lập lịch băng thông dựa trên kỹ thuật phản hồi kép trong wimax

LỜI MỞ ĐẦU
Khi thế giới bước vào kỷ nguyên của Internet, thiết bị di động và truyền tải thông tin
băng rộng thì có rất nhiều công nghệ mới được nghiên cứu, thử nghiệm và đi vào sử
dụng. Trong vài năm lại đây, sự bùng nổ WiMAX (Worldwide Interoperability for
Microwave Access) – tên thương mại của chuẩn 802.16 với nghĩa là khả năng tương tác
toàn cầu với viba – đã tạo ra sự quan tâm rất lớn đối với những người trong ngành và các
cơ quan chuyên môn.
Là một công nghệ vô tuyến tiên tiến, WiMAX có những đặc điểm vượt trội như là
khả năng truyền dẫn tốc độ cực cao, chất lượng dịch vụ tốt, an ninh đảm bảo, dễ dàng lắp
đặt…chính vì vậy sự phát triển nhanh chóng của WiMAX là một tất yếu.
WiMAX truyền tải tốc độ dữ liệu cao nhờ công nghệ không dây bằng sóng viba theo
họ chuẩn 802.16. Nó được xây dựng trên nền tảng ghép kênh phân chia theo tần số trực
giao OFDM và lớp MAC linh hoạt, mềm dẻo…
Trải qua các giai đoạn phát triển, họ 802.16 được đưa ra nhiều chuẩn công nghệ như
là 802.16a, 802.16b, 802.16c, 802.16d, 802.16e, 802.16g…tuy nhiên hiện nay các nhà
khai thác đang thử nghiêm và sử dụng chủ yếu là họ chuẩn 802.16e do đây là họ chuẩn
phù hợp với nhiều lĩnh vực kinh doanh trên thị trường như là thiêt bị di động, thiết bị
cầm tay, và cả thiết bị cố định…chuẩn tấn số WiMAX khá rộng và đa dạng, nhưng theo
khuyến khích thì tần số sử dụng cho WiMAX tốt nhất ở các dải tần như là: 2,3GHz, 2,4
GHz 2,5 GHz, 3,3 GHz, 3,5 GHz, 3,7 GHz, và 5,8 GHz. Đây là tần số áp dụng tốt nhất
cho chuẩn 802.16e.
Khóa luận được chia thành 5 chương. Chương 1 giới thiệu chung về WiMAX.
Chương 2 trình bày về chuẩn IEEE 802.16, tập trung vào các lớp giao thức trong chuẩn:
lớp PHYsical, lớp MAC. Chương 3 là phần trọng tâm trình bày về thuật toán yêu cầu-cấp
phát băng thông động dựa trên phản tiếp kép. Chương 4 là phần mô phỏng và chương 5 là
phần kết luận.
Khóa luận này nghiên cứu về một công nghệ truy cập mạng không dây còn rất mới
và do thời gian hạn hẹp nên không tránh khỏi những sai sót. Em rất mong nhận được
những ý kiến đóng góp xây dựng của Thầy, Cô và các bạn để có thể phát triển hướng
nghiên cứu của mình.
1

LỜI CẢM ƠN
Em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến các thầy giáo, cô giáo và các bạn đã giúp đỡ
em hoàn thành khóa luận tốt nghiệp. Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến
GS.TSKH Nguyễn Đình Thông, người trực tiếp hướng dẫn em làm khóa luận này !
Xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 19/5/2009
Sinh viên
Phan Thanh Tùng
2
MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU 1
LỜI CẢM ƠN 2
MỤC LỤC 3
HÌNH VẼ 5
CHƯƠNG 1
Giới thiệu chung về WiMAX 8
1.1. Tổng quan về WiMAX 8
1.2. Đặc điểm nổi bật của công nghệ WiMAX 9
1.3. Quá trình phát triển các chuẩn WiMAX 9
CHƯƠNG 2
Chuẩn IEEE 802.16 11
2.1. Lớp giao thức trong IEEE 802.16 [6] [7] 11
2.1.1Lớp PHYsical 13
2.1.1.1Cơ bản về OFDM 14
2.1.1.2Cơ bản về OFDMA 16
2.1.1.3Các hình thức kênh con (subchannelization) 18
2.1.1.4 Mã hóa và điều biến thích nghi (AMC) 21
2.1.2Đặc trưng lớp MAC của IEEE 802.16 21
2.1.2.1 Lớp con hội tụ dịch vụ đặc trưng(CS) 21
2.1.2.2 Lớp con phần chung ( MAC CPS) 24

