Tài liệu Nghiên cứu tiêu chuẩn 802.16e và ứng dụng triển khai trên mạng nội hạt

Nghiên cứu tiêu chuẩn 802.16e và ứng dụng triển khai trên mạng nội hạt LỜI MỞ ĐẦU Trong bối cảnh sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ truyền thông vô tuyến băng rộng qua khoảng cách xa, nhiều công nghệ nổi lên như để chứng tỏ tiềm năng và tính khả thi của mình như công nghệ DSL, ADSL, WiFi. Nhưng cho tới nay tất cả những công nghệ này tuy hiện nay rất phổ biến nhưng dường như vẫn không đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao của người dùng về mặt tốc độ, khả năng phủ sóng… WiMAX nói chung và đặc biệt là WiMAX di động nói riêng với những đặc tính vượt trội đã chứng tỏ mình là một giải pháp tích cực có thể giải quyết các vấn đề đa truy nhập về mặt chi phí lắp đặt, khoảng cách phủ sóng, tốc độ đường truyền, đồng thời thu hút được sự tham gia hợp tác của các tập đoàn điện tử lớn trong việc sản xuất thúc đẩy sự hoàn thiện của công nghệ mới này. Đề tài khóa luận tốt nghiệp với tiêu đề: “Nghiên cứu tiêu chuẩn 802.16e và ứng dụng triển khai trên mạng nội hạt” được thực hiện nhằm mục đích tìm hiểu tổng quan về công nghệ WiMAX di động đồng thời nghiên cứu tình hình triển khai của công nghệ mới này trong điều kiện thực tế ở Việt Nam để trả lời các câu hỏi như: “Tại sao công nghệ mới này lại hấp dẫn các nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến băng rộng cũng như các khách hàng như vậy?” và “Quá trình triển khai trên thực tế được thực hiện như thế nào, kết quả thu được là gì?”. Đồng thời, việc nghiên cứu tìm hiểu về WiMAX di động trong tình hình mạng viễn thông Việt Nam hiện nay là điều cần thiết không chỉ đối với thị trường nói chung cũng như các các nhà quản lý mà quan trọng hơn sẽ giúp trang bị cho sinh viên khoa điện tử - viễn thông của trường Đại học Công Nghệ những nền tảng kiến thức thực tế cơ bản về việc ứng dụng và phát triển công nghệ mới này. Trên cơ sở những thông tin có sẵn từ các tài liệu trong và ngoài nước, phần nội dung của bài viết được thực hiện thông qua đọc và phân tích đồng thời nêu lên quan điểm của bản thân về những vấn đề cần nghiên cứu. Nội dung bài khóa luận bao gồm 2 phần chính:  Chương 1: Tổng quan về chuẩn 802.16e và WiMAX di động.  Chương 2: Các đặc tính kỹ thuật của WiMAX di động.  Chương 3: Ứng dụng triển khai WiMAX di động trên mạng nội hạt tại Việt Nam -1- Nghiên cứu tiêu chuẩn 802.16e và ứng dụng triển khai trên mạng nội hạt MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU............................................................................................................1 MỤC LỤC.................................................................................................................. 2-4 DANH MỤC HÌNH VẼ.............................................................................................5-6 DANH MỤC BẢNG...................................................................................................7 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT.........................................................................................8-11 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHUẨN 802.16e VÀ WiMAX DI ĐỘNG.........12 1.1 Giới thiệu chung về WiMAX di động ...................................................................12 1.2 Mô hình hệ thống ..................................................................................................14 1.3 Kiến trúc mạng WiMAX di động..........................................................................15 1.4 Kỹ thuật truyền thông số .......................................................................................16 1.4.1 Mô tả lớp vật lý..........................................................................................16 1.4.1.1 Các khái niêm cơ bản về OFDM........................................................16 1.4.1.2 Cấu trúc ký hiệu OFDMA và kênh con hóa.......................................19 1.4.1.3 SOFDMA theo tỷ lệ (S-OFDMA)......................................................22 1.4.1.4 So sánh OFDM và OFDMA...............................................................23 CHƯƠNG 2: CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA WIMAX DI ĐỘNG...............26 2.1 Cấu trúc khung TDD.............................................................................................26 2.2 Các đặc điểm lớp PHY cải tiến khác.....................................................................28 2.3 Mô tả lớp MAC (Media Access Control) ..............................................................30 2.3.1 Dịch vụ lập lịch MAC................................................................................32 2.3.2 Hỗ trợ QoS ................................................................................................33 2.3.3 Quản lý nguồn............................................................................................35 2.3.4 Quản lý di động..........................................................................................36 2.3.5 Bảo mật .....................................................................................................37 -2- Nghiên cứu tiêu chuẩn 802.16e và ứng dụng triển khai trên mạng nội hạt 2.3.6 Truy nhập kênh truyền................................................................................38 2.4 Các đặc điểm cải tiến của WiMAX di động...........................................................39 2.4.1 Công nghệ anten thông minh.....................................................................39 2.4.1.1 MIMO ............................................................................................39 2.4.1.2 Công nghệ anten thông minh ..................................................................40 2.4.2 Sử dụng lại tần số phân đoạn .....................................................................42 2.4.3 Dịch vụ Multicast và Broadcast (MBS).....................................................44 2.5 Các vấn đề về phổ của WIMAX di động...............................................................45 2.6 Kiến trúc WiMAX end-end...................................................................................46 2.6.1 Hỗ trợ các dịch vụ và ứng dụng.................................................................48 2.6.2 Liên mạng và chuyển vùng .......................................................................48 2.6.3 Bảo mật......................................................................................................51 2.6.4 Tính di động và chuyển giao......................................................................52 2.6.5 Khả năng mở rộng, vùng bao phủ và lựa chọn nhà khai thác.....................53 2.6.6 Khả năng liên hoạt động của đa nhà sản xuất.............................................54 2.6.7 Chất lượng dịch vụ ....................................................................................54 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG TRIỂN KHAI WiMAX DI ĐỘNG TRÊN MẠNG NỘI HẠT TẠI VIỆT NAM ..............................................................................................55 3.1 Tổng