Tài liệu đồ án mô hình hóa mạng wimax cố định

Mục lục MỤC LỤC MỤC LỤC................................................................................................................. I DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG......................................................................IV BẢNG GIẢI NGHĨA THUẬT NGỮ....................................................................VI LỜI NÓI ĐẦU........................................................................................................IX TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN.............................................................................X CHƯƠNG 1..............................................................................................................1 CÔNG NGHỆ WIMAX...........................................................................................1 1.1 Khái niệm chung về WiMAX........................................................................1 1.1.1 Khái niệm WiMAX......................................................................................1 1.1.2 Các đặc điểm của WiMAX..........................................................................1 1.1.3 Hoạt động của WiMAX...............................................................................2 1.2 Cấu hình mạng...............................................................................................4 1.2.1 Cấu hình mạng điểm – đa điểm (PMP).......................................................4 1.2.2 Cấu hình mạng mắt lưới (MESH)...............................................................5 1.3 Các dịch vụ của WiMAX...............................................................................7 1.3.1 Các tham số QoS cho luồng dịch vụ...........................................................7 1.3.2 Dịch vụ cấp phát không theo yêu cầu (UGS)..............................................8 1.3.3 Dịch vụ kiểm tra vòng theo thời gian thực (rtPS).......................................8 1.3.4 Dịch vụ kiểm tra vòng không theo thời gian thực (nrtPS)..........................9 1.3.5 Dịch vụ cố gắng tối đa (Best Effort - BE)...................................................9 1.4 Chuẩn WiMAX............................................................................................10 1.4.1 Hệ thống chuẩn IEEE 802.16....................................................................10 1.4.2 Chuẩn WiMAX cố đinh (IEEE 802.16d)..................................................12 1.4.3 Chuẩn WiMAX di động (IEEE 802.16e)..................................................12 1.4.4 Kiến trúc giao thức WiMAX.....................................................................13 1.5 Truy nhập vô tuyến......................................................................................16 1.5.1 Môi trường truyền sóng LOS và NLOS....................................................16 1.5.2 Công nghệ OFDM cho truyền dẫn vô tuyến.............................................17 1.5.3 Đa truy nhập và kênh con hóa...................................................................17 1.5.4 Kỹ thuật song công TDD và FDD.............................................................19 1.6 Điều chế và mã hóa......................................................................................20 1.6.1 Mã hóa kênh...............................................................................................20 I Mục lục 1.6.2 Điều chế.....................................................................................................21 1.7 Bảo mật.........................................................................................................24 1.7.1 Kiến trúc bảo mật trong WiMAX..............................................................24 1.7.2 Bảo mật qua giao diện vô tuyến................................................................26 1.7.3 Mật mã hóa dữ liệu....................................................................................28 1.8 Các mô hình ứng dụng WiMAX.................................................................29 1.9 Các ưu điểm của mạng WiMAX.................................................................30 Tổng kết chương 1.............................................................................................31 CHƯƠNG 2............................................................................................................31 BÀI TOÁN THIẾT KẾ MẠNG WIMAX.............................................................31 CỐ ĐỊNH & DI TRÚ CHO THÀNH PHỐ HÀ NỘI...........................................31 2.1 Mục đích thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú....................................31 2.2 Bài toán thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú......................................31 2.2.1 Các tham số hệ thống của mạng WiMAX cố đinh & di trú......................31 2.2.2 Các tham số dịch vụ cho WiMAX cố đinh & di trú..................................31 2.2.3 Phương pháp tính toán lưu lượng..............................................................31 2.2.4 Đánh giá khả năng triển khai mạng WiMAX cố đinh & di trú.................31 2.2.5 Các bước thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú...................................31 2.3 Các yêu cầu thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú cho thành phố Hà Nội....................................................................................................................... 31 2.3.1 Chỉ tiêu chất lượng cho mạng WiMAX cố đinh & di trú..........................31 2.3.2 Các yêu cầu thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú cho thành phố Hà Nội.......................................................................................................................31 2.3.3 Lựa chọn thiết bị theo yêu cầu thiết kế......................................................31 2.4 Tính toán suy hao.........................................................................................31 2.4.1 Tính toán suy hao đường truyền (path loss)..............................................31 2.4.2 Dự trữ suy hao phụ....................................................................................31 2.5 Tính toán phạm vi phủ sóng........................................................................31 2.5.1 Tính toán quỹ đường truyền......................................................................31 2.5.2 Tính toán phạm vi phủ sóng......................................................................31 2.6 Định cỡ mạng và quy hoạch vùng phủ sóng...............................................31 2.6.1 Định cỡ mạng.............................................................................................31 2.6.2 Quy hoạch vùng phủ sóng.........................................................................31 Tổng kết chương 2.............................................................................................31 II Mục lục CHƯƠNG 3............................................................................................................31 MÔ HÌNH HÓA MẠNG WiMAX CỐ ĐỊNH......................................................31 3.1 Các tham số đầu vào....................................................................................31 3.2 Mô hình hóa mạng WiMAX cố đinh & di trú trên bản đồ.......................31 3.2.1 Mô hình mạng trên bản đồ địa lý...............................................................31 3.2.2 Mô hình mạng trên bản đồ kiến trúc.........................................................31 3.3 Mô hình chi tiết cho một cell.......................................................................31 3.4 Xác định vị trí đặt trạm gốc.......................................................................31 Tổng kết chương 3.............................................................................................31 CHƯƠNG 4............................................................................................................31 CÁC CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG.................................................................31 4.1 Chương trình tính toán suy hao..................................................................31 4.1.1 Tính toán suy hao theo mô hình COST 231 Hata.....................................31 4.1.2 Tính toán suy hao theo mô hình COST 231 Walfish-Ikegami..................31 4.2 Chương trình tính toán phạm vi phủ sóng.................................................31 4.3 Chương trình tính toán định cỡ và mô phỏng mạng.................................31 KẾT LUẬN.............................................................................................................31 TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................31 III Danh mục hình vẽ và bảng DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG Hình 1.1 Mạng WiMAX........................................................................................................4 Hình 1.2 Cấu hình mạng PMP...............................................................................................5 Hình 1.3 Cấu hình mạng MESH............................................................................................6 