau : TDD cho phép điều chỉnh tỷ lệ DL / UL ( đường xuống / đường lên ) để hỗ trợ hiệu quả lưu lượng bất đối xứng giữa đường lên và đường xuống, trong khi với FDD, đường lên và đường xuống luôn được giữ cố định, và thông thường băng thông đường lên và đường xuống bằng nhau TDD bảo đảm sự trao đổi kênh nhằm hỗ trợ tốt hơn cho các kết nối thích ứng, MIMO và các công nghệ anten nâng cao khác. Không giống như FDD yêu cầu một cặp kênh, TDD chỉ yêu cầu một kênh duy nhất cho cả đường lên và đường xuống, đem lại sự thích ứng linh động hơn cho việc cấp phát phổ tần số khác nhau. Bộ thu phát được thiết kế cho việc thực hiện TDD cũng đơn giản hơn và do vậy đỡ tốn kém hơn. Kỹ thuật đa truy nhập Các phương pháp đa truy nhập được sử dụng để tách rời người sử dụng với nhau trong một kênh truyền. Các phương pháp đa truy nhập phổ biến nhất được sử dụng trong các hệ FBWA bao gồm đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA), đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA), đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA), đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA), và đa truy nhập nhạy cảm sóng mang (CSMA).Với Wimax ta chú ý đến 2 kĩ thuật đa truy nhập là TDMA và OFDMA TDMA TDMA (Time Division Multiple Access ) – đa truy nhập phân chia theo thời gian: Phổ tần số được chia thô thành các dải tần liên lạc , mỗi dải tần liên lạc này được dùng chung cho N kênh liên lạc, mỗi kênh liên lạc là một khe thời gian trong chu kỳ 1 khung sao cho không có sự chồng chéo lên nhau. Liên lạc được thực hiện song công mỗi hướng thuộc các dải tần liên lạc khác nhau, điều này làm giảm nhiễu giao thoa đáng kể. OFDMA Truy cập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) là công nghệ đa sóng mang phát triển từ công nghệ OFDM , ứng dụng như một công nghệ đa truy cập. OFDMA hỗ trợ các nhiệm vụ của các nhóm sóng mang con đối với các thuê bao nhất định. Mỗi một nhóm sóng mang con được biểu thị như một kênh con (subchannel), và mỗi thuê bao được chỉ định một hoặc nhiều kênh con để truyền phát dựa trên mỗi yêu cầu cụ thể về lưu lượng của mỗi thuê bao. Kênh con hoá (sub-channelization) trên đường lên là tuỳ chọn trong công nghệ WiMAX, khi không sử dụng kênh con hoá, những sự hạn chế điều tiết và yêu cầu các CPE chi phí hiệu quả gây lên quỹ đường truyền không đối xứng, điều này cũng dẫn đến phạm vi hệ thống trên đường truyền lên bị hạn chế. Kênh con hoá cho phép quỹ đường truyền được cân bằng làm cho độ lợi (gain) của hệ thống là tương tự nhau đối với cả đường truyền lên và xuống. Kênh con hoá tập trung ông suất phát vào một vài sóng mang OFDM, điều này làm tăng độ lợi hệ thống và mở rộng hệ thống, khắc phục được tổn hao thâm nhập toà nhà hoặc giảm công suất tiêu thụ của CPE. Việc sử dụng kênh con hoá còn được mở rộng hơn trong truy nhập đa sóng mang phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) cho phép sử dụng linh hoạt hơn tài nguyên cung cấp cho di động. Cấu trúc ký hiệu OFDM bao gồm 3 loại sóng mang con được biểu diễn như hình sau : - Sóng mang con dữ liệu cho truyền dữ liệu - Sóng mang con dẫn đường cho mục đích đánh giá và đồng bộ - Sóng mang con vô dụng không dung cho truyền dẫn mà được sử dụng cho dải bảo vệ và các sóng mang DC Hình 4.10 Cấu trúc sóng mang con OFDMA Trong OFDM ,tất cả các sóng mang được truyền song song với cùng 1 biên độ. OFDMA chia không gian sóng mang thành NG nhóm,mỗi nhóm có NE sóng mang,và tạo thành NE kênh con,mỗi một kênh con có 1 sóng mang trên nhóm. Hình 4.11 Kênh con hóa trong OFDMA Trường hợp OFDMA với 2048 sóng mang sẽ có NE=32 và NG=48 ở luồng xuống và NE=32 và NG=53 ở luồng lên,với các sóng mang còn lại được sử dụng cho pilot và bảo vệ. Mã hoá,điều chế và biên độ được phân biệt cho mỗi 1 kênh con phụ thuộc vào điều kiên kênh để tối ưu hoá tài nguyên mạng. Các sóng mang con tích cực ( dữ liệu và dẫn đường ) được nhóm lại thành những tập hợp con gọi là kênh con.Lớp vật lý ( PHY ) Wimax OFDMA hỗ trợ kênh con hóa theo cả 2 hướng DL và UL.