quan.............................................................................................................. 55 3.2 Triển khai WIMAX di động của công ty Viễn Thông Hà Nội (HNPT) ................56 3.2.1 Mục tiêu triển khai.....................................................................................56 3.2.1.1 Yêu cầu về dịch vụ cho hệ thống truy nhập vô tuyến băng rộng........56 3.2.1.2 Đối tượng khách hàng của hệ thống truy nhập vô tuyến băng rộng. . .56 3.2.2 Qui mô triển khai WIMAX di động tại Hà Nội .........................................56 3.2.3 Phối hợp thử nghiệm triển khai Wimax giữa Motorola và HNPT..............57 -3- Nghiên cứu tiêu chuẩn 802.16e và ứng dụng triển khai trên mạng nội hạt 3.2.3.1 Mục đích của cuộc Phối hợp Thử nghiệm Công nghệ (PTC).............59 3.2.3.2 Nội dung công việc triển khai............................................................69 3.2.3.3 Sơ đồ chung về mạng của ULAP WiMAX .......................................70 3.2.3.4 Các thành phần hệ thống và thiết bị kiểm tra được yêu cầu...............71 3.2.3.4.1 Phần mềm ...................................................................................72 3.2.4 Cấu hình thử nghiệm .................................................................................73 3.2.4.1 Các mô hình thử nghiệm ...................................................................74 3.2.4.1.1 Dịch vụ dữ liệu ...................................................................74 3.2.4.1.2 Dịch vụ thoại trên nền IP ...................................................75 3.2.4.1.3 Dịch vụ game tương tác .....................................................77 3.2.4.1.4 Dịch vụ mạng riêng ảo .......................................................78 3.2.4.1.5 Dịch vụ cấp phát địa chỉ IP-DHCP ....................................79 3.2.4.1.6 Thử nghiệm VOIP với VOIP Server và Voice Gateway .... 80 3.2.5 Kết quả thử nghiệm triển khai Wimax di động ..........................................82 KẾT LUẬN CHUNG.................................................................................................83 TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................84 -4- Nghiên cứu tiêu chuẩn 802.16e và ứng dụng triển khai trên mạng nội hạt DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Profile hệ thống WiMAX di động Hình 1.2: Lộ trình phát triển công nghệ WiMAX Hình 1.3: Mô hình hệ thống WiMAX Hình 1.4: Kiến trục mạng WiMAX di động Hình 1.5: Phân chia luồng số liệu trong OFDM Hình 1.6: Mặt cắt của Cyclic Prefix Hình 1.7: Mật độ phổ năng lượng của tin hiệu điều chế OFDM Hình 1.8: Miền tần số OFDM Hình 1.9: Mô hình kênh con hóa OFDM Hình 1.10: Cấu trúc sóng mang con OFDMA Hình 1.11: Sự phân bổ pilot và dữ liệu trong các ký hiệu chẵn lẻ Hình 1.12: Cấu trúc tile của UL PUSC Hình 1.13: So sánh OFDM và OFDMA Hình 1.14: Tương quan so sánh giữa OFDM và SOFDMA Hình 1.15: Tuyến lên trong OFDM và OFDMA Hình 2.1: Cấu trúc khung WiMAX OFDMA Hình 2.2: Mô hình điều chế trong 802.16e Hình 2.3: Phân lớp MAC và các chức năng Hình 2.4: Qos hỗ trợ WiMAX di động Hình 2.5: Các bước kết nối với trạm BS Hình 2.6 : Kỹ thuật MIMO Hình 2.7: Chuyển mạch thích ứng cho anten thông minh Hình 2.8 Cấu trúc khung đa miền Hình 2.9: Sử dụng lại tần số -5- Nghiên cứu tiêu chuẩn 802.16e và ứng dụng triển khai trên mạng nội hạt Hình 2.10: Hỗ trợ MBS nhúng với những vùng WiMAX-MBS di động Hình 2.11: Mô hình tham chiếu mạng WIMAX Hình 2.12: Cấu trúc mạng WiMAX trên nền IP Hình 3.1: Sơ đồ các khu vực triển khai WiMAX di động Hình 3.2: Cấu hình sản phẩm Ultra Light