Hình 1.4 Bộ tiêu chuẩn IEEE802.16....................................................................................10 Hình 1.5 Mô hình kiến trúc giao thức WiMAX...................................................................13 Hình 1.6 Cấu trúc khung OFDM với kỹ thuật song công TDD..........................................19 Hình 1.7 Bộ tạo mã giả ngẫu nhiên......................................................................................21 Hình 1.8 Chòm sao BPSK, QPSK, 16 QAM và 64 QAM..................................................22 Hình 1.10 Lược đồ điều chế thích ứng.................................................................................23 Hình 1.11 Mô hình bảo mật..................................................................................................25 Hình 1.12 Quá trình nhận thực thuê bao.............................................................................26 Hình 1.13 Quá trình trao đổi khóa dữ liệu..........................................................................27 Hình 1.14 Mật mã hóa dữ liệu.............................................................................................28 Hình 1.15 Khả năng mở rộng dung lượng của một trạm gốc BS.........................................31 Bảng 2.1 Bảng các tham số hệ thống tham khảo cho WiMAX cố đinh & di trú.................31 Bảng 2.2 Bảng các tham số dịch vụ tham khảo cho WiMAX cố đinh & di trú...................31 Hình 2.1 Sơ đồ các bước thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú......................................31 Hình 2.2 Chỉ tiêu chất lượng cho mạng Internet..................................................................31 Bảng 2.3 Bảng tiêu chuẩn chất lượng cho mạng WiMAX cố đinh & di trú........................31 Hình 2.3 Khu vực cần phủ sóng chụp từ vệ tinh..................................................................31 Hình 2.4 Khu vực cần phủ sóng trên bản đồ địa lý..............................................................31 Hình 2.5 Bản đồ kiến trúc Hà Nội chụp từ vệ tinh...............................................................31 Bảng 2.4 Tỉ lệ thuê bao trên từng ứng dụng.........................................................................31 Bảng 2.5 Tổng hợp thông số thiết bị lựa chọn.....................................................................31 Hình 2.6 Bán kính cell với suy hao đường truyền...............................................................31 Hình 2.7 Đồ thị suy hao sử dụng mô hình COST 231 Hata.................................................31 Hình 2.8 Mô hình COST 231 Walfisch-Ikegami môi trường NLOS...................................31 Hình 2.9 Đồ thị suy hao sử dụng mô hình COST 231 Walfish-Ikegami..............................31 Bảng 2.6 Các tham số địa hình.............................................................................................31 Hình 2.10 Đồ thị suy hao mô hình SUI................................................................................31 Bảng 2.7 Mức suy hao thâm nhập một số loại vật cản.........................................................31 Bảng 2.8 Tổng hợp các mức dự trữ suy hao phụ.................................................................31 Bảng 2.9 Quỹ đường truyền cho đường xuống....................................................................31 Bảng 2.10 Quỹ đường truyền cho đường lên.......................................................................31 Hình 2.11 Kết quả tính toán phạm vi phủ sóng....................................................................31 Hình 2.12 Vùng phủ sóng tối đa của một sector 120o..........................................................31 Bảng 2.11 Kết quả định cỡ mạng.........................................................................................31 Hình 2.13 Vùng phủ sóng của một sector 120o....................................................................31 Hình 2.14 Mô hình mạng lưới cell lục giác.........................................................................31 Bảng 2.12 Tổng hợp kết quả tính toán thiết kế mạng..........................................................31 Hình 3.1 Mô hình mạng trên bản đồ địa lý (chưa hiệu chỉnh).............................................31 Hình 3.2 Mô hình mạng trên bản đồ địa lý (đã hiệu chỉnh).................................................31 Hình 3.3 Mô hình mạng WiMAX trên bản đồ kiến trúc......................................................31 Hình 3.4 Mô hình mạng đường trục (backhaul)...................................................................31 Hình 3.5 Chi tiết vùng phủ sóng cell 