2.1.2.3 Lớp con an ninh 31
2.1.3Cấu trúc của MAC frame TDD 32
2.1.3.1Frame con Downlink OFDM PHY 33
2.1.3.2Frame con Uplink OFDM PHY 34
2.2 Luồng dịch vụ và các lớp dịch vụ 35
2.2.1 Service Flow 35
2.2.2. Classes of service 36
2.3. Kiểu kiến trúc QoS và QoS Scheduling 37
2.3.1. Kiến trúc QoS 37
2.3.2. QoS Scheduling 38
2.3.2.1 UGS scheduling 39
2.3.2.2rtPS scheduling 39
2.3.2.3nrtPS scheduling 40
3
2.3.2.4BE scheduling 40
2.3.2.5 ErtPS scheduling 40
CHƯƠNG 3
Thuật toán yêu cầu-cấp phát băng thông động dựa trên phản tiếp kép 41
3.1. Giới thiệu 41
3.2. Kiến trúc QoS của IEEE 802.16 43
3.2.1. Cơ cấu lập lịch (Scheduling framework) 43
3.2.2 Kỹ thuật yêu cầu-cấp phát băng thông uplink 43
3.3 Thuật toán yêu cầu băng thông động [3] 45
3.3.1 Cơ sở thiết kế 45
3.3.1.1. Giới thiệu về mục tiêu trễ (target delay) 45
3.3.1.2 Phương pháp phản tiếp kép (dual feedback) 47
3.3.2. Thuật toán và các vấn đề thực thi 48
3.4. Phân tích thuật toán 50
3.4.1. Mô hình hệ thống 50
3.4.2. Ảnh hưởng của những tham số điều khiển 51

3.4.3.Phân tích tính ổn định 52
CHƯƠNG 4
Mô phỏng sử dụng Matlab 53
4.1 Thuật toán cải tiến 53
4.2 Mô phỏng 54
CHƯƠNG 5
Kết luận 59
4
HÌNH VẼ
Hình 2.1: Mô hình OSI bảy lớp cho các ứng dụng. Trong WiMAX/802.16 chỉ 2
lớp đầu tiên được định nghĩa 12
Hình 2.2: Các lớp giao thức của chuẩn BWA 802.16 13
Hình 2.3: So sánh sóng OFDM với các hình thức truyền thống 15
Hình 2.4: Chèn thêm tuần tố vòng (Cyclic Prefix) [8] 16
Hình 2.5: Khác nhau giữa OFDM và OFDMA [8] 17
Hình 2.6: Cấu trúc sóng mang con OFDMA [8] 19
Hình 2.7: Kênh con phân tập tần số DL 19
Hình 2.8: Cấu trúc tile cho UL PUSC 20
Hình 2.9: Bán kính cell 21
Hình 2.10: Phân loại và ánh xạ CID. Nguyên lý như nhau cho cả hai chiều: BS
đến SS và SS đến BS [7] 23
Hình 2.11: Cấu trúc khung TDD của WiMAX [6] 34
Hình 2.12: Kiến trúc QoS của IEEE 802.16 [5] 38
Hình 2.13: Việc lập thời biểu DL và UL của BS [5] 39
Hình 3.1: Một vài hàm để tính toán băng thông bổ sung yêu cầu phụ thuộc vào
chiều dài hàng đợi[3] 46
Hình 3.2: Đáp ứng xung của hệ thống với những giá trị khác nhau của tham
số điều khiển [3] 51
5
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

