CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WiMAX 1.1 Giới thiệu chương Chương này giới thiệu về WiMax, lịch sử phát triển của chuẩn IEEE 802.16, cấu trúc và các thông số kỹ thuật của chuẩn 802.16e cũng như tìm hiểu một cách khái quát về lớp MAC và lớp PHY. Qua đó, giúp người đọc hiểu được những ưu điểm và nhược điểm của Wimax so với các thế hệ trước.2 Khái niệm về WiMax WiMax là một mạng không dây băng thông rộng viết tắt là Worldwide Interoperability for Microwave Access. WiMax được thiết kế dựa vào tiêu chuẩn IEEE 802. WiMax đã giải quyết tốt nhất những vấn đề khó khăn trong việc quản lý đầu cuối.
WiMax sử dụng kỹ thuật sóng vô tuyến để kết nối các máy tính trong mạng Internet thay vì dùng dây để kết nối như DSL hay cáp, modem. Trong Wimax, người sử dụng có thể sử dụng trong phạm vi từ 3 đến 5 dặm so với trạm chủ (BS) nếu thiết lập một đường dẫn công nghệ NLOS (Non-Line-Of-Sight) với tốc độ truyền dữ liệu rất cao là 75Mbps. Còn nếu người sử dụng trong phạm vi lớn hơn 30 dặm so với trạm chủ (BS) thì sẽ có anten sử dụng công nghệ LOS (Line-Of-Sight) với tốc độ truyền dữ liệu gần bằng 280Mbps. Nếu so với Wimax thì WiLANs (Wireless Local Area Networks) cũng là mạng không dây kết nối các thiết bị trong một phạm vi hẹp hơn so WiMax như là SVTH :THANH BÌNH –DUY CẬN :09LTĐT ĐAVT GVHD: Võ Thị Hương một văn phòng hay một gia đình.
Các thiết bị theo chuẩn 802.11b sẽ cung cấp tốc độ 11Mbps và các thiết bị theo chuẩn 802.11g sẽ cung cấp tốc độ 54Mbps. So sánh giữa WiLANs và WiMAX Technology Primary use Data rates WiMAX 802.16 External 75 – 250 Mbps WiLAN 802.11g Internal Up to 54Mbps WiLAN 802.11b Internal Up to 11Mbps Bảng trên cho ta thấy WiMax có tốc độ truyền dữ liệu lớn hơn so với WiLANs. Chính điều này đã làm cho WiMax trở nên ưu điểm hơn so với mạng không dây khác.3 Khái niệm về IEEE 802.16 Ngày nay đã có rất nhiều hệ thống mạng không dây ra đời như là WiFi, bluetooth nhưng chúng không bằng những ưu điểm mà WiMax đã thể hiện. Trong vài năm gần đây, những vấn đề đang được quan tâm hiện nay như bảo mật, QoS, giá thành và những vấn đề khác nữa… gặp rất nhiều khó khăn.
Nhưng đối với WiMax thì những vấn đề trên trở nên khá đơn giản, nó đáp ứng được nhu cầu internet không dây do chính WISPs (Wireless Internet Providers) cung cấp với giá thành rẻ và tốc độ truyền cao khi kết nối đến thiết bị đầu cuối trong một khoảng cách truyền lớn. Về tiêu chuẩn, WiMax là một bộ tiêu chuẩn dựa trên họ tiêu chuẩn 802.16 của IEEE nhưng hẹp hơn và tập trung vào một số cấu hình nhất định. Hiện có 2 chuẩn của WiMax là 802.16-2004 (trước đó là 802.16 REVd) được IEEE đưa ra tháng 7 năm 2004. Tiêu chuẩn này sử dụng phương thức điều chế OFDM và có thể cung cấp các dịch vụ cố định, nomadic (người sử dụng có thể di chuyển nhưng cố định SVTH :THANH BÌNH –DUY CẬN :09LTĐT ĐAVT GVHD: Võ Thị Hương trong lúc kết nối) theo tầm nhìn thẳng (LOS) và không theo tầm nhìn thẳng (NLOS).16e) được thông qua IEEE tháng 12/2005.