Đơn vị tài nguyên tần số - thời gian tối thiểu của kênh con hóa là một khe, tương đương với 48 nhịp dữ liệu ( sóng mang con ). Việc sửa đổi bổ sung chuẩn IEEE 802.16e-2005 được triển khai nhằm mở rộng chuẩn vô tuyến 802.16 đáp ứng các ứng dụng di động. Sự bổ sung này cho phép công nghệ OFDMA đáp ứng nhiều tính năng sử dụng một cách linh hoạt và các thách thức về việc các thuê bao di động di chuyển nhanh trong môi trường NLOS. Chuẩn 802.16e-2005 hỗ trợ 3 tuỳ chọn phân phối kênh con, tuỳ theo các tình huống sử dụng như sau: - Các sóng mang con có thể được tán xạ thông qua kênh tần số. Điều này liên quan hoàn toàn tới việc sử dụng phân hoá kênh con (sub-channelization) hoặc FUSC - Một số nhóm sóng mang con tán xạ có thể được sử dụng để tạo thành một kênh con. Điều này liên quan 1 phần tới việc sử dụng phân hoá kênh con ( sub-channelization ) hoặc PUSC - Các kênh con có thể được tạo ra bởi các nhóm sóng mang con tiếp theo. Điều này liên quan tới sự điều biến và mã hoá tuỳ ứng hoặc AMC Mô hình FUSH : Hình 4.12 Sự tạo kênh trong mô hình FUSH Mỗi kênh con chứa 48 sóng mang con Các sóng mang con trải dọc trên băng thông Các sóng mang pilot có vị trí cố định Băng thông được phân thành các khối nhỏ nhất có 48 sóng mang phụ và một symbol OFDMA Với mô hình này, do các sóng mang phụ được trải dọc trên băng thông nên đạt được theo phân tập tần số là tốt nhất. FUSH được dung chủ yếu cho đường xuống Mô hình PUSH Đối với DL PUSH: các sóng mang con khả dụng sẽ được nhóm thành các cluster Hình 4.13 Cluster trong mô hình DL PUSH Mỗi cluster chứa 28 sóng mang con liền kề trải đều trên 2 symbol OFDMA 4 sóng mang pilot trên mỗi cluster 2 cluster/ kênh con sẽ chứa 48 sóng mang phụ Đối với UL PUSH: các sóng mang con khả dụng sẽ được nhóm thành các tile Hình 4.14 Tile trong mô hình UL PUSH Tile chứa 4 sóng mang con liền kề trải trên 3 symbol OFDMA Mỗi tile chứa 4 sóng mang pilot. 4 sóng mang con x 6 tile/kênh con = 48 sóng mang con Đối với mô hình này, do các sóng mang con được nhóm vào các cluster, nên rất thuận lợi cho việc tái sử dụng tài nguyên tần số. PUSH được sử dụng cho cả đường lên và đường xuống. Mô hình AMC - Không gian các sóng mang con được chia thành các Bin. Mỗi Bin gồm có 9 sóng mang con liền kề trong 1 symbol ,trong đó có 8 sóng mang con dữ liệu và 1 sóng mang con pilot. - Một kênh con được tạo thành bởi 1 tập các Bin có dạng MxN (trong đó M là số Bin liền kề/1symbol,N là số Symbol liền kề).Tập hợp có thể có của MxN là 6x1,3x2,2x3,1x6. AMC được sử dụng cho cả đường lên và đường xuống. - 6 sóng mang phụ / bin x 8 bin / kênh phụ = 48 sóng mang phụ Hình 4.15 Mô hình AMC Với FUSC và PUSC, việc phân phối các sóng mang con tới các kênh con được thực hiện theo mô hình giả ngẫu nhiên mà ở đó các sóng mang con của một kênh con nhất định trong một cell nhất định khác với các sóng mang con tại cùng một kênh con đó trong một cell khác ( VD, sóng mang con trong kênh con 1 trong cell 1 sẽ hoàn toàn khác với các sóng mang trong kênh con 1 trong cell 2 ). Sự hoán đổi giả ngẫu nhiên này có ảnh hưởng tương đối đến nhiễu. Điều này làm giảm tác động đối nghịch của hiện tượng nhiễu giữa các cell. Nhìn chung, FUSC và PUSC là 2 tùy chọn tốt nhất cho các ứng dụng di động, trong khi AMC phù hợp hoàn toàn với các ứng dụng cố định, mang xách và di chuyển chậm. Vấn đề đa truy cập được thực hiện bằng cách cung cấp cho mỗi  người dùng một phần trong số các sóng mang có sẵn. Nó cho phép một vài sóng mang con được phân chia cho nhiều người sử dụng khác nhau. Ví dụ, sóng mang con 1, 6, và 12 được phân chia cho người sử dụng thứ nhất, sóng mang con 2, 8 và 11 được phân cho người sử dụng thứ 2… Bằng cách này, OFDMA tương tự như phương thức đa truy cập phân chia theo tần số thông thường (FDMA); tuy nhiên nó không cần thiết có dải phòng vệ lân cận rộng như trong FDMA để tách biệt những người dùng khác nhau. Hình 4.16 Nhóm các sóng mang con cho mỗi người dùng khác nhau Từ những đặc điểm trên ta nhận thấy OFDMA có một số ưu điểm như khả năng linh hoạt tăng và thông lượng và tính ổn định được cải tiến. Bằng việc ấn đinh các kênh con cho các thuê bao cụ thể, việc truyền phát từ một số thuê bao có thể xảy ra đồng thời mà không cần sự can thiệp nào, do đó sẽ giảm thiểu tác động như ảnh hưởng đa truy nhập - MAI ( Multiple Access Interference ). Hơn nữa, hiện tượng các kênh con cho phép tập trung công suất phát qua một số lượng các sóng mang con ít hơn. Kết quả này làm tăng số đường truyền dẫn đến tăng phạm vi và khả năng phủ sóng. Hình 4.17 Cấu trúc khung công nghệ đa truy nhâp OFDMA Scalable OFDMA (SOFDMA) Mạng truy cập không dây diện rộng OFDMA theo chuẩn IEEE 802.16e – 2005 dành cho WiMAX di động dựa trên kỹ thuật S - OFDM ( Scalable OFDM ). Việc mở rộng công