AMC Adaptive Modulation and Coding
BE Best Effort
BER Bit Error Ratio
BS Base Station
BPSK Binary Phase Shift Keying
CID Connection Identifier
DS-CDMA Direct-Sequence Code Division Multiple Access
ertPS Extended Real-Time Polling Service
FDD Frequency division duplexing
6
FFT Fast Fourier Tranform
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers
IFFT Inverse Fast Fourier Tranform
LDPC Low-density parity-check
LLC Logical Link Control
LOS Line of Sight
MAC Media Access Control
MIMO Multi input multi output
NLOS Non line of sight
nrtPS Non-Real-Time Polling Service
OFDM Orthogonal frequency-division multiplexing
OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access
OSI Open Systems Interconnection
PDA Personal Digital Assistant
PDU Protocol data unit
PMP Point-to-multipoint
QAM Quadrature Amplitude Modulation
QoS Quality of service
QPSK Quadrature Phase Shift Keying
rtPS Real-Time Polling Service

SNR Signal-to-Noise Ratio
SS Subscriber Station
TDD Time division duplexing
TDMA Time division multiple access
UGS Unsolicited Grant Service
7
WiFi Wireless Fidelity
WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access
WMAN Wireless Metropolitan Area Network
CHƯƠNG 1
Giới thiệu chung về WiMAX
1.1. Tổng quan về WiMAX
WiMAX là tên thương mại của chuẩn IEEE 802.16. Ban đầu chuẩn này được tổ
chức IEEE đưa ra nhằm giải quyết các vấn đề kết nối cuối cùng trong một mạng không
dây đô thị WMAN hoạt động trong tầm nhìn thẳng (Line of Sight) với khoảng cách từ 30
tới 50 km. Nó được thiết kế để thực hiện đường trục lưu lượng cho các nhà cung cấp dịch
vụ Internet không dây, kết nối các điểm nóng WiFi, các hộ gia đình và các doanh
nghiệp….đảm bảo QoS cho các dịch vụ thoại, video, hội nghị truyền hình thời gian thực
và các dịch vụ khác với tốc độ hỗ trợ lên tới 280 Mbit/s mỗi trạm gốc. Chuẩn IEEE
802.16-2004 hỗ trợ thêm các hoạt động không trong tầm nhìn thẳng tại tần số hoạt động
từ 2 tới 11 GHz với các kết nối dạng mesh (lưới) cho cả người dùng cố định và khả
chuyển. Chuẩn mới nhất IEEE 802.16e, được giới thiệu vào ngày 28/2/2006 bổ sung thêm
khả năng hỗ trợ người dùng di động hoạt động trong băng tần từ 2 tới 6 GHz với phạm vi
phủ sóng từ 2 - 5 km. Chuẩn này đang được hy vọng là sẽ mang lại dịch vụ băng rộng
thực sự cho những người dùng thường xuyên di động với các thiết bị như laptop, PDA
tích hợp công nghệ WiMAX.
8
1.2. Đặc điểm nổi bật của công nghệ WiMAX
WiMAX đã được tiêu chuẩn hoá ở IEEE 802.16. Hệ thống này là hệ thống đa truy
cập không dây sử dụng công nghệ OFDMA có các đặc điểm sau :