Hình 3.3: Cấu hình sản phẩm ULAP Hình 3.4: Framework quản lý các phần tử ULAP Hình 3.5: Cấu hình cell điển hình (4 sector) Hình 3.6: Module thuê bao ngoài trời Hình 3.7: Cấu hình đa sector của ULAP Hình 3.8: Cấu hình mạng chung ULAP Hình 3.9: Cấu hình mạng Hình 3.10: Cấu hình thử nghiệm WiMAX di động của HNPT Hình 3.11: Thử nghiệm dịch vụ truyền file FTP Hình 3.12: Thử nghiệm dịch vụ duyệt Web intranet Hình 3.13: Thử nghiệm dịch vụ duyệt Web internet Hình 3.14: Thử nghiệm dịch vụ VOIP PC-to-PC Hình 3.15: Thử nghiệm dịch vụ Game trực tuyến Hình 3.16: Thử nghiệm dịch vụ mạng riêng ảo VPN Hình 3.17: SM built-in DHCP Server Hình 3.18: External DHCP Server Hình 3.19: Thử nghiệm VOIP với VOIP server (HNPT) và Voice Gateway (HNPT) -6- Nghiên cứu tiêu chuẩn 802.16e và ứng dụng triển khai trên mạng nội hạt DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Các tham số tỉ lệ OFDMA Bảng 2.1: Các kỹ thuật mã hóa và điều chế được hỗ trợ Bảng 2.2: Tốc độ dữ liệu PHY với các kênh con PUSC trong WiMAX di động Bảng 2.3: Các dịch vụ trong QoS Bảng 2.4: Các tùy chọn của Anten cao cấp Bảng 2.5: Các tốc độ dữ liệu cho các cấu hình SIMO/MIMO Bảng 3.1: Tổng hợp những đặc tính kỹ thuật chính của ULAP Bảng3.2: Đặc tính kỹ thuật vô tuyến của ULAP Bảng 3.4: Đặc tính kỹ thuật anten của ULAP Bảng 3.5: Các thông số kỹ thuật Module và Anten thuê bao Bảng 3.6: Các thông số kỹ thuật Module và Anten thuê bao (tiếp...) -7- Nghiên cứu tiêu chuẩn 802.16e và ứng dụng triển khai trên mạng nội hạt CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT AAA Authentication, Account authorization and ADSL Asymmetric Digital Subcriber Line Đường dây thuê bao bất đối xứng AES-CCM AES-CCM-based authenticated. encryption Thuật toán bảo mật mã hoã nhật thực AMC Adaptive Modulation and Coding Điều chế và mã hóa thích ứng ARPU Average Revenue Per User Chỉ số doanh thu bình quân của một thuê bao/tháng ASN gateway Access Service Network Mạng dịch vụ truy nhập BS Base Station Trạm gốc CCMP Cipher Block Chaining Message Authentication Code Protocol Giao thức CCMP CPS Common Part Sublayer Lớp con phần chung CQI Channel quality indicator Chỉ thị chất lượng kênh CQI Channel quality indicator Một kênh chỉ thị chất lượng kênh CS Convergence Sublayer Lớp con hội tụ CSN Core Service Network Mạng dịch vụ lõi DHCP Dynamic Host Configuration Protocol Giao thức cấu hình Host động DL Downlink Đường xuống DL FUSC Fully Used Sub-Carrier Sóng mang con sử dụng hoàn -8- Nhận thực, cấp phép và lập tài khoản Nghiên cứu tiêu chuẩn 802.16e và ứng dụng triển khai trên mạng nội hạt toàn DL PUSC Partially Used Sub-Carrier Sóng mang con sử dụng một phần DOCSIS Data Over Cable Service Interface Specification Dịch vụ truyền data bằng đường cáp DSL Digital Subcriber Line Kênh thuê bao số EAP Extensible Authentication Protocol Giao thức xác thực có thể mở rộng EAP Extensible Authentication Protocol Giao thức xác thực mở rộng FBSS Fast Base Station Switching Chuyển mạch trạm gốc nhanh FCH Frame Control Header Tiêu đề điều khiển khung FDMA Frequence Division Mutiplexing Access Đa truy nhập phân chia theo tần số HARQ Hybrid Automatic Retransmission Request Yêu cầu truyền lại tự động kết nối HHO Hard Handoff Handoff cứng HMAC Hashed Message Authentication Code Khóa mã nhận thực bản tin băm IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers Viện các kỹ sư điện và điện tử LOS Line of sight Tầm nhìn thẳng MAI Multi Access Interfearence Nhiễu đa truy xuất MDHO Macro Diversity Handover Handover chuyển giao phân tập vĩ mô MIMO Multiple-input and multiple-output Kỹ thuật