10...............................................................................31 IV Danh mục hình vẽ và bảng Hình 3.6 Vị trí đặt trạm gốc cell 10......................................................................................31 Hình 4.1 Chương trình tính toán suy hao theo mô hình COST 231 Hata............................31 Hình 4.2 Chương trình tính toán suy hao theo mô hình COST 231 W-I.............................31 Hình 4.3 Chương trình tính toán suy hao theo mô hình SUI...............................................31 Hình 4.4 Chương trình tính toán phạm vi phủ sóng.............................................................31 Hình 4.5 Chương trình tính toán định cỡ và mô phỏng.......................................................31 V Chương 1. Công nghệ WiMAX CHƯƠNG 1. CÔNG NGHỆ WIMAX ________________________________________________________________________ Trước khi xây dựng một mạng WiMAX cố đinh & di trú chúng ta cần tìm hiểu về công nghệ WiMAX, về các đặc điểm và những ứng dụng của công nghệ WiMAX. Việc hiểu rõ về công nghệ cũng như các ứng dụng của WiMAX cố đinh & di trú là cơ sở cho việc xây dựng, thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú trong thực tế. Chương 1 sẽ trình bày các khái niệm cơ bản và các đặc trưng của công nghệ WiMAX, bộ chuẩn WiMAX, các dịch vụ và mô hình ứng dụng WiMAX. 1.1 Khái niệm chung về WiMAX 1.1.1 Khái niệm WiMAX WiMax (viết tắt từ Worldwide Interoperability for Microwave Access) là một công nghệ truy cập không dây băng thông rộng (Broadband Wireless Access BWA) với khả năng cung cấp đường truyền số liệu với tốc độ lên đến 70Mb/s và với bán kính phủ sóng của một trạm anten phát lên đến 50 km. Công nghệ WiMAX dựa trên cơ sở tương thích toàn cầu được kết hợp bởi bộ chuẩn IEEE 802.16 và ETSI HiperMAN. Đây là các tiêu chuẩn cho mạng WirelessMAN (mạng đô thị không dây). WiMAX cố đinh & di trú dựa theo chuẩn 802.16d, WiMAX di động theo chuẩn 802.16e. Chuẩn WiMAX cố đinh hỗ trợ tốc độ dữ liệu đỉnh 70Mb/s, đảm bảo tốc độ tiêu chuẩn lớn hơn 30Mb/s. Chuẩn WiMAX di động cho thuê bao di chuyển ở tốc độ cao hỗ trợ truy nhập tốc độ dữ liệu đỉnh 30Mb/s, đảm bảo tốc độ tiêu chuẩn lớn hơn 5Mb/s. WiMAX có thể hoạt động trong tầm nhìn thẳng (Light of Sight – LOS) hay không trong tầm nhìn thẳng (None Light of Sight – NLOS). Công nghệ này có thể được sử dụng để thay thế các đường truyển DSL, ADSL, đường cáp hữu tuyến bằng truy nhập không dây, làm trạm chuyển tiếp (backhaul) cho mạng Wifi, hỗ trợ và bổ sung cho các dịch vụ điện thoại di động, cung cấp các kết nối băng thông rộng di động với rất nhiều các cấp dịch vụ khác nhau. 1.1.2 Các đặc điểm của WiMAX - Phạm vi phủ sóng của một BS trên lý thuyết có thể lên tới 50km. 1 Chương 1. Công nghệ WiMAX - Tốc độ truyền dữ liệu có thể thay đổi, tối đa 70Mb/s. - Hoạt động trong cả hai môi trường truyền dẫn: đường truyền tầm nhìn thẳng LOS và đường truyền không trong tầm nhìn thẳng NLOS. - Dải tần làm việc 2-11GHz cho đường truyền không trong tầm nhìn thẳng NLOS và từ 10-66GHz cho đường truyền trong tầm nhìn thẳng LOS. - Băng thông mềm dẻo, có thể cho phép thay đổi từ 1,75MHz đến 20MHz. - Kỹ thuật QoS (chất lượng dịch vụ) trong WiMAX cho phép hỗ trợ nhiều loại dịch vụ, đảm bảo chất lượng dịch vụ tối ưu nhất. - Giao diện vô tuyến sử dụng công nghệ OFDM (ghép kênh phân chia theo tần số trực giao). OFDM trong WiMax sử dụng tổng cộng 2048 sóng mang, trong đó có 1536 sóng mang dành cho thông tin được chia thành 32 kênh con mỗi kênh con tương đương với 48 sóng mang, cho phép nhiều thuê bao có thể truy cập đồng thời một hay nhiều kênh một cách linh hoạt để đảm bảo tối ưu hiệu quả sử dụng băng tần. - Trên mỗi sóng mang phụ sử dụng phương thức điều chế nhiều mức thích ứng từ BPSK, QPSK đến 64-QAM kết hợp các phương pháp sửa lỗi dữ liệu như ngẫu nhiên hoá, với mã hoá sửa lỗi Reed Solomon, mã xoắn tỷ lệ mã từ 1/2 đến 7/8 để đảm bảo chất lượng thông tin. - Đa truy nhập OFDMA, chế độ song công cho phép sử dụng cả hai công nghệ song công phân chia theo thời gian TDD (time division duplex) và song công phân chia theo tần số FDD (frequency division duplex) cho việc phân chia truyền dẫn của đường lên (uplink) và đường xuống (downlink). - Tính bảo mật cao, hỗ trợ chuẩn mã mật dữ liệu DES (Data Encryption Standard) và chuẩn mã mật tiên tiến AES (Advance Encryption Standard) cho quá trình bảo mật bảo mật. 1.1.3 Hoạt động của WiMAX Một mạng WiMax gồm 2 thành phần: + Trạm gốc (BS-Base Station): giống như các trạm BTS trong mạng thông tin di động số tế bào, sử dụng hệ thống anten thông minh AAS (Adaptive Antenna System) và kỹ thuật đa thu đa phát MIMO (Multi input multi output) với bán kính 2 Chương 