- Khoảng cách giữa trạm thu và phát có thể tới 50km
- Tốc độ truyền có thể thay đổi, tối đa 70Mbit/s.
- Hoạt động trong cả hai môi trường truyền dẫn: đường truyền tầm nhìn thẳng LOS
(Line of Sight) và đường truyền bị che khuất NLOS (Non line of sight).
- Dải tần làm việc 2-11GHz và từ 10-66GHz hiện đã và đang được tiêu chuẩn hoá.
- Trong WiMAX hướng truyền tin được chia thành hai đường lên và xuống. Đường
lên có tần số thấp hơn đường xuống và đều sử dụng công nghệ OFDM
- WiMAX sử dụng điều chế nhiều mức thích ứng từ BPSK, QPSK đến 256-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.
- Độ rộng băng tần của WiMAX từ 5MHz đến trên 20MHz được chia thành nhiều
băng con . Với công nghệ OFDMA, 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.
- Cho phép sử dụng cả hai công nghệ TDD (time division duplexing) và FDD
(frequency division duplexing) cho việc phân chia truyền dẫn của hướng lên (uplink) và
hướng xuống (downlink).
- Hệ thống WiMAX được phân chia thành 4 lớp con : Các lớp này tương đương với
hai lớp dưới của mô hình OSI và được tiêu chuẩn hoá để có thể giao tiếp với nhiều ứng
dụng lớp trên .
1.3. Quá trình phát triển các chuẩn WiMAX
- 802.16a : Chuẩn này sử dụng băng tần có bản quyền từ 2 - 11 GHz. Đây là băng
tần thu hút được nhiều quan tâm nhất vì tín hiệu truyền có thể vượt được các chướng
ngại trên đường truyền. 802.16a còn thích ứng cho việc triển khai mạng Mesh mà trong
9
đó một thiết bị cuối (terminal) có thể liên lạc vớiBS thông qua một thiết bị cuối khác. Với
đặc tính này, vùng phủ sóng của 802.16a BS sẽ được nới rộng.
- 802.16b: Chuẩn này hoạt động trên băng tần từ 5 – 6 Ghz với mục đích cung ứng
dịnh vụ với chất lượng cao (QoS). Cụ thể chuẩn ưu tiên truyền thông tin của những ứng
dụng video, thoại, real-time thông qua những lớp dịch vụ khác nhau (class of service).
Chuẩn này sau đó đã được kết hợp vào chuẩn 802.16a.

- 802.16c : Chuẩn này định nghĩa thêm các profile mới cho dãi băng tần từ 10-
66GHz với mục đích cải tiến interoperability.
- 802.16d : Có một số cải tiển nhỏ so với chuẩn 802.16a. Chuẩn này được chuẩn hóa
2004. Các thiết bị pre-WiMAX có trên thị trường là dựa trên chuẩn này.
- 802.16e : Đặc điểm nổi bật của chuẩn này là khả năng cung cấp các dịch vụ di
động. IEEE 802.16e hay là một chuẩn mở rộng (amendment) của chuẩn 802.16-2004,
thường được gọi là WiMAX di động (Mobile WiMAX) vì nó có khả năng đáp ứng dịch
vụ cho người dùng di động thông qua các giao thức chuyển giao. 802.16e dùng kỹ thuật
đa truy nhập SOFDMA; sử -dụng kỹ thuật MIMO và AAS để cải thiện vùng phủ và năng
suất; mã Turbo và LDPC để tăng tính an toàn và cải thiện hiệu năng của NLOS.
Bảng 1 :So sánh các chuẩn 802.16
802.16 802.16a 802.16d 802.16e
Phổ
(GHz)
10 – 66 2 – 11 2 – 11 2 – 6
Cấu hình Trực xạ Không
trực xa
Không
trực xạ
Không
trực xạ
Tốc độ
bit
32 – 134
Mbps
Kênh 28
MHz
75 Mbps
Kênh 20
MHz

<=70
MHz
Kênh 20
MHz
15 Mbps
(max 75 Mbps)
Kênh 5
MHz
Điều chế OFDM
256 sóng mang
OFDM
256 sóng mang
OFDM
512/1024/2048
10
QPSK,
16QAM,
64QAM
con QPSK ,
16QAM ,
64QAM
con, BPSK
QPSK ,
16QAM ,
64QAM
BPSK,QPSK ,
16QAM ,
64QAM
Tính di
dộng