Tiêu chuẩn này sử dụng phương thức điều chế SOFDMA (Scalable Orthogonal Frequency Division Multiplexing), cho phép thực hiện các chức năng chuyển vùng(handover) và chuyển mạng(roaming) nên có thể cung cấp đồng thời dịch vụ cố định, nomadic, mang xách được (người sử dụng có thể di chuyển với tốc độ đi bộ), di động hạn chế và di động.16 sử dụng ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM như là phương pháp truyền cho kết nối NLOS. Tín hiệu OFDM được tạo từ nhiều sóng mang trực giao và mỗi một sóng mang được điều chế số với tốc độ ký tự thấp. WiMax có băng thông không phải là một hằng số mà thay đổi từ 1.25MHz đến 28MHz. Trong chuẩn IEEE 802.16-2004, một khác biệt có thể nhận thấy được giữa hai phương pháp: OFDM và OFDMA.
Trong chế độ OFDM thông thường, 200 sóng mang đã có sẵn cho việc truyền dữ liệu và cả hai phương pháp song công TDD và FDD đều được sử dụng. Còn đối với chế độ OFDMA, những thuê bao khác nhau có thể được phục vụ đồng thời bởi việc cho mỗi thuê bao một nhóm sóng mang riêng biệt để mang dữ liệu đến thuê bao đó. Số lượng sóng mang có thể tăng lên một cách đáng kể.16e là một chuẩn mở rộng của WiMax ở tần số 6 GHz với mục đích ứng dụng trong di động. Lịch sử phát triển của các loại chuẩn IEEE 802.16 được cho trong hình sau.16e SVTH :THANH BÌNH –DUY CẬN :09LTĐT ĐAVT GVHD: Võ Thị Hương 1.4 Giới thiệu chuẩn 802.16 sử dụng kỹ thuật truy cập OFDM mà đã được sử dụng trong các hệ thống khác như 802.
Những đặc điểm mới chính trong lớp PHY - quan hệ với 802.11a là: số sóng mang FFT dài hơn ( từ 64-FFT đến 256-FFT); thay đổi được băng thông kênh và tần số lấy mẫu, và thay đổi được tỷ số của hai giá trị này; nhiều người sử dụng được với một Tx burst; loại điều chế có thể thay đổi theo thời gian trong khung; bốn thay cho hai giá trị khoảng bảo vệ cần thiết. Các tiêu chuẩn của 802.16 SVTH :THANH BÌNH –DUY CẬN :09LTĐT ĐAVT GVHD: Võ Thị Hương 1.1 Bảng thông số kỹ thuật Bảng 1. Các thông số kỹ thuật của chuẩn 802.2 Các băng tần số Bảng 1. Các băng tần số 1.3 Chức năng phân kênh (Subchannelization) WIMAX được thiết kế để vận hành như là một mạng cơ sở hạ tầng, và sự phân chia tài nguyên này cũng là một vấn đề quan trọng.
SVTH :THANH BÌNH –DUY CẬN :09LTĐT ĐAVT GVHD: Võ Thị Hương Với WIMAX ( OFDM và OFDMA), Subchannelization cho phép ta nhóm hoàn toàn một số các sóng mang OFDM thành các block và phân cho mỗi block thành các segment khác nhau của trạm BS. Những block được trải ra trên hoàn toàn vùng tần số và gồm một số các sóng mang liên tiếp nhau. Subchannel index điều khiển sử dụng những Block khác nhau trên toàn bộ phổ. Số sóng mang dữ liệu hoàn tất (192) có thể được chia thành 2, 4, 8 hoặc 16 Subchannel.
Tất cả các sóng mang được trải trên 4 vùng " regions" khác nhau của vùng tần số. Nếu bốn Subchannel được sử dụng như ví dụ dưới đây, sẽ có 16/4 = 4 subchannel khác nhau và 192/4 = 48 sóng mang trên subchannel, mà được chia trên 4 "region" khác nhau, vì vậy có thể coi 48/4 = 12 sóng mang liên tiếp / subchannel block.2 Subchannelization với 4 kênh sử dụng 1.4 Cấu trúc khung Một khung được chia thành các khung nhỏ DL và UL. Những khung nhỏ DL và UL được bắt đầu với ô preamble (cho biết giới hạn số sóng mang của symbol) để tìm lại thông tin về kênh truyền và cho phép máy thu tìm lại đáp ứng kênh. Ô FCH và DL MAP chứa thông tin về nội dung khung (vị trí và kiểu điều chế của mỗi burst) và được điều chế - BPSK.4) SVTH :THANH BÌNH –DUY CẬN :09LTĐT Hình 1.