sử dụng nhiều ăng- -9- Nghiên cứu tiêu chuẩn 802.16e và ứng dụng triển khai trên mạng nội hạt ten phát và nhiều ăng-ten thu để truyền và nhận dữ liệu MS Mobile Station Trạm di động NAP Network Access Provider Nhà cung cấp truy nhập mạng NOSL None-light of sight Không theo tầm nhìn thẳng NRM Network Reference Model Mô hình tham chiếu mạng NSP Network Service Provider Nhà cung câp dịch vụ mạng OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao PKM Protocal of Key Management Phương thức quản lý khóa QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ QPSK Quadratura Phase Shift Keying Khóa chuyển pha cầu phương RTG Receive Transition Gap Khoảng trống chuyển giao đầu thu RUIM Removable User Identity Module Mô đun xác nhận người sử dụng có thể di chuyển được SAP Service Access Point Điểm truy nhập dịch vụ SDU Service Data Unit Đơn vị dữ liệu dịch vụ SFN Single Frequency Network Mạng một tần số SIM Subscriber Identity Module Mô dun xác nhận thuê bao SNMP Simple Network management Giao thức quản lí mạng Protocol đơn giản - 10 - Nghiên cứu tiêu chuẩn 802.16e và ứng dụng triển khai trên mạng nội hạt SOFDMA Scalable Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao theo tỉ lệ SSCS Specify Services Convergence Sublayer Lớp con hội tụ các dịch vụ riêng TDMA Time Division Multiplexing Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian TTG Transmit Transition Gap Khoảng trống chuyển giao đầu phát UL Uplink Đường lên ULAP Ultra Light Access Point Điểm truy cập WAC Wireless Access Controlle Điều khiển truy cập không dây WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access Khả năng tương tác toàn cầu với truy nhập vi ba CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHUẨN 802.16E VÀ WiMAX DI ĐỘNG 1.1 Giới thiệu chung về WiMAX di động WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access - Khả năng tương tác toàn cầu với truy nhập vi ba) là một công nghệ ra đời dựa trên các chuẩn 802.11 và 802.16 của IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers – Viện các kỹ sư điện và điện tử) cho phép truy cập vô tuyến đầu cuối như một phương thức thay thế cho cáp, DSL, ADSL hoặc hệ thống cáp quang tốn kém. Hệ thống WiMAX, theo như WiMAX Forum, cho phép kết nối băng rộng vô tuyến cố định, nomandic - trong đó người sử dụng có thể di chuyển nhưng cố định trong lúc kết nối, mang xách được trong đó người sử dụng có thể di chuyển ở tốc độ đi bộ, di động với khả năng phủ sóng của một trạm anten phát lên đến 50 km dưới các điều kiện tầm nhìn thẳng (LOS – Line of sight) và bán kính cell lên tới 8km không theo tầm nhìn thẳng (NLOS – Non line of sight). - 11 - Nghiên cứu tiêu chuẩn 802.16e và ứng dụng triển khai trên mạng nội hạt Trong họ IEEE 802.16 nổi bật nhất là chuẩn 802.16e – 2005 với khả năng đáp ứng các ứng dụng cố định và đặc biệt là các dịch vụ di động, nên còn được gọi là WiMAX di động. Chuẩn này đánh dấu sự phát triển vượt bậc trong khả năng đáp ứng nhu cầu sử dụng ngày càng cao của người dùng. Với những thuộc tính vượt trội đặc biệt về tốc độ đường truyền số liệu lên tới 64Mbps downlink và 28Mbps uplink khả năng cung ứng di động tối đa lên tới 120km/h, và bán kính phủ lên tới 1/5/30km, WiMAX di động đang dần chứng tỏ mình là một công nghệ quan trọng trong lĩnh vực cung cấp giải pháp Internet băng rộng di động và là một đối thủ cạnh tranh đáng gờm đối với mạng thông tin di động 3G LTE trong việc cung ứng các dịch vụ tương tự như thoại VoIP, Internet di động hay TV di động. WiMAX di động sẽ là một giải pháp vô tuyến băng rộng cho phép hội tụ mạng băng rộng cố định và di