1. Công nghệ WiMAX phủ sóng có thể đạt 50km với đường truyền LOS (trên điều kiện thực tế đạt khoảng 10km). + Trạm thuê bao (SS-Subscriber Station): có thể là các anten nhỏ nối với thiết bị thu đặt tại nhà thuê bao hoặc các thiết bị truyền thông cá nhân hỗ trợ WiMAX (CPE) hoặc các card PCMCIA gắn bên trong các thiết bị di động. Các trạm gốc BS được kết nối tới mạng Internet thông qua các đường truyền hữu tuyến tốc độ cao (cáp quang) hoặc sử dụng mạng đường trục backhaul với một trạm gốc làm trạm chuyển tiếp lưu lượng. Nhờ việc sử dụng các trạm chuyển tiếp, phạm vi phủ sóng rộng và chi phí rẻ nên WiMAX có khả năng phủ sóng đến những vùng hẻo lánh nơi mà các đường cáp hữu tuyến không thể triển khai được. Các anten thu/phát có thể trao đổi thông tin với nhau qua các đường truyền trong tầm nhìn thẳng LOS hoặc đường truyền không trong tầm nhìn thẳng NLOS. Trong trường hợp đường truyền trong tầm nhìn thẳng LOS, các anten được đặt cố đinh & di trú trên các điểm cao, tín hiệu trong trường hợp này ổn định và tốc độ truyền có thể đạt tối đa. Băng tần sử dụng có thể dùng ở tần số cao đến 66GHz vì ở tần số này tín hiệu ít bị giao thoa với các kênh tín hiệu khác và băng thông sử dụng cũng lớn hơn. Đối với trường hợp đường truyền không trong tầm nhìn thẳng NLOS, WiMax sử dụng băng tần thấp hơn ở khoảng 2-11GHz, ở tần số thấp tín hiệu dễ dàng vượt qua các vật cản, có thể phản xạ, nhiễu xạ, uốn cong, vòng qua các vật thể để đến đích. WiMAX cố đinh & di trú có thể sử dụng để cung cấp dịch vụ cho các hộ gia đình hoặc các doanh nghiệp, cơ quan tổ chức, trường học, bệnh viện… hoặc làm đường trục cho mạng di động, làm backhaul cho các hotspost của Wifi thay cho các mạng cáp hữu tuyến đắt tiền. Mạng nomadic cho phép người dùng đầu cuối có thể di chuyển vị trí trong vùng phủ sóng, khi kết nối vẫn phải cố đinh tương tự Wifi. WiMAX di động là triển vọng lớn nhất của WiMAX với khả năng cung cấp đường truyền tốc độ cao ở tốc độ di chuyển lớn, có khả năng bổ sung các di vụ di động mới ngoài các dịch vụ được cung cấp bởi mạng di động truyền thống. Hình 1.1 mô tả các mô hình ứng dụng mạng WiMAX bao gồm mạng WiMAX cố đinh, mạng WiMAX di trú (nomadic) và mạng WiMAX di động. Riêng WiMAX di động có thể tương thích với WiMAX cố đinh và di trú, điều này có nghĩa là một mạng WiMAX di động với lưu lượng mạng đủ lớn có thể cung cấp cho cả nhu cầu mạng cố đinh, di trú và di động. 3 Chương 1. Công nghệ WiMAX Hình 1.1 Mạng WiMAX 1.2 Cấu hình mạng WiMAX hỗ trợ hai cấu hình mạng là cấu hình mạng điểm – đa điểm (PMP – point to multipoint) và mạng mắt lưới (MESH). 1.2.1 Cấu hình mạng điểm – đa điểm (PMP) Cấu hình mạng điểm – đa điểm PMP tương tự mạng thông tin di động tế bào. Mạng điểm – đa điểm PMP bao gồm một trạm gốc BS kết nối với mạng công cộng và một số lượng lớn các trạm thuê bao SS xung quanh. Trạm gốc BS sử dụng hệ thống các anten chia theo cung (sectoral antennas) là các anten chảo có độ định hướng cao, được hướng theo từng cung và được sắp xếp xung quanh cột anten. 4 Chương 1. Công nghệ WiMAX Trong mạng điểm – đa điểm PMP các trạm thuê bao SS chỉ trao đổi thông tin trực tiếp với trạm gốc BS. Đường xuống (Down link) là quảng bá và đa điểm. Các trạm thuê bao SS chia sẻ đường lên (up link) tới trạm gốc BS trên cơ sở yêu cầu băng thông. Kết nối từ trạm thuê bao SS đến trạm gốc BS thông qua nhận dạng kết nối CID (connection ID), trạm thuê bao SS sẽ kiểm tra CID trong các PDU nhận được và chỉ giữ các PDU có địa chỉ tới chúng. Tùy thuộc loại dịch vụ sử dụng mà trạm thuê bao SS được phép tiến hành truyền dữ liệu ngay hoặc chờ sự cho phép của trạm gốc BS sau khi đã chấp nhận một yêu cầu từ trạm thuê bao SS. Mạng điểm – đa điểm PMP được thiết kế để cho phép số lượng người sử dụng lớn với chi phí thấp, lắp đặt đơn giản và giới hạn được số lượng router, switch cần thiết. Tần số sử dụng ở dải tần thấp dưới 6GHz để có phạm vi phủ sóng lớn. Cấu hình mạng điểm – đa điểm PMP là cấu hình mạng cơ bản cho mạng WiMAX. Hình 1.2 Cấu hình mạng PMP 5 Chương 1. Công nghệ WiMAX 1.2.2 Cấu hình mạng mắt lưới (MESH) Cấu hình mạng mắt lưới MESH gồm các trạm gốc MESH BS là các trạm gốc BS được kết nối với mạng bên ngoài và các MESH SS là các thành phần còn lại trong mạng mà chỉ có các kết nối bên trong mạng MESH (có thể là các trạm thuê bao SS hoặc trạm gốc BS). Mạng MESH thường được gọi là mạng mắt lưới, mỗi mắt lưới là một node mà trong đó các node đều có thể liên lạc được với nhau trực tiếp hoặc gián tiếp bên trong mạng. Đường lên và đường xuống trong mạng MESH là theo hướng dữ liệu tới và ra khỏi MESH BS. Kết nối trong mạng MESH cũng thông qua nhận dạng kết nối CID, MESH SS sẽ kiểm tra CID trong các PDU nhận