nghệ S - OFDM đã hỗ trợ khả năng điều chỉnh OFDMA cho phù hợp với độ rộng kênh đang được sử dụng. S - OFDM hỗ trợ những băng thông dải rộng một cách linh hoạt cần thiết cho sự cấp phát nhiều loại phổ khác nhau cũng như yêu cầu cho những mô hình hữu ích khác. Theo nguyên tắc khi ấn định số lượng dải phổ dành cho các nhà cung cấp dịch vụ khác, các thông số Công nghệ OFDMA có thể được tối ưu hoá sao cho tỷ lệ với dải băng tần cấp cho một nhà cung cấp dịch vụ cụ thể. Đối với công nghệ S - OFDM, khả năng mở rộng được hỗ trợ bằng cách điều chỉnh kích thước FFT trong khi vẫn giữ nguyên độ rộng băng tần sóng mang con, có nghĩa là khi độ rộng kênh thay đổi, thì kích thước FFT cũng sẽ thay đổi theo một tỷ lệ nhất định với độ rộng kênh, sao cho khoảng cách giữa các sóng mang phụ là không đổi. Ví dụ, Trong kênh tần số 5GHz một FFT kích cỡ 512 sóng mang con được xác định còn một kênh 10MHz, một FFT kích cỡ 1024 được xác định. Điều đó đảm bảo rằng cả hai hệ thống 5MHz và 10MHz có cùng khoảng thời gian của ký tự và do đó có cùng khả năng chống méo đa đường kể cả khi 2 hệ thống khác nhau về kích cỡ. Do đó, băng thông sóng mang con theo đơn vị tài nguyên và khoảng thời gian của ký hiệu được giữ nguyên, ảnh hưởng tới các lớp cao hơn cũng được giảm tối thiểu khi lấy tỉ lệ băng thông. Tham số Giá trị Băng thông kênh hệ thống ( MHz ) 1.25 5 10 20 Tần số lấy mẫu ( Fp ở MHz ) 1.4 5.6 11.2 22.4 Kích thước FFT ( N 128 512 1024 2048 Số kênh con 2 8 16 32 Độ rộng tần số sóng mang con 10.94 KHz Khoảng thời gian symbol hữu ích 91.4 µs Khoảng thời gian bảo vệ 11.4 µs Độ dài ký hiệu OFDMA 102.9 µs Số ký hiệu OFDMA ( Khung 5ms ) 48 Bảng 4.1 Các tham số tỉ lệ OFDMA Điều chế thích nghi và mã hóa AMC Trong bất kỳ mạng đa tế bào-cellular nào, thuê bao di động sẽ thử nghiệm qua các điều kiện của đường truyền phát thay đổi theo thời gian và các vị trí tương ứng. Với công nghệ OFDMA, Biểu đồ mã hoá và điều chế nhất định có thể thích ứng trên mỗi thuê bao tùy theo các điều kiện của đường dẫn để tối đa hoá thông lượng kênh truyền, trong khi vẫn duy trì chất lượng đường truyền tới mỗi thuê bao. Với hệ thống OFDMA, các sóng mang con được điều chế với QPSK hoặc điều chế QAM hiệu quả hơn và thứ tự cao hơn – với biểu đồ điều chế tinh vi hơn, đạt được thông lượng cao hơn nhưng cũng dễ bị tác động của nhiễu và các tạp âm hơn. Bằng phương pháp điều chế thích ứng và biểu đồ mã hoá lỗi, việc đáp ứng tỉ lệ này này đảm bảo số bit của mỗi sóng mang con được tối ưu tương đương với CINR cần thiết để đảm bảo kết nối vô tuyến ổn định. Các Hệ thống OFDMA cũng có thể làm tăng thông lượng tới các thuê bao cá nhân bằng cách làm tăng số lượng kênh con đã cấp tại bất kỳ thời điểm nào. Hình 4.18 Điều chế thích nghi và mã hóa dựa trên khoảng cách với BS Trong WiMAX di động ở đường xuống, bắt buộc phải có các hỗ trợ điều chế QPSK, 16QAM và 64QAM. Còn ở đường lên, 64QAM là tuỳ chọn. Cả mã hoá xoắn và mã hoá Turbo vòng với tốc độ mã thay đổi và mã lặp cũng được hỗ trợ. Ngoài ra, mã khối Turbo và mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp LDPC ( Low Density Party Check Code ) cũng được hỗ trợ như là một tính năng tuỳ chọn. Sự kết hợp các kỹ thuật điều chế và tốc độ mã đã cung cấp sự phân giải hợp lý cho tốc độ dữ liệu như minh hoạ cho bảng 3 biểu diễn tốc độ dữ liệu cho 2 kênh 5 và 10 MHz với các kênh con PUSC. Độ dài khung là 5ms. Mỗi khung có 48 symbol OFDM, với 44 symbol OFDM là hữu dụng cho việc truyền dữ liệu. Các giá trị được đánh dấu đậm chỉ ra tôc độ bit của kỹ thuật 64QAM tuỳ chọn cho đường UL. Thông số Downlink Uplink Downlink Uplink Băng thông hệ thống 5 MHz 10 MHz Kích thước FFT 512 1024 Sóng mang con Null 92 104 184 184 Sóng mang con Pilot 60 136 120 280 Sóng mang con Data 360 272 720 560 Kênh con 15 17 30 35 Thời gian ký hiệu 102.9 µs Độ dài khung 5 ms Số ký hiệu OFDM/khung 48 Số ký hiệu OFDM dữ liệu 44 Mã hóa Tốc độ mã Kênh 5 MHz Kênh 10 MHz Tốc độ DL Mpbs Tốc độ UL Mpbs Tốc độ DL Mpbs Tốc độ UL Mpbs 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 16 QAM 1/2 CTC 6.34 4.57 9.50 7.06 3/4 CTC 6.34 4.57 12.07 9.41 64 QAM 1/2 CTC 9.50 6.85 19.01 14.11 2/3 CTC 12.67 9.14 26.34 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 4.2 Tốc độ dữ liệu PHY trong WiMAX di động với các kênh con PUSH Cơ chế yếu cầu truyền lại tự động ARQ Trong chuẩn 802.16 giao thức ARQ được sử dụng để sửa lỗi