động thông qua công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng trên diện rộng và kiến trúc mạng mềm dẻo. Giao diện vô tuyến WiMAX di động sử dụng phương thức đa truy nhập chia theo tần số trực giao (OFDMA) để cải thiện vấn đề đa đường trong môi trường NLOS. Phương thức OFDMA scalable (SOFDMA) được sử dụng trong bản bổ xung IEEE 802.16e để hỗ trợ băng tần kênh thay đổi từ 1.25 tới 20 Mhz. Hiện nay, một profile hệ thống WiMAX di động đang được phát triển nhằm xác định các đặc điểm bắt buộc và tuỳ chọn của chuẩn IEEE để xây dựng các giao diện vô tuyến tuân theo WiMAX di động. Profile hệ thống WiMAX di động này cho phép hệ thống di động được cấu hình dựa trên tập hợp các đặc điểm chung do đó đảm bảo các cho đầu cuối và trạm gốc có thể liên hoạt động. Một vài đặc điểm tuỳ chọn của profile trạm gốc được đưa ra nhằm tạo nên sự mềm dẻo trong việc triển khai các cấu hình khác nhau với điều kiện hoặc tối ưu về khả năng hoặc về vùng phủ. Profile WiMAX di động sẽ bao gồm độ rộng kênh 5, 6, 8.75 và 10 MHz trong băng tần số 2.3 GHz, 2.5 GHz và 3.5 GHz 002E - 12 - Nghiên cứu tiêu chuẩn 802.16e và ứng dụng triển khai trên mạng nội hạt Hình 1.1: Profile hệ thống WiMAX di động Hiện nay, một nhóm làm việc mạng của diễn đàn WiMAX đang phát triển các tiêu chuẩn kỹ thuật mạng “mức cao” cho hệ thống WiMAX di động mà trong chuẩn IEEE 802.16 mới chỉ giải quyết các vấn đề đơn giản của các phần giao diện vô tuyến. Nhóm này cũng đang nghiên cứu phiên bản khác là 802.16m với mục đích đẩy tốc độ dữ liệu của WiMAX lên hơn nữa trong khi vẫn tương thích với WiMAX cố định và di động đã và đang được triển khai. Phiên bản này theo dự kiến sẽ được hoàn thiện vào cuối năm 2009, như là một bước tiến để vượt trội hơn 3G LTE và xâm nhập sâu rộng hơn vào thị trường di động hiện nay. Phiên bản 802.16m sẽ vẫn dựa trên kỹ thuật ăng-ten MIMO trên nền công nghệ đa truy nhập OFDMA với số lượng ăngten phát và thu nhiều hơn WiMAX di động « Wave 2 ». 802.16m trang bị 4 ăng-ten phát và 4 ăng-ten thu sẽ có thể đẩy tốc độ truyền lên lớn hơn 350Mbps. Theo dự kiến,WiMAX Release 2 với sự hoàn thiện của 802.16m sẽ hoàn thành vào cuối năm 2009 và có thể bắt đầu triển khai dịch vụ từ 2010. Hình 1.2 dưới đây thể hiện lộ trình phát triển của công nghệ WiMAX đã, đang và sẽ xuất hiện . - 13 - Nghiên cứu tiêu chuẩn 802.16e và ứng dụng triển khai trên mạng nội hạt Hình 1.2: Lộ trình phát triển công nghệ WiMAX 1.2 Mô hình hệ thống Mô hình phủ sóng mạng WiMAX hay WiMAX di động tương tự như một mạng điện thoại di động với 2 phần: Trạm phát và Trạm thu.  Trạm phát: Giống như các trạm BTS trong mạng thông tin di động với công suất lớn, có thể phủ sóng khu vực rộng tới 8000 km2  Trạm thu: Có thể là các anten nhỏ như các loại card mạng tích hợp hoặc được gắn thêm trên mainboard của máy tính như card WLAN. Người dùng có thể truy cập WiMAX di động tại bất cứ địa điểm nào dù là cố định hay đang di động. Một điểm đáng chú ý đó là các trạm phát do được kết nối với mạng Internet thông qua các đường truyền Internet tốc độ cao hoặc các trạm trung chuyển theo đường truyền thẳng LOS nên khả năng phủ sóng của WiMAX là rất rộng. Các anten thu phát có thể trao đổi thông tin qua các đường truyền LOS hoặc NLOS. Đối với trường hợp truyền thẳng LOS, các anten được đặt cố định tại các điểm trên cao do vậy tín hiệu thu được trong trường hợp này rất ổn định và đạt tốc độ truyền tối đa. Tuy nhiên đối với trường hợp truyền NLOS, hệ thống sử dụng băng tần thấp hơn, 2 – 11 GHz tương tự như WLAN, tín hiệu có thể vượt các vật chắn thông qua đường phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ…để