Cấu trúc khung 802.16 OFDM ĐAVT GVHD: Võ Thị Hương 1.1 Giới thiệu chung OFDMA mở rộng chức năng của OFDM bằng cách thêm vào đặc điểm đa truy cập trong miền tần số. Điều này có nghĩa là băng thông được chia thành các khe cho người sử dụng trong miền thời gian và miền tần số. Sự so sánh OFDM và OFDMA SVTH :THANH BÌNH –DUY CẬN :09LTĐT ĐAVT GVHD: Võ Thị Hương Điểm khác với chuẩn FDMA là các sóng mang OFDMA cho các user khác nhau là rất gần với nhau và cho phép các sóng mang vật lý có thể thay đổi từ symbol này đến symbol khác. Như vậy thật là khó khăn để thiết kế một máy thu với khoảng cách sóng mang (subcarrier) thay đổi; các nhà sản xuất thì nghiên cứu để thực hiện các sự kết nối của băng thông hệ thống và kích thước FFT để đưa ra khoảng cách sóng mang cố định.
Bảng dưới đây đưa ra sự thiết lập hợp lý cho các băng thông hệ thống và kích cỡ FFT khác nhau. Tham số vật lý của OFDMA 1.2 Tổng quát về khung (Frame) Hình vẽ dưới đây giới thiệu một cách khái quát về khung OFDMA. SVTH :THANH BÌNH –DUY CẬN :09LTĐT ĐAVT GVHD: Võ Thị Hương Hình 1. Cấu trúc khung OFDMA 1.3 Các phần trong khung (Frame Parts) UL và DL được tách ra bởi các khe hở: transmit transition gap(TTG) sau khung con DL và receive transition gap(RTG) sau khung con UL.
Trong DL có 4 thành phần mà nó mang thông tin cho phép máy thu giải điều chế tín hiệu : preamble, FCH, DL-MAP và UL-MAP. Bốn thành phần này trong cấu trúc 802.16-2004 được sử dụng cho việc truyền thêm thông tin tín hiệu cần thiết trong tín hiệu OFDMA.1 Preamble Ô preamble là ô bắt đầu của mỗi khung downlink. Nó bao gồm các sóng mang điều chế-BPSK và có độ dài 1 symbol OFDMA. Preamble được sửdụng vào hai mục đích: - Bố trí tuần tự pilot vào trong ô preamble để làm cho nó dễ dàng hơn cho máy thu trong việc đánh giá lỗi tần số và pha và để đồng bộ với máy phát.
Chúng được sử dụng để đánh giá và cân bằng kênh. - Số sóng mang preamble sử dụng để chỉ ra 3 segment được sử dụng. chỉ ra rằng segment 0 là được sử dụng, các sóng mang 1,4,7. chỉ ra segment 1 được dùng, và các sóng mang 2,5,8,.
chỉ ra segment 3 được dùng.2 FCH Frame control header(FCH) được điều chế QPSK và có độ dài 2 symbol OFDMA. Vị trí vật lý của trường FCH là cố định, để khi trong preamble không có thông tin thì nó sẽ mô tả địa chỉ. SVTH :THANH BÌNH –DUY CẬN :09LTĐT ĐAVT GVHD: Võ Thị Hương Nội dung của FCH mô tả Subchannel sử dụng, độ dài của DL-MAP và các tham số truyền dẫn khác sẽ được cho dưới đây.3 DL-MAP /UL-MAP DL-MAP (downlink map) mô tả vị trí của các burst chứa trong Downlink Zones. Nó gồm số các downlink burst, độ dài của chúng theo cả hướng thời gian (=symbol) và tần số (= subchannel).
UL-MAP (uplink map) được truyền như burst đầu tiên trong đường xuống(downlink) và gồm các thông tin về vị trí của UL burst cho các người sử dụng khác nhau.16e là sự phát triển cao hơn của 802. Chuẩn này bao gồm tất cả các đặc điểm của 802.16-2004 và thêm một số chức năng khác. So sánh các loại giao diện của lớp PHY SC SCa OFDM OFDMA Frequency 10-66GHz 2-11GHz 2-11GHz 2-11GHz QPSK, BPSK, QPSK, QPSK, 16QAM, QPSK, 16QAM, 16QAM, Modulation 64QAM 16QAM, 64QAM 64QAM 64QAM, 256QAM No. of subcarriers N/A N/A 256 2048 Duplexing TDD,FDD TDD,FDD TDD,FDD TDD,FDD Channel 28MHz 1.