Cố định Cố định Cố định Di động
Băng
thông (MHz)
20, 25 ,28 1.5 tới 20 1.25 tới
20
1.5 tới 20
Bán kính
cell
2 – 7 km 7-10 km
max 50
2 -7 km 2 -7 km
CHƯƠNG 2
Chuẩn IEEE 802.16
2.1. Lớp giao thức trong IEEE 802.16 [6] [7]
Chuẩn IEEE 802.16 áp dụng mô hình 7 lớp OSI. Mô hình OSI phân chia các chức
năng của những giao thức khác nhau thành một loạt các lớp ( layer)
Hai lớp thấp nhất là lớp Physical (PHY) hoặc lớp 1 và lớp Data Link hoặc lớp 2.
IEEE 802 tách lớp Data Link OSI thành 2 lớp con có tên là Logical Link Control (LLC)
và Media Access Control (MAC).
11
Hình 2.1: Mô hình OSI bảy lớp cho các ứng dụng. Trong WiMAX/802.16 chỉ 2
lớp đầu tiên được định nghĩa
Lớp PHY tạo nối kết vật lý giữa 2 thực thể giao tiếp ( các thực thể ngang hàng),
trong khi lớp MAC có trách nhiệm thiết lập và bảo trì nối kết ( đa truy nhập,
scheduling, . . .).
Chuẩn IEEE 802.16 xác định giao diện không khí ( air interface) của một hệ thống
BWA cố định hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện (multimedia). Lớp Medium Access
Control (MAC) hỗ trợ một cấu trúc chủ yếu point-to-multipoint (PMP) với một topo
mạng lưới tùy chọn. Lớp MAC được tạo cấu trúc để hỗ trợ nhiều lớp vật lý (PHY) được
xác định trong cũng một chuẩn. Thực tế, chỉ hai trong các lớp đó được sử dụng trong

WiMAX.
12
Hình 2.2: Các lớp giao thức của chuẩn BWA 802.16
Cấu trúc các lớp giao thức được định nghĩa trong WiMAX/802.16 được minh họa
trong hình 2.2. Có thể thấy rằng chuẩn 802.16 định nghĩa chỉ 2 lớp thấp nhất, lớp
PHYsical ( vật lý) và lớp MAC vốn là phần chính của lớp Data Link ( liên kết dữ liệu).
Bản thân lớp MAC gồm 3 lớp con, CS (Convergence Sublayer), CPS (Common Part
Sublayer) và Security Sublayer.
2.1.1 Lớp PHYsical
WiMAX sử dụng công nghệ OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex).
Ưu điểm quan trọng của OFDM là khả năng mang lại hiệu suất băng thông cao hơn và do
đó thông lượng dữ liệu sẽ cao hơn ngay cả khi hoạt động trong môi trường kết nối NLOS
(None Line of Sight) hay điều kiện đa đường. Trong chuẩn IEEE 802.16-2004, tín hiệu
OFDM được chia thành 256 sóng mang, còn chuẩn IEEE 802.16e sử dụng phương thức
SOFDMA (Scalable Orthogonal Frequency Division Multiple Access). Chuẩn IEEE
802.16 hỗ trợ một phạm vi rộng các tần số hoạt động và lớp vật lý có thể thực hiện một
vài phương thức điều chế và ghép kênh. Phương thức điều chế tại đường xuống và đường
lên có thể là BPSK, QPSK, 16-QAM hoặc 64 QAM.
Chuẩn IEEE 802.16 hỗ trợ cả 2 phương thức song công là TDD và FDD. Trong cơ
chế TDD, khung đường xuống và đường lên chia sẻ một tần số nhưng tách biệt về mặt
thời gian. Trong FDD, truyền tải các khung đường xuống và đường lên diễn ra cùng một
thời điểm, nhưng tại các tần số khác nhau.
13
Độ dài khung có thể là 0.5, 1, 2ms. Trong TDD, phần khung được chỉ định cho
đường xuống và phần khung chỉ định cho đường lên có thể có độ dài khác nhau. Đường
lên sử dụng phương thức đa truy nhập TDMA, ở đó băng thông được chia thành các khe
thời gian. Mỗi một khe thời gian được chỉ định cho một MS (trạm di động) riêng lẻ đang
được BS (trạm gốc) phục vụ. Một khung con đường xuống thường chứa 2 phần. Một phần
dành cho thông tin điều khiển, chứa mào đầu nhằm đồng bộ và ánh xạ khung và các dữ
liệu khác. Một ánh xạ đường xuống (DL_MAP) ấn định vị trí bắt đầu và các thuộc tính