tới đích. - 14 - Nghiên cứu tiêu chuẩn 802.16e và ứng dụng triển khai trên mạng nội hạt Hình 1.3: Mô hình hệ thống WiMAX 1.3 Kiến trúc mạng WiMAX di động Hình 1.4: Kiến trúc mạng WiMAX di động - 15 - Nghiên cứu tiêu chuẩn 802.16e và ứng dụng triển khai trên mạng nội hạt Ta thấy để thiết lập một mạng WiMAX hay WiMAX di động ta cần có các trạm phát BS (giống BTS của mạng thông tin di động). Nhiều BS sẽ được kết nối, quản lý bởi một ASN (Access Service Network) gateway. ASN Gateway này là thực thể miêu tả trong WiMAX Forum, tuy nhiên trong các mạng triển khai thực tế thì người ta hay gọi là WAC (WiMAX hay Wireless Access Controller). Nhiều WAC tập hợp lại tạo thành một ASN. Nhiều ASN của cùng một operator tạo thành một NAP (Network Access Provider). Nhiều nhà cung cấp khác nhau sẽ có thể triển khai nhiều mạng truy nhập khác nhau, rồi chúng sẽ cùng kết nối với một hoặc nhiều CSN (Core Service Network). ASN định nghĩa một đường biên logic và biểu diễn theo một cách thuận lợi để mô tả tập hợp các thực thể chức năng và các luồng bản tin tương ứng kết hợp với các dịch vụ truy cập. ASN biểu diễn đường biên cho chức năng liên kết nối với các mạng WiMAX khách, các chức năng dịch vụ kết nối WiMAX và tập các chức năng của nhiều nhà cung cấp khác nhau. CSN được định nghĩa là một tập các chức năng mạng cung cấp các dịch vụ kết nối IP cho các thuê bao WiMAX. Một CSN có thể gồm các phần tử mạng như router (bộ định tuyến), máy chủ/proxy nhận thực AAA, cơ sở dữ liệu người dùng và thiết bị cổng liên mạng. Một CSN có thể được triển khai như một phần của nhà cung cấp dịch vụ mạng WiMAX. 1.4 Kỹ thuật truyền thống số 1.4.1 Mô tả lớp vật lý 1.4.1.1 Các khái niêm cơ bản về OFDM Công nghệ WiMAX di động chọn phương pháp truy cập đa điểm dựa trên việc phân chia tần số trực giao (Orthogonal Frequency Division Multiple Access - OFDMA) để nâng cao hiệu suất truyền giữa các điểm trong môi trường không phát sóng trực tiếp. Tuy nhiên để hiểu rõ về OFDMA thì việc tìm hiểu những nét cơ bản về OFDM là rất cần thiết. OFDM là công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao-một kỹ thuật hấp dẫn sử dụng cho các hệ thống truyền thông số liệu tốc độ cao. Nó được phát triển từ 2 kĩ thuật quan trọng là ghép kênh phân chia theo tần số (FDM) và truyền thông đa sóng mang. OFDM là một kỹ thuật ghép kênh mà chia băng tần thành các tần số sóng mang nhỏ như được chỉ ra trong hình sau : - 16 - Nghiên cứu tiêu chuẩn 802.16e và ứng dụng triển khai trên mạng nội hạt Hình 1.5: Phân chia luồng số liệu trong OFDM Trong hệ thống OFDM, luồng số liệu đầu vào được chia ra thành các luồng con song song với tốc độ số liệu nhỏ hơn và như vậy tăng khoảng thời gian của ký hiệu và mỗi luồng nhỏ được điều chế và truyền trên một sóng mang trực giao. Hơn nữa, sự sử dụng tiền tố lặp-CP (cyclic frefix) có thể hoàn toàn loại trừ xuyên nhiễu giữa các ký hiệu (ISI) miễn là thời lượng CP lâu hơn trễ kênh lan truyền. CP là một sự lập lại của một đoạn cuối của khối số liệu và được gán tới đầu của đoạn tải số liệu như được chỉ ra trong hình: Hình 1.6: Mặt cắt của Cyclic Prefix Sử dụng CP để chống lại xuyên nhiễu giữa các ký hiệu và tạo cho kênh “xuất hiện” vòng tròn. Một trong những nhược điểm của CP là làm giảm hiệu quả của băng thông do sử dụng thêm ở phần tiêu đề. CP làm giảm hiệu quả sử dụng băng thông đi một ít. Do phổ OFDM có hình rất nhọn giống như “brick-wall”, do đó một phần lớn băng thông kênh được sử dụng cho truyền số liệu nên giúp giảm ảnh hưởng trong việc sử dụng tiền tố vòng tròn. - 17 - Nghiên cứu tiêu chuẩn 802.16e