được và chỉ giữ các PDU có địa chỉ tới chúng Trong mạng MESH mỗi node có một router do đó lưu lượng có thể được định tuyến qua các MESH SS. Nhờ đặc điểm này các MESH SS có thể trao đổi dữ liệu với nhau ngoài trao đổi dữ liệu trực tiếp với MESH BS, đây là khác biệt cơ bản so với cấu hình PMP. Do mỗi node đều có liên kết đa đường đến các node khác nên mỗi node có khả năng lựa chọn liên kết tốt nhất từ node khác và tránh được node ẩn (node không nhận được tín hiệu. Ngoài ra khả năng mở rộng của mạng mắt lưới MESH cho phép lớn hơn nhiều so với mạng điểm – đa điểm PMP nên chi phí bao phủ mạng trên một đơn vị diện tích là thấp hơn điểm – đa điểm PMP. Ngoài ra chất lượng kết nối cũng được đảm bảo hơn mạng điểm – đa điểm PMP. Cấu hình mạng mắt lưới MESH là tùy chọn cho WiMAX do chi phí cho thiết bị đầu cuối lớn và quản lý mạng phức tạp. Mạng mắt lưới MESH chỉ thích hợp cho các dịch vụ cố đinh & di trú. 6 Chương 1. Công nghệ WiMAX Hình 1.3 Cấu hình mạng MESH 1.3 Các dịch vụ của WiMAX WiMAX hỗ trợ chất lượng dịch vụ QoS (Quality of Service) cho các dịch vụ được cung cấp, chủ yếu để hỗ trợ các dịch vụ thời gian thực. Mỗi loại dịch vụ có một tập các tham số QoS và kỹ thuật quản lý chất lượng dịch vụ cho phép đảm bảo chất lượng cho từng kết nối (connection). Đối với mạng Internet truyền thống thì dịch vụ phổ biến là Best Effort và không hỗ trợ QoS do đó không đáp ứng được các dịch vụ đòi hỏi độ trễ thấp, yêu cầu về thời gian thực. Để hỗ trợ các dịch vụ này cần phải xây dựng thêm các bộ giao thức mới cũng như cần nâng cấp mạng. Với kỹ thuật quản lý chất lượng dịch vụ QoS, WiMAX hỗ trợ được nhiều loại dịch vụ khác nhau và có khả năng đảm bảo chất lượng cho các ứng dụng trên từng loại dịch vụ. 7 Chương 1. Công nghệ WiMAX WiMAX hỗ trợ 4 loại hình dịch vụ là dịch vụ cấp phát không theo yêu cầu (Unsolicited Grant Service - UGS), dịch vụ kiểm tra vòng theo thời gian thực (RealTime Polling Service - rtPS), dịch vụ kiểm tra vòng không theo thời gian thực (Non-Real-Time Polling Service - nrtPS), dịch vụ cố gắng tối đa (Best Effort - BE). 1.3.1 Các tham số QoS cho luồng dịch vụ  Tốc độ lưu lượng dự trự tối thiểu Là giới hạn dưới của tốc độ truyền dữ liệu. Tốc độ dữ liệu được đảm bảo luôn lớn hơn giới hạn dưới này.  Tốc độ lưu lượng cho phép tối đa Là giới hạn trên cho phép của tốc độ truyền dữ liệu. Tốc độ dữ liệu không được lớn hơn giới hạn trên này.  Độ trễ tối đa Là độ trễ toàn trình trong quá trình truyền dẫn. Tham số này được yêu cầu đối với các dịch vụ có hỗ trợ thời gian thực. Độ trễ tối đa không được phép vượt quá mức ngưỡng cho trước để đảm bảo chất lượng dịch vụ.  Độ trễ pha ”Jitter” Là độ trễ của từng gói khi đến đích khiến cho dữ liệu bị đứt quãng (không liên tục). Tham số này được yêu cầu với dịch vụ cấp phát không theo yêu cầu (Unsolicited Grant Service) dùng cho ứng dụng thoại VoIP hoặc T1/E1 vì nếu Jitter lớn chất lượng đàm thoại sẽ bị giảm nghiêm trọng.  Mức ưu tiên của tải lưu lượng Xác định tải lưu lượng nào được ưu tiên phục vụ trước. Tham số này được sử dụng cho dịch vụ phi thời gian thực (none-realtime Polling Service) và dịch vụ cố gắng tối đa (Best Effort) trong đó băng thông được yêu cầu trên cơ sở tranh chấp.  Cách thức yêu cầu / truyền dẫn Chỉ ra cách thức đưa các bản tin yêu cầu (request) và cách thức truyền dẫn dữ liệu. Tham số này có mặt ở tất cả các loại dịch vụ. 1.3.2 Dịch vụ cấp phát không theo yêu cầu (UGS) Đối với dịch vụ cấp phát không theo yêu cầu, tài nguyên vô tuyến được cấp phát bởi trạm gốc BS theo một khoảng thời gian định kỳ, băng thông cố đinh & di 8 Chương 1. Công nghệ WiMAX trú đồng thời loại bỏ yêu cầu băng thông từ trạm thuê bao SS (các trạm thuê bao SS sử dụng dịch vụ cấp phát không theo yêu cầu sẽ không được trạm gốc BS kiểm tra yêu cầu băng thông). UGS được thiết kế để hỗ trợ cho các ứng dụng yêu cầu thời gian thực, gói có kích thước cố đinh & di trú, phát định kỳ. Chủ yếu là các ứng dụng cho thoại như T1/E1 và VoIP (Voice over IP). Các tham số QoS cho luồng dịch vụ này là tốc độ lưu lượng cho phép tối đa, độ trễ tối đa, độ trễ pha (Jitter), cách thức yêu cầu / truyền dẫn. Băng thông được cấp phát phụ thuộc tham số tốc độ lưu lượng cho phép tối đa và được đảm bảo luôn cố đinh & di trú. Độ trễ tối đa, độ trễ pha (Jitter) là hai tham số quan trọng có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng thoại, hai tham số này chỉ ra mức giới hạn cho phép của độ trễ toàn trình và Jitter. 