truyền dẫn của các cụm dữ liệu. Một ánh xạ đường lên (UL_MAP) chứa thông tin chỉ
định băng thông dành cho trạm di động SS.
2.1.1.1 Cơ bản về OFDM
WIMAX sử dụng công nghệ OFDM để truyền dữ liệu ở giao diện vô tuyến và cho
phép các thuê bao truy nhập kênh. Cũng có nhiều công nghệ khác ở giao diện này như
FDM, CDMA. Tuy nhiên OFDM đã chứng tỏ nó có những ưu điểm hơn rất nhiều về tốc
độ truyền, tỷ lệ lỗi bit, cũng như hiệu quả sử dụng phổ tần nên đã được IEEE chọn làm
công nghệ truyền dẫn cho truyền dẫn vô tuyến băng rộng trong chuẩn IEEE.802.16.
Các kĩ thuật sử dụng trải phổ trực tiếp DS-CDMA như trong chuẩn 802.11b rất dễ bị
ảnh hưởng bởi nhiễu đa đường vì thời gian trễ có thể vượt qua khoảng thời gian của một
kí tự. OFDM sử dụng kĩ thuật truyền song song nhiều băng tần con nên kéo dài thời gian
truyền kí tự lên nhiều lần. Ngoài ra OFDM còn chèn thêm một khoảng bảo vệ GI (Gaurd
Interval) thường lớn hơn thời gian trễ tối đa của kênh truyền giữa 2 kí tự nên nhiễu ISI có
thể được loại bỏ hoàn toàn.
Trên kênh truyền dẫn thì nhiễu lựa chọn tần số cũng là một vấn đề ảnh hưởng lớn
đến chất lượng truyền thông tín hiệu. Tuy vậy OFDM cũng rất mềm dẻo và linh hoạt khi
giải quyết vấn đề này. OFDM có thể khôi phục lại kênh truyền thông qua tín hiệu dẫn
đường (Pilot) được truyền đi cùng với dòng tín hiệu thông tin. Ngoài ra với các kênh con
suy giảm nghiêm trọng về tần số thì OFDM còn có một lựa chọn nữa để giảm tỷ lệ lỗi bit
là giảm bớt số bit mã hóa cho một tín hiệu điều chế tại kênh tần số đó.
14
Hình 2.3: So sánh sóng OFDM với các hình thức truyền thống
Hình 2.3 so sánh giữa hai hình thức điều chế. Đối với các hình thức truyền thống,
một sóng mang đơn với băng thông rộng sẽ được truyền đi, trong khi với OFDM băng
thông rộng này được chia thành các băng con, mỗi băng con sẽ ứng với một sóng mang
con, các sóng mang con trực giao nhau. Việc chia băng con này sẽ làm tốc độ trên mỗi
băng con này giảm đi N lần, tuy nhiên, chu kì của một sóng mang cũng sẽ dài hơn N lần.
Điều này giúp cho việc đồng bộ dễ dàng hơn, tránh nhiễu đa đường cũng tốt hơn. Việc
chia thông tin cũng giúp cho việc chống nhiễu tốt hơn, vì nếu bị nhiễu, cũng chỉ bị nhiễu
trên các cụm đơn lẻ, nên có thể khắc phục dễ dàng hơn.