và ứng dụng triển khai trên mạng nội hạt Hình 1.7: Mật độ phổ năng lượng của tín hiệu điều chế OFDM OFDM có thể triển khai trên nhiều dải tần số khác nhau với đa kênh bằng cách sử dụng mã hoá và thông tin tại sóng mang nhỏ trước khi đưa vào truyền dẫn. Hình 1.8: Miền tần số OFDM Điều chế OFDM có thể hiện thực hoá một cách hiệu quả với chuyển đổi Fourier ngược nhanh. Điều này cho phép truyền một số lượng lớn các sóng mang nhỏ mà không phức tạp trong việc thực hiện. Trong một hệ thống OFDM, các tài nguyên trong miền thời gian chính là các ký hiệu OFDM và trong miền tần số là các sóng mang nhỏ. Nguồn tài nguyên “tần số” và “thời gian” có thể được tổ chức thành các kênh con dùng cho việc phân bổ tới từng người sử dụng riêng rẽ. Mỗi hình chữ nhật là một kênh con độc lập và cấp cho những người sử dụng khác nhau: - 18 - Nghiên cứu tiêu chuẩn 802.16e và ứng dụng triển khai trên mạng nội hạt Hình 1.9: Mô hình kênh con hóa OFDM 1.4.1.2 Cấu trúc ký hiệu OFDMA và kênh con hóa OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access) là một phương thức đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao, cung cấp hoạt động ghép kênh luồng số liệu cho đa người sử dụng vào các kênh con đường xuống và đa truy nhập đường đa đường lên bằng phương tiện kênh con đường lên. OFDMA là một công nghệ đa sóng mang phát triển trên nền kỹ thuật OFDM. Trong OFDMA, một số sóng mang con, không nhất thiết là phải nằm kề nhau được gộp lại thành một kênh con (sub-channel) và các user khi truy cập vào tài nguyên sẽ được cấp cho một hay nhiều kênh con để truyền nhận tùy theo yêu cầu lưu lượng cụ thể. OFDMA có một số ưu điểm như là tăng khả năng linh hoạt, thông lượng và tính ổn định được cải thiện. Việc ấn định các kênh con cho các thuê bao cụ thể, việc truyền nhận từ một số thuê bao có thể xảy ra đồng thời mà không cần sự can thiệp nào, do đó sẽ giảm những tác động như nhiễu đa truy xuất (Multi Access Interfearence-MAI). OFDMA cho phép nhiều người dùng truy nhập các sóng mang con cùng một lúc. Ở mỗi đơn vị thời gian, tất cả các người dùng có thể truy nhập. Việc ấn định các sóng mang con cho một người dùng có thể thay đổi ở mỗi đơn vị thời gian. Cấu trúc ký hiệu OFDMA bao gồm 3 kiểu sóng mang con như được chỉ ra trong hình sau:  Sóng mang con số liệu cho truyền dẫn số liệu - 19 - Nghiên cứu tiêu chuẩn 802.16e và ứng dụng triển khai trên mạng nội hạt  Sóng mang con dẫn đường cho mục đích ước lượng và đồng bộ hoá  Sóng mang con Null không để truyền dẫn truyền, được sử dụng cho phần băng thông an toàn và tải mang DC. Hình 1.10: Cấu trúc sóng mang con OFDMA Sóng mang con (số liệu và pilot), được nhóm thành từng nhóm sóng mang con được gọi là kênh con. WiMAX OFDMA lớp vật lý hỗ trợ kênh con hoá trong cả DL và UL. Khối nguồn tài nguyên thời gian-tần số tối ưu cho kênh con hoá là một khe, bằng 48 tone số liệu (sóng mang con). Có 2 kiểu hoán vị sóng mang con cho kênh con hoá: phân tán và kề nhau. Sự hoán vị phân tán dẫn đến các sóng mang con giả ngẫu nhiên để hình thành một kênh con. Sự hoán vị này mang đến tính đa dạng tần số và trung bình xuyên nhiễu giữa các cell. Sự hoán vị phân tán bao gồm DL FUSC (Sóng mang con sử dụng hoàn toàn), DL PUSC (Sóng mang con sử dụng một phần), UL PUSC và các hoán vị tuỳ chọn thêm. Với DL PUSC, mỗi cặp ký hiệu OFDM, các sóng mang con có thể sử dụng hoặc khả dụng được nhóm thành các cluster chứa 14 sóng mang liền kề trên một ký hiệu, với sự phân bổ pilot và số liệu trên mỗi nhóm trong các ký hiệu chẵn và lẽ như hình sau.. Hình 1.11: Sự phân bổ pilot và dữ liệu trong các ký hiệu chẵn lẻ - 20 -