truyền dẫn. Trong cơ chế này thì phía bên thu khi thu được gói tin sẽ kiểm tra lỗi truyền dẫn trong gói tin thu được. Để kiểm tra được lỗi truyền dẫn thì bên phát sẽ gửi thêm vào dữ liệu truyền đi một số bit dư và số bit này chỉ đủ để phía bên thu phát hiện được là gói tin bi lỗi trong quá trình truyền dẫn chứ không đủ để phía thu tự động sửa được lỗi. Nếu như phía thu kiểm tra thấy gói tin bi lỗi hoặc bên thu không nhận được gói tin nó đang đợi nó sẽ gửi lại cho bên phát một thông điệp và yêu cầu bên phát gửi lại gói tin bi lỗi. Giao thức ARQ có 4 kiểu cơ bản đó là: Kiểu ARQ dừng và đợi (Stop and wait ARQ) Kiểu ARQ lùi N (Go back N ARQ) Kiểu ARQ chọn lọc (Selective reject ARQ) Hybrid ARQ (HARQ) Kiểu ARQ dừng và đợi Trong kiểu ARQ dừng và đợi thì bên phát gửi đi một gói tin và nó sẽ chờ cho đến khi bên thu gửi lại trả lại gói tin trả lời ACK để biết là bên thu đã nhận đúng gói tin hay chưa. Nếu như bên thu đã nhận đúng gói tin thì bên phát sẽ tiếp tục phát đi gói tin tiếp theo còn nếu không nó sẽ phát lại gói tin bị lỗi. Giả sử bên phát gửi đi một gói tin là P1 , sau khi gửi gói tin này đi nó sẽ ở trong trang thái chờ trả lời tử bên thu để truyền tiếp. Sau một khoảng thời gian time out nhất định mà bên phát không nhận được gói tin trả lời ACK từ bên thu sẽ xảy ra hai khả năng. + Gói tin P1 không đến được đích nên sẽ không thể có gói tin trả lời ACK và bên phát sẽ phát lại gói tin P1. + Bên thu có phát gói tin ACK trả lời nhưng bên phát không nhận được và bên phát vẫn phát lại gói tin P1. Và lúc này bên thu dựa vào số sequence number sẽ biết được là gói tin này nó đã nhận và từ chối nhận gói tin này nhưng nó vẫn gửi trả lại gói tin ACK cho bên phát. Hình 4.19 Mô hình giao thức ARQ dừng và đợi Như vậy trong phương pháp này, sau khi truyền khung I bên phát phải đợi một thời gian tối thiểu trước khi truyền khung tiếp theo. Thời gian đợi đó phải bằng tổng thời gian bên thu thu được khung I, thời gian xử lý khung I và thời gian truyền, xử lý khung ACK. Điều này làm cho hiệu suất sự dụng băng thông là nhỏ vì có quá nhiều thời gian rồi. Nhưng trong phương pháp này thì các gói tin không cần phải lưu trữ và bộ đệm. Kiểu ARQ lùi N Trong cơ chế ARQ lùi N thì cho phép bên phát phát đi một số lượng các gói mà không phải chờ trả lời từ bên thu, nhưng số lượng gói phát đi này phải nằm trong giới hạn size của window mà thôi. Giả sử window size có kích thước là N thì bên phát sẽ được phát đi N gói tin liên tiếp nhưng để phát được gói tin thứ (i+N) thì nó phải chờ thông tin trả lời ACK của gói tin thứ i. Hình 4.20 Mô hình giao thức ARQ lùi N Trong cơ chế này có sử dụng các hàm cơ bản để đó là: Ready to reciver (RR), và Reject (REJ). Giả sử chúng ta đang sử dụng cơ chế ARQ lùi với N=4 (window size). Nếu như không tìm thấy lỗi thì đich sẽ trả lại ACK với hàm RR, còn nếu bên thu phát hiện ra lỗi thì gói tin ACK trả lại sẽ có hàm REJ. Các khả năng sau có thể xảy ra trong khi truyền các gói tin từ bên thu đến bên nhận: + Trường hợp 1: Gói tin bị lỗi Hình 4.21 Giao thức ARQ lùi N với gói tin bị lỗi Gói tin truyền từ bên phát đến bên thu bị lỗi, và bên thu nhận ra lỗi này và truyền trả lại cho bên phát ACK bằng hàm REJ. Phía bên thu sau khi nhận được ACK này thì sẽ truyền lại cho bên phát các gói tin bắt đầu từ gói tin bị lỗi. Nhưng trong thời gian cho đến khi bên phát nhận được trả lời ACK bằng hàm REJ thì bên phát vẫn truyền các gói tin nằm trong window size. Và các gói tin này vẫn đến đuợc bên thu nhưng mà bên thu sẽ không nhận các gói tin này và hủy nó đi. Vì thế cho nên bên thu không xảy ra hiện tượng nhận hai lần một gói tin. + Trường hợp 2: ACK bị lỗi Hình 4.22 Giao thức ARQ lùi N với ACK bị lỗi Bên nhận nhận được gói tin thứ i và gửi trả lại gói tin ACK để nhận tiếp gói tin i+1 nhưng nó lại bị mất trên đường truyền Giả sử như trong mô hình trên, ACK2 không đến được bên phát nhưng phía phát vẫn tiếp tục gửi các gói tin 3,4,5 vì các gói tin này đang nằm trong window size mà nó đang truyền. + Trường hợp 3: Bên phát muốn kêt thúc quá trình gửi tin Nếu như bên phát muốn gửi một gói tin cuối cùng mà bên phát muốn gửi thì nó sẽ gửi cho bên nhận một gói tin và bên nhận phải trả lời ngay một gói tin có hàm RRi=1. + Trường hợp 4: Bên phát không phát đi được gói tin nào Giả sử có một lỗi gì đấy mà window size không trượt có nghĩa là bên phát không thể phát đi một gói tin nào