Mỗi sóng mang được gán luồng dữ liệu để truyền đi. Biên độ và pha của sóng mang
được tính toán dựa trên phương thức điều chế (thường là QPSK, BPSK, QAM). Sau đó
dùng biến đổi IFFT (Inverse Fast Fourier Tranform) để biến từ miền tần số về miền thời
gian. IFFT là một phương pháp biến đổi hiệu quả và đảm bảo cho các sóng mang con trực
giao. Tại bộ nhận, người ta dùng biến đổi FFT(Fast Fourier Tranform) để biến đổi ngược
lại từ miền thời gian sang miền tần số.
Một vấn đề quan trọng trong truyền dẫn là sự đòi hỏi khắt khe về sự đồng bộ vì sự
sai lệch về tần số, ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler khi di chuyển và lệch pha sẽ gây ra
nhiễu giao thoa tần số ICI (Intercarrier Interfrence) mà hậu quả là phá bỏ sự trực giao
giữa các tần số sóng mang và làm tăng ảnh hưởng tới hệ thống cũng như BER. Tuy nhiên
OFDM cũng có thể giảm bớt sự phức tạp của vấn đề đồng bộ thông qua khoảng bảo vệ
15
GI. Việc sử dụng chuỗi GI cho phép OFDM có thể điều chỉnh tần số thích hợp mặc dù
việc thêm GI cũng đồng nghĩa với việc giảm hiệu quả sử dụng băng tần.
Hình 2.4: Chèn thêm tuần tố vòng (Cyclic Prefix) [8]
Lý thuyết OFDM đòi hỏi một tuần tố vòng (CP) phải được thêm ở đầu ký hiệu
OFDM như trong hình 2.4. Không cần đi vào các chi tiết toán học của OFDM, có thể nói
CP cho phép bộ thu hấp thụ hiệu quả hơn nhiều sự phân bố thời gian trễ do sự đa đường
dẫn (multipath) và duy trì tính trực giao tần số. CP vốn chiếm một khoảng thời gian được
gọi là Guard Time (GT), thường được biểu thị là TG, là một sự dư thừa thời gian vốn phải
được xem xét trong các phép tính tốc độ dữ liệu. Tỷ số TG/Td thường được biểu thị là G
trong các tài liệu WiMAX/802.16. Việc lựa chọn G được thực hiện theo những xem xét
sau đây: nếu hiệu ứng đa đường quan trọng ( một kênh vô tuyến kém), cần đến một giá trị
G cao vốn tăng sự dư thừa và sau đó giảm tốc độ dữ liệu hữu dụng; nếu hiệu ứng đa đườn
dẫn nhẹ hơn ( một kênh vô tuyến tốt), một giá trị tương đối nhỏ hơn là G có thể được sử
dụng. Đối với các lớp PHY OFDM và OFDMA, 802.16 định nghĩa các giá trị sau đây cho
G: 1/4, 1/8, 1/16, 1/32. Đối với các profile WiMAX di động ( OFDMA) hiện được định
nghĩa, chỉ giá trị 1/8 là bắt buộc. Chuẩn xác định rằng đối với các lớp PHY OFDM và
OFDMA, một SS tìm kiếm lúc khởi tạo, để tìm tất cả các giá trị có thể có của CP cho đến
khi nó tìm thấy CP được sử dụng bởi BS. Sau đó, SS sử dụng cùng một CP trên uplink.

Một khi khoảng thời gian CP riêng biệt đã được chọn bởi BS để hoạt động trên downlink,
nó không thể được thay đổi. Việc thay đổi CP sẽ buộc tất cả SS tái đồng bộ với BS.
2.1.1.2 Cơ bản về OFDMA
16
Trong WIMAX fixed, áp dụng công nghệ OFDM, còn trong WIMAX theo chuẩn
802.16e, áp dụng công nghệ OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiplexing
Access), hai công nghệ này có vài sự khác biệt cơ bản như sau:
Hình 2.5: Khác nhau giữa OFDM và OFDMA [8]
17
Công nghệ OFDMA cũng áp dụng cách chia băng to thành các băng con trực giao
giống như OFDM, tuy nhiên ở OFDMA, các sóng mang con này được nhóm lại thành các
nhóm, mỗi nhóm sẽ được gán cho một người dùng khác nhau như hình 2.5
Ngoài các sóng mang dữ liệu và bảo vệ, trong OFDMA còn có các sóng mang đánh
dấu (Pilot Carriers) nhằm phục vụ cho việc đồng bộ.
Trong OFDM chỉ một người dùng hoạt động trong một khe thời gian, tuy nhiên,
trong OFDMA, nhiều người dùng có thể cùng hoạt động trong một khe thời gian. Do đó,
nếu chỉ có một người dùng trong khe thời gian, toàn bộ công suất sẽ được dồn lại cho
người dùng này. Điều này mang lại độ lợi 15dB so với OFDM.
Vì trong OFDMA nhiều người dùng có thể chia sẻ một khe