1.3.3 Dịch vụ kiểm tra vòng theo thời gian thực (rtPS) Đối với dịch vụ kiểm tra vòng theo thời gian thực, băng thông được cung cấp dựa trên sự cấp phát các cơ hội yêu cầu băng thông từ trạm gốc BS và kiểm tra vòng các yêu cầu băng thông từ các trạm thuê bao SS. Trạm BS phát định kỳ các bản tin đơn điểm unicast cấp phát cơ hội yêu cầu đến từng trạm thuê bao SS, các trạm thuê bao sẽ sử dụng các bản tin unicast cấp phát cơ hội yêu cầu để yêu cầu được cấp phát băng thông đường lên. Trạm gốc BS sẽ kiểm tra lần lượt từng trạm thuê bao xem trạm thuê bao nào có yêu cầu băng thông đường lên. Các trạm thuê bao không được phép yêu cầu băng thông trên cơ sở tranh chấp (không được tranh chấp băng thông đường lên). Điều đó đảm bảo băng thông cho các trạm thuê bao là ổn định, tránh xung đột, cho phép hỗ trợ các ứng dụng thời gian thực. Dịch vụ kiểm tra vòng theo thời gian thực rtPS được thiết kế để hỗ trợ các ứng dụng yêu cầu thời gian thực, gói có độ dài thay đổi, phát định kỳ như MPEG video. Nói chung là cho các ứng dụng video trực tuyến như xem phim trực tuyến, hội nghị từ xa, truyền hình ... Các tham số QoS cho luồng dịch vụ này là tốc độ lưu lượng dự trữ tối thiểu, tốc độ lưu lượng cho phép tối đa, độ trễ tối đa, cách thức yêu cầu / truyền dẫn. Trong đó tốc độ dữ liệu luôn được đảm bảo ở mức lớn hơn tốc độ lưu lượng dự trữ tối thiểu và độ trễ nhỏ hơn độ trễ tối đa để hỗ trợ tốt các ứng dụng thời gian thực. 9 Chương 1. Công nghệ WiMAX 1.3.4 Dịch vụ kiểm tra vòng không theo thời gian thực (nrtPS) Đối với dịch vụ kiểm tra vòng không theo thời gian thực, băng thông được cung cấp dựa trên sự cấp phát các cơ hội yêu cầu băng thông từ trạm gốc BS và kiểm tra vòng các yêu cầu băng thông từ các trạm thuê bao SS. Trạm BS phát các bản tin đơn điểm unicast cấp phát cơ hội yêu cầu một cách bình thường, không nhất thiết theo chu kỳ (định kỳ). Khi đó các trạm SS có thể sử dụng các bản tin unicast cấp phát cơ hội yêu cầu băng thông hoặc trên cơ sở tranh chấp để được cấp phát băng thông đường lên. Điều đó có nghĩa là băng thông sẽ được đảm bảo ở mức tốt nhất có thể và vẫn có tranh chấp trong yêu cầu băng thông đường lên do đó sẽ có trễ đáng kể. Dịch vụ kiểm tra vòng không theo thời gian thực nrtPS được thiết kế để hỗ trợ các ứng dụng chấp nhận độ trễ (không yêu cầu thời gian thực), có độ dài gói thay đổi và có yêu cầu về tốc độ dữ liệu tối thiểu như FTP (giao thức truyền file). Các tham số QoS cho luồng dịch vụ này là tốc độ lưu lượng dự trữ tối thiểu, tốc độ lưu lượng cho phép tối đa, mức ưu tiên của tải lưu lượng, cách thức yêu cầu / truyền dẫn. Dịch vụ này vẫn đảm bảo tốc độ dữ liệu tối thiểu nhưng không đảm bảo về trễ như dịch vụ kiểm tra vòng theo thời gian thực (rtPS). Tuy nhiên thay vào đó có thêm tham số mức ưu tiên của tải lưu lượng cho phép phục vụ trước tải lưu lượng có mức ưu tiên lớn hơn. 1.3.5 Dịch vụ cố gắng tối đa (Best Effort - BE) Dịch vụ cố gắng tối đa là dịch vụ phổ biến nhất trên mạng Internet, cung cấp khả năng đáp ứng cho lưu lượng best effort. Lưu lượng best effort dựa trên nguyên tắc gói thông tin đến trước được phục vụ trước, các luồng best effort sẽ phải tranh chấp băng thông chia sẻ mà không có sự đảm bảo về băng thông tối thiểu. Các trạm thuê bao SS đưa yêu cầu băng thông trên cơ sở tranh chấp hoặc cũng có thể sử dụng các bản tin đơn điểm unicast cung cấp cơ hội yêu cầu băng thông từ trạm gốc BS.Dịch vụ BE được thiết kế để hỗ trợ các ứng dụng mà không yêu cầu mức chất lượng dịch vụ tối thiểu. Dùng cho các ứng dụng phổ biến trên mạng Internet như HTTP, SMTP, Web. Các tham số QoS cho luồng dịch vụ này là tốc độ lưu lượng cho phép tối đa, mức ưu tiên của tải lưu lượng, cách thức yêu cầu / truyền dẫn. Dịch vụ cố gắng tối đa không có sự đảm bảo về tốc độ lưu lượng tối thiểu tuy nhiên vẫn được hỗ trợ mức ưu tiên của tải lưu lượng. 10 Chương 1. Công nghệ WiMAX 1.4 Chuẩn WiMAX 1.4.1 Hệ thống chuẩn IEEE 802.16 Chuẩn WiMAX dựa trên bộ chuẩn 802.16 của IEEE kết hợp với chuẩn HiperMAN của ETSI (chuẩn cho mạng MAN không dây của Châu Âu). Về cơ bản mô hình 256-OFDM PHY trong chuẩn IEEE 802.16 so với chuẩn ETSI HiperMAN là giống nhau về lớp vật lý và lớp MAC. Mô hình 256-OFDM PHY trong chuẩn IEEE 802.16 đã được lựa chọn cho WiMAX. Hệ thống chuẩn IEEE 802.16 được xây dựng cho các mạng truy nhập vô tuyến băng thông rộng BWA (Broadband Wireless Access). Bao gồm các chuẩn IEEE 802.16–2001 (chuẩn cơ bản), 802.16a, 802.16b, 802.16c, 802.16d, 802.16e. Hình 1.4 Bộ tiêu chuẩn IEEE802.16  Chuẩn IEEE 802.16–2001 là bộ chuẩn cơ bản, mô tả sự chuẩn hóa các lớp PHY và MAC cho truy nhập vô tuyến băng rộng. - Sử dụng kỹ thuật điều chế dơn sóng mang SC (Single Carrier) trong dải tần 1066 GHz - Đường truyền trong tầm nhìn thẳng LOS 11 Chương 1. Công nghệ WiMAX - Hỗ trợ song công phân chia theo thời gian TDD (Time Division Duplex) và song công phân chia theo tần số FDD (Frequecy Division Duplex) - Cấu