nữa. Lúc này bên phát sẽ re-send lại gói tin mà nó chưa có ACK. Ta có thể dễ dàng nhận thấy cơ chế ARQ lùi N có một số đặc điểm sau: + Nó không phải mất thời gian đợi ACK của bên thu + Không cần bộ đệm ở phía thu + Giải quyết được vấn đề trễ đường truyền + Phải re-send quá nhiều Kiểu ARQ chọn lọc Trong cơ chế ARQ chọn lọc thì bên phát cũng tương tự như trong trường hợp của cơ chế ARQ lùi N, tức là bên phát cũng có thể phát đi một số lượng các gói thông tin mà không cần chờ thông tin trả lời ACK từ bên thu. Điểm khác của cơ chế ARQ chọn lọc này so với kiểu ARQ lùi N là ở chỗ bên phát chỉ gửi lại đúng gói tin bị mất. Sự giống nhau giữa hai cơ chế ARQ chọn lọc và ARQ lùi N là ở chỗ: + Bên phát liên tục phát đi các gói tin mà không cần phải chờ gói tin ACK trả lời + Bên phát phải vẫn phải lưu lại những gói tin mà nó đã phát đi cho đến khi nó nhận được gói tin từ bên thu báo lại thì nó mới được xóa gói tin đó (có nghĩa là cần dùng bộ đệm) + Khi dùng hai cơ chế này thì hiệu suất sử dụng băng thông đạt được là lớn hơn so với khi sử dụng cơ chế ARQ dừng và đợi Tuy nhiên như đã nói ở trên thì điểm khác nhau giữa cơ chế ARQ chọn lọc và ARQ lùi N là, trong cơ chế ARQ chọn lọc thì thì bên phát chỉ cần gửi lại đúng gói tin bị mất. Có được điều này là do ở phía thu cũng sử dụng một bộ buffer để lưu nhưng gói tin đến. Giả sử chúng ta đang truyền các gói tin với window size=4 (0-3), có một gói tin bị mất đó là gói tin 1. Lúc này các gói tin 2 va 3 vẫn được truyền và bên thu sẽ lưu các gói tin này vào bộ buffer và chỉ yêu cầu truyền lại gói tin 1 và bên phát sẽ truyền lại gói tin 1 sau đó tiếp tục truyền các gói tin tiếp theo (4,5…). Điều này làm hạn chế đi sự truyền vô ích trong cơ chế ARQ lùi N khi các gói tin đến được bên thu nhưng lại bị bên thu hủy không nhận. Hybrid ARQ Thuật toán ARQ trở nên phổ biến trong mạng không dây và mạng dùng dây để truyền lại các thông tin truyền bị lỗi. Tuy nhiên, hiệu quả của việc sử dụng ARQ yêu cầu sự lựa chọn chính xác về công suất phát và tốc độ dữ liệu trong quá trình tái truyền phát, về mặt khác, đường truyền trở nên bị lỗi. Khi quá trình duy trì các thiết lập tối ưu này trong môi trường thời gian không ổn định trở thành một thách thức cho các dịch vụ băng thông rộng di động, kỹ thuật Hyprid-ARQ (H-ARQ) được phát triển. H-ARQ trở thành 1 phần của thông số Wimax di động, khối thu tập hợp các thông tin từ một gói tin bị lỗi với hiện tượng tái truyền phát tín hiệu của cùng một gói tin cho tới khi thông tin tập hợp đủ lại để lấy lại toàn bộ gói tin. Hình 4.23 Cơ chế yêu cầu lặp lại khi lỗi xảy ra HARQ được phép sử dụng giao thức N kênh “ Dừng và đợi “ để cung cấp khả năng đáp ứng nhanh cho đóng gói lỗi và cải thiện khả năng phủ sóng đường biên cell. Với khả năng kết hợp và tùy chọn, tính tăng cường sự dư thừa ( Incremental Redundancy ) được hỗ trợ để cải thiện độ tin cậy của đường truyền dẫn. Một kênh ACK chuyên dụng cũng được cung cấp tính hiệu HARQ ACK / NACK cho đường uplink. Hoạt động đa kênh cũng được hỗ trợ. ARQ đa kênh dừng và đợi với một số lượng nhỏ các kênh là một giao thức đơn giản mà hiệu quả, yêu cầu bộ nhớ tối thiểu cho HARQ và sự dừng. Wimax cung cấp tín hiệu cho phép hoạt động hoàn toàn ở chế độ không đồng bộ. Chế độ không đồng bộ cho phép độ trễ thay đổi giữa những lần truyền lại cho nên có thể đem lại sự linh hoạt hơn cho việc lập lịch do hiệu quả của phần đầu được thêm vào cho mỗi sự cấp phát việc truyền lại. HARQ kết hợp với nhau, cùng với CQICH và AMC đã tăng cường khả năng thích ứng đường truyền trong môi trường di động với tôc độ của phương tiện có thể lên tới 120 km/h. Phản hồi kênh nhanh CIQCH Sự lập lịch tại trạm gốc BS ( Base Station ) xác định tốc độ dữ liệu phù hợp cho mỗi sự cấp phát truyền loạt dựa trên kích thước bộ đệm và điều kiện truyền sóng ở phía thu… Một kênh chỉ thị chất lượng kênh CQI ( Channel Quality Indicator ) được sử dụng để cung cấp thông tin trạng thái kênh từ thiết bị người sử dụng đầu cuối đến bộ lập lịch trạm gốc. Những thông tin trạng thái kênh có liên quan có thể được phản hồi bởi CQICH bao gồm có : CINR lớp vật lý, hiệu suất CINR, lựa chọn chế độ MIMO và lựa chọn tần số, lựa chọn kênh con. Với kỹ thuật TDD, các liên kết thích ứng cũng có những ưu điểm về trao đổi kênh nhằm cung cấp những đánh giá chính xác hơn về tình trạng kênh. Thông điệp chỉ thị chất lượng kênh phát theo thời gian ( CQI ) tại khối thu rất cần thiết để điều khiển công suất thích ứng và tốc độ và mang lại hiệu quả cao. Việc hỗ trợ các dịch vụ di động yêu cầu thực hiện tác động chính xác nhanh vào thiết bị truyền phát để đảm bảo đường kết nối luôn luôn hoạt động tối ưu. Wimax di dộng xác định thông điệp CQI theo một kích cỡ nhỏ gọn (4-6 bit), do đó dẫn đến độ trễ thấp hơn và độ tin cậy cao hơn các thông điệp điều khiển bình thường. Các thông điệp CQI cung cấp các phản hồi nhanh và đáng tin cậy về điều kiện của đường dẫn tới trạm gốc. Hỗ trợ chất lượng dịch vụ QoS Với tốc độ đường truyền vô tuyến cao, khả năng truyền đối xứng đường lên / đường xuống, tài nguyên lớn và cơ chế cấp phát tài nguyên linh hoạt, Wimax di động hoàn toàn có thể đáp ứng được những yêu cầu về chất lượng dịch vụ QoS cho các dịch vụ và ứng dụng thông tin băng rộng Lớp MAC trong Wimax đi động, QoS được cung cấp qua các luồng dịch vụ như minh họa ở hình dưới. Đó là các luồn gói tin vô hướng được cung cấp bởi 1 tập các tham số QoS. Trước khi cung cấp một loại hình dịch vụ dữ liệu, trạm gốc và thiết bị người sử dụng đầu cuối trước tiên được thiết lập một đường liên kết logic vô hướng giữa các lớp MAC ngang hàng , được gọi là thực hiện kết nối. Đầu ra MAC sau đó sẽ kết hợp các gói tin đi qua giao diện MAC rồi đi vào trong luồng dịch vụ để được gửi đi thông qua kết nối. Hình 4.24 Hỗ trợ QoS WiMAX di động Các thông số QoS kết hợp với luồng dịch vụ xác định trình tự truyền và lập lịch trong giao diên vô tuyến. Do vậy QoS kết nối có hướng này có khả năng cung cấp thông tin điều khiển thông qua giao diện vô tuyến. Do đường truyền vô tuyến thường xảy ra hiện thắt nút cổ chai, QoS kết nối có hướng có thể cho phép điều khiển QoS đầu cuối đến đầu cuối ( end to end ) một cách hiệu quả. Các thông số luồng dịch vụ có thể được quản lý một cách linh hoạt thông qua các bản tin MAC để thỏa mãn những yêu cầu đa dạng của dịch vụ. Luồng dữ liệu dựa trên cơ chế QoS được ứng dụng cho cả đường lên và đường xuống đã cải thiện được QoS cho cả hai hướng. Wimax đi động hỗ trợ nhiều dịch vụ dữ liệu và ứng dụng với các yêu cầu QoS khác nhau. Bảng sau đưa ra những kết luận tổng hợp. Yêu cầu QoS Ứng dụng Các đặc tính QoS UGS ( Unsolicited Grant Servive ) VoIP ( Voice over IP ) -Duy trì tốc độ tối đa -Tối ưu hóa chống trễ -Triệt Jitter rtPS ( Real time Packet Service ) Luồng Audio hoặc Video ( Streaming Audio or Video ) -Tốc độ tối thiểu định trước -Duy trì tốc độ tối đa -Tối ưu hóa chống trễ -Ưu tiên lưu lượng ErtPS ( Extended Real time Packet Service ) Thoại với sự bảo vệ tích cực ( VoIP with Activity Detection ) -Tốc độ tối thiểu định trước -Duy trì tốc độ tối đa -Tối ưu hóa chống trễ -Triệt Jitter -Ưu tiên lưu lượng nrtPS ( Non Real time Packet Service ) Giao thức truyền tải file ( File Transfer Protocol ) -Tốc độ tối thiêu định trước -Duy trì tốc độ tối đa -Ưu tiên lưu lượng BE ( Best Effort ) Truyền dữ liệu, duyệt Web … -Duy trì tốc độ tối đa -Ưu tiên lưu lượng Bảng 4.3 Các dịch vụ WiMAX và QoS Dịch vụ lập lịch MAC Dịch vụ lập lịch trình MAC trong Wimax di động được thiết kế để truyền tải một cách hiệu quả các dịch vụ dữ liệu băng rộng bao gồm có thoại, dữ liệu , và hình ảnh thông qua sự thay đổi thời gian kênh không dây băng rộng. Dịch vụ lập lịch trình với các thuộc tính kèm theo có thể thực thi các dịch vụ dữ liệu băng rộng sau đây : - Bộ lập lịch dữ liệu nhanh : Bộ lập lịch MAC phải cấp phát tài nguyên hữu dụng một cách hiệu quả để đáp ứng được những điều kiện lưu lượng dữ liệu tăng lên và thời gian kênh thay đổi. Bộ lập lich được cấp phát tại mỗi trạm gốc để có thể đáp ứng nhanh chóng những yêu cầu về lưu lượng và tình trạng kênh. Những gói dữ liệu kết hợp với các luồng dịch vụ sẽ xác định tốt nhất các thông số QoS tại lớp MAC, do vậy bộ lập lịch có thể xác định một cách chính xác những yêu cầu truyền gói dữ liệu qua giao diện vô tuyến. Kênh CQICH cung cấp phản hồi thông tin kênh nhanh để thực hiện lập lịch giúp cho việc chọn phương pháp điều chế và mã hóa thích hợp cho mỗi sự cấp phát. Kỹ thuật điều chế / mã hóa thích ứng kết hợp với HARQ cung cấp khả năng truyền dẫn cao qua kênh thay đổi thời gian. - Lập lịch cho cả đường lên và đường xuống : Dịch vụ lập lịch được cung cấp cho cả lưu lượng đường lên và đường xuống. Để bộ lập lịch MAC có thể cấp phát tài nguyên một cách hiệu quả và đáp ứng yêu cầu QoS trên đường xuống, thì đường xuống phải phản hồi một cách chính xác, đúng thời điểm những thông tin về tình trạng lưu lượng và những yêu cầu QoS. Băng thông đường lên đa đường yêu cầu những cơ chế, ví dụ như yêu cầu băng thông thông qua dải kênh, yêu cầu kích thước tải và bầu chọn được thiết kế để hỗ trợ cho những yêu cầu băng thông đường lên. Các luồng dịch vụ đường lên xác định cơ chế phản hồi cho mỗi kết nối đường lên để bảo đảm viêc dự đoán cho việc xử lý lập lịch đường lên. Hơn thế nữa, với các kênh con đường lên trực giao không hề xuất hiện nhiễu giữa các cell. Bộ lập lịch đuờng lên cấp phát tài nguyên hiệu qủa hơn và tốt hơn là sử dụng QoS. - Cấp phát tài nguyên động : Lớp MAC hỗ trợ việc cấp phát tài nguyên tần số - thời gian ở cả đường xuống và đường lên trên cơ sở từng frame. Việc cấp phát tài nguyên được gửi đi trong bản tin MAC vào phần đầu của mỗi khung. Do vậy, sự cấp phát tài nguyên có thể được thay đổi trên từng khung để đáp ứng với các tình trạng kênh và lưu lượng.Thêm vào đó, số lượng các tài nguyên trong mỗi sự cấp phát có thể thay đổi từ một khe cho tới toàn bộ khung. - QoS có hướng : bộ lập lịch MAC điều khiển việc vận chuyển dữ liệu dựa trên nền tảng liên kết các kết nối. Mỗi một kêt nối kết hợp với một dịch vụ dữ liệu riêng lẻ cùng với việc điều chỉnh các thông số QoS mà có thể xác định được chất lượng những đáp ứng bên ngoài của nó. Với khả năng cấp phát tài nguyên động trên cả đường lên và đường xuống, bộ lập lịch có thể cung cấp QoS cao cấp cho cả lưu lượng đường lên và đường xuống .Thông thường với bộ lập lịch cho đường lên, nguồn tài nguyên đường lên được cấp phát hiệu quả hơn, có thể dự đoán hoạt động chính xác hơn, và thực thi QoS tốt hơn. - Bộ lập lịch lựa chọn tần số : Bộ lập lịch có thể hoạt động với nhiều loại kênh con khác nhau. Với những kênh con thay đổi tần số như là hoán vị PUSH, nơi mà những sóng mang con trên những kênh con được phân bố một cách ngẫu nhiên qua băng thông, các kênh con sẽ có chất lượng tương đương. Bộ lập lịch thay đổi tần số có thể hỗ trợ cho QoS với thuộc tính tốt và bộ lập lịch tài nguyên thời gian – tần số linh hoạt. Với sự hoán vị lân cận như hoán vị AMC, các kênh con có thể có những suy giảm khác nhau . Bộ lập lịch lựa chọn tần số có thể cấp phát cho người dùng di động để có sự tương ứng tôt nhất cho các kênh con. Bộ lập lịch lựa chọn tần số có thể tăng cuờng dung lượng hệ thống với mức vừa phải cho phần đầu của CQI trên đường lên. Chuyển giao trong WiMAX di động Có ba phương pháp chuyển giao được chuẩn 802.16e hỗ trợ - Chuyển giao cứng (Hard Handoff – HHO), Chuyển trạm gốc nhanh (Fast Base Station Switching – FBSS) và Chuyển giao phân tập vĩ mô (Macro Diversity Handover – MDHO). Hard Handoff - đây là chức năng chuyển vùng dạng “phá vỡ trước khi thực hiện” "break before make" khi các thiết bị đầu cuối khách hàng không kết nối với bất kỳ trạm gốc nào trước khi kết nối với trạm gốc tiếp theo. FBSS - mạng chuyển vùng thuê bao giữa các trạm gốc trong khi vẫn duy trì sự kết nối mạng lõi với trạm gốc MDHO (Macro-diversity handover) - thuê bao duy trì một kết nối với đồng thời 2 hoặc nhiều trạm gốc để tạo sự chuyển vùng không bị gián đoạn với chất lượng kết nối cao nhất. Trong đó, chuyển giao HHO là bắt buộc còn FBSS và MDHO là hai chế độ tuỳ chọn. Diễn đàn Wimax đã phát triển một vài công nghệ chuyển giao cứng rất thích cực trên nền tảng chuẩn 802.16e. Những cải tiến này được phát triển với mục đích giữ cho trễ chuyển giao lớp 2 ít hơn 50 ms. Tại chế độ chuyển giao cứng HHO, MS chỉ duy trì kết nối với chỉ một BS duy nhất trong cùng một thời điểm. Kết nối của MS với trạm BS cũ sẽ được phá vỡ trước khi kết nối mới được thiết lập. Chuyển giao được thực hiện sau khi cường độ tín hiệu ở các cell kế cận vượt quá cường độ tín hiệu tại cell hiện thời. Phần ranh giới giữa các cell được coi như là nơi có sự chuyển giao cứng xảy ra. Hình 4.25 Chuyển giao cứng HHO Khi được hỗ trợ FBSS, MS và BS duy trì một danh sách các BS mà liên quan đến FBSS với MS. Tập này gọi là một tập tích cực ( Set Active ). Trong FBSS, MS tiếp tục theo dõi các trạm gốc trong tập Active Set. Khi hoạt động trong FBSS, MS chỉ trao đổi với Anchor BS cho các bản tin đường lên và đường xuống chứa các kết nối lưu lượng và quản lý. Việc chuyển từ một Anchor BS đến trạm khác (chẳng hạn chuyển giao BS) được thực hiện mà không cần có sự hiện