hinh mạng điểm-điểm hoặc điểm-đa điểm - Hỗ trợ truy nhập không dây cố đinh & di trú - Hỗ trợ QoS (Quality of Service) để đảm bảo chất lượng dịch vụ - Sử dụng kỹ thuật điều chế thích ứng - Kiến trúc bảo mật được xây dựng trong lớp con MAC-PS  Chuẩn IEEE 802.16a được sửa đổi, bổ sung từ chuẩn 802.16-2001 để hỗ trợ đường truyền không trong tầm nhìn thẳng NLOS. - Bổ sung kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM và đa truy nhập OFDMA - Mở rộng thêm dải tần 2-11 Ghz - Hỗ trợ đường truyền không trong tầm nhìn thẳng NLOS - Hỗ trợ thêm cấu hình mạng mắt lưới MESH - Kỹ thuật anten thông minh và điều khiển công suất tiên tiến  Chuẩn IEEE 802.16b được sửa đổi, bổ sung từ chuẩn 802.16-2001 - Bổ sung lớp vật lý vô tuyến HUMAN-OFDM256 - Dải tần công tác 5-6GHz - Cung cấp QoS hỗ trợ các dịch vụ thời gian thực (voice và video)  Chuẩn IEEE 802.16c mô tả chi tiết hệ thống trong dải tần 10-66 GHz  Chuẩn IEEE 802.16d (802.16-2004) kết hợp các chuẩn 802.16-2001, 802.16a, 802.16b và 802.16c, cải thiện các chuẩn cơ bản và mô tả chi tiết cho hệ thống truy nhập băng thông rộng không dây cố đinh & di trú. Chuẩn 802.16d được sử dụng cho chuẩn WiMAX cố đinh.  Chuẩn IEEE 802.16e (802.16-2005) bổ sung tính di động cho các chuẩn hiện tại, sử dụng kỹ thuật OFDM theo tỉ lệ S-OFDM (Scalabe-OFDM) thay OFDM, hỗ trợ chuyển giao ở tốc độ di chuyển cao. Chuẩn 802.16e được sử dụng cho chuẩn WiMAX di động. 12 Chương 1. Công nghệ WiMAX 1.4.2 Chuẩn WiMAX cố đinh (IEEE 802.16d) Chuẩn WiMAX cố đinh dựa trên chuẩn IEEE 802.16d được chứng nhận vào tháng 6-2004. Các đặc điểm cơ bản của WiMAX cố đinh: - Kỹ thuật đa truy nhập OFDM-TDMA hoặc sử dụng kỹ thuật đa truy nhập OFDMA, lớp vật lý vô tuyến MAN-OFDM - Dải tần dưới 11GHz. Các băng tần đang được xem xét cho WiMAX cố đinh: băng tần cấp phép 5,8GHz và không cấp phép 2,5GHz, 3,5GHz. - Đường truyền không trong tầm nhìn thẳng NLOS - Kỹ thuật song công TDD và FDD - Hỗ trợ truy nhập không dây cố đinh và nomadic (thiết bị đầu cuối như laptop, PDA có thể di chuyển vị trí nhưng cố đinh khi kết nối). - Độ rộng băng tần có thể lựa chọn từ 1,25 đến 20 MHz - Tốc độ dữ liệu tối đa 75Mb/s với độ rộng băng tần 20 MHz - Kỹ thuật điều chế thích ứng từ BPSK/QPSK đến 64QAM - Kỹ thuật điều chế đa sóng mang FFT 256-OFDM (256 sóng mang phụ) - Cấu hình mạng điểm-đa điểm PMP và mạng mắt lưới MESH - Hỗ trợ QoS 1.4.3 Chuẩn WiMAX di động (IEEE 802.16e) Chuẩn WiMAX di động dựa trên chuẩn IEEE 802.16e được chứng nhận vào tháng 12-2005. Chuẩn WiMAX di động có thay đổi và bổ sung so với chuẩn cố đinh để hỗ trợ tính di động và chuyển giao. Các đặc điểm cơ bản của WiMAX di động: - Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao theo tỉ lệ S-OFDMA, lớp vật lý vô tuyến MAN-OFDMA - Dải tần dưới 11GHz. Các băng tần đang được xem xét cho WiMAX di động: băng tần không cấp phép 2,5GHz, 3,5GHz. - Đường truyền không trong tầm nhìn thẳng NLOS - Kỹ thuật song công TDD và FDD - Hỗ trợ truy nhập di động, chuyển giao ở tốc độ di chuyển cao 13 Chương 1. Công nghệ WiMAX - Độ rộng băng tần có thể lựa chọn từ 1,25 đến 20 MHz - Tốc độ dữ liệu tối đa 15Mb/s với độ rộng băng tần 5 MHz (khi di chuyển) và tối đa 75Mb/s với độ rộng băng tần 20 MHz (khi đứng yên) - Kỹ thuật điều chế thích ứng từ BPSK/QPSK đến 64QAM - Kỹ thuật điều chế đa sóng mang theo tỉ lệ FFT S-OFDMA - Cấu hình mạng điểm-đa điểm PMP - Hỗ trợ QoS 1.4.4 Kiến trúc giao thức WiMAX Hình 1.5 Mô hình kiến trúc giao thức WiMAX 14 Chương 1. Công nghệ WiMAX Mô hình kiến trúc giao thức WiMAX mô tả cho lớp vật lý PHY và lớp lớp điều khiển truy nhập môi trường MAC (Media Access Control ). Trong đó lớp MAC được chia thành 3 lớp con bao gồm lớp con bảo mật (Privacy Sublayer – PS), lớp con phần chung điều khiển truy nhập môi trường (MAC Common Part Sublayer – MAC CPS), lớp con hội tụ dịch vụ đặc trưng (Service Specific Convergence Sublayer – CS). a. Lớp PHY  Lớp vật lý vô tuyến MAN-OFDM - Sử dụng công nghệ OFDM thiết kế cho đường truyền không trong tầm nhìn thẳng NLOS trong dải tần dưới 11GHz. - Kỹ thuật điều chế thích ứng - Sử dụng hệ thống anten định hướng - Kỹ thuật kênh con hóa - Kỹ thuật song công TDD và FDD  WiMAX di động sử dụng công nghệ S-OFDMA nhằm mục đích: - Bổ sung khả năng di động - Cho phép chuyển giao ở tốc độ di chuyển cao  Kỹ thuật ở lớp vật lý - Kỹ thuật đồng bộ - Kỹ thuật điều khiển công suất - Kỹ thuật lựa chọn tần số động b. Lớp MAC  Lớp MAC được chia thành 3 lớp con  Lớp con hội tụ dịch vụ đặc trưng MAC-CS - Chức năng của lớp con hội tụ CS: + Nhận dữ liệu từ các lớp cao hơn + Phân loại dữ liệu ra các tế bào ATM (ATM cell) hoặc gói dữ liệu (packet) + Chuyển các khung đến lớp con phần chung CPS 15