diện của các bản tin báo hiệu HO. Các thủ tục cập nhật “mỏ neo” được thực hiện bởi cường độ tín hiệu giữa trạm gốc phục vụ thông qua kênh CQI. Một chuyển giao FBSS bắt đầu một quyết định dựa trên MS nhận hoặc phát dữ liệu từ trạm anchor BS mà nó có thể được thay đổi trong tập tích cực. MS dò tìm các BS lân cận và lựa chọn trạm nào thích hợp nhất trong tập tích cực. Hình 4.26 Chuyển trạm gốc nhanh ( FBSS ) MS gửi báo cáo cho BS được chọn và thủ tục cập nhật tập tích cực được thực hiện bởi BS và MS. MS tiếp tục theo dõi cường độ tín hiệu của các BS trong tập tích cực và lựa chọn một BS để trở thành anchor BS. MS gửi báo cáo đến BS lựa chọn trên kênh CQICH hoặc MS khởi tạo bản tin yêu cầu HO. Một yêu cầu quan trọng của FBSS là dữ liệu sẽ được truyền đồng thời đến tất cả các phần tử của tập các BS hoạt động sẵn sang phục vụ MS. Đối với các MS và BS hỗ trợ MDHO, MS và BS duy trì một tập các BS hoạt động mà có chế độ MDHO với MS, được gọi là tập phân tập ( Diversity Set ) . Tập này được định nghĩa cho mỗi MS ở trong mạng. Trong số các BS của tập các trạm gốc hoạt động, một BS mỏ neo được định nghĩa. Chế độ thông thường để hoạt động chính là một trường hợp cụ thể của MDHO với tập các trạm gốc hoạt động chỉ gồm một BS đơn lẻ. Khi hoạt động trong chế độ MDHO, MS trao đổi với tất cả BS trong tập các trạm gốc hoạt động thông qua các bản tin đơn hướng cả hướng lên và hướng xuống. Một phiên MDHO bắt đầu khi một MS quyết định truyền và nhận lưu lượng và bản tin đơn hướng từ nhiều BS trong cùng khoảng thời gian. Hình 4.27 Chuyển giao phân tập MDHO Đối với MDHO đường xuống, có hai hoặc nhiều hơn BS cung cấp khả năng truyền đồng bộ cho dữ liệu đường xuống MS và như vậy kết hợp phân tập được thực hiện ở MS. Đối với đường lên MDHO, việc truyền dẫn từ MS được thu bởi nhiều BS ở đó thông tin phân tập lựa chọn nhận được thực hiện. Trạm BS cũng có thể nhận được tín hiệu kết nối giữa các MS với các trạm BS khác, tuy nhiên khi đó cấp độ cường độ tín hiệu không đủ để được coi như là một BS kế cận. Quản lý sự di động và công suất tiêu thụ Việc giám sát nguồn trong các thiết bị cầm tay di động và khả năng hỗ trợ chuyển (handoff) mềm là các yêu cầu cần thiết nhằm hỗ trợ các ứng dụng di động. Để dễ dàng di chuyển và thuận tiện cho các thuê bao, các thiết bị đầu cuối di động phải nhỏ gọn do đó kích thước pin sẽ bị hạn chế. Trong khi đó các thê bao cần nguồn hoạt đông trong thời gian dài. Wimax di động hỗ trợ hai chế đô hoạt động tăng hiệu suất nguồn năng lượng – chế độ ngủ ( Sleep Mode ) và chế độ rỗi ( Idle Mode ). - Chế độ ngủ ( Sleep Mode ) : là trạng thái mà MS đang ở trong giai đoạn trước khi có bất cứ trao đổi thông tin gì với trạm gốc qua giao diện vô tuyến. Nhìn từ phía trạm gốc, giai đoạn này có đặc điểm là không khả dụng với MS cho cả lưu lượng đường lên và đường xuống. Chế độ này cũng cung cấp khả năng linh hoạt cho MS để dò các trạm gốc khác để thu thập thông tin hỗ trợ chuyển giao . - Chế độ rỗi ( Idle Mode ) : cung cấp một cơ chế cho MS để sẵn sàng một cách định kỳ nhận các bản tin quảng bá hướng xuống (DL) mà không cần đăng ký với một trạm gốc xác định nào khi MS di chuyển trong một môi trường có đường truyền vô tuyến được phủ sóng bởi nhiều trạm gốc. Chế độ này làm lợi cho MS bằng cách loại bỏ yêu cầu chuyển giao và các hoạt động thông thường khác, đem lại tiện ích cho mạng và trạm gốc bằng cách loại bỏ giao diện vô tuyến và lưu lượng chuyển giao của mạng từ các MS không hoạt động trong khi vẫn cung cấp một phương pháp đơn giản để báo cho MS về lưu lượng DL đang xử lý. Chuẩn Wimax di động cho phép các thiết bị đầu cuối khách hàng có thể linh động trong một khoảng thời gian nhât định khi thực hiện kết nối với trạm gốc. Khi không có sự truyền hay phát dữ liệu, thiết bị đầu cuối khách hàng có thể chuyển đến trạng thái "sleep" hoặc "idle" nhằm giảm thiểu công suất tiêu thụ. Người quản lý các trạm gốc phải nhận biết mọi trạng thái nghỉ ("sleep" hay "idle") của thiết bị đầu cuối khách hàng và có khả năng chuyển trạng thái của thiết bị đầu cuối sang chế độ phát hay thu tín hiệu bất cứ khi nào cần. Ở trạng thái phát của thiết bị đầu cuối khách hàng, việc sử dụng các kênh con đảm bảo công suất phát tương đương với công suất để duy trì chất lượng đường truyền ổn định khi đang phát lưu lượng, do đó nó làm giảm đáng kể công suất tiêu thụ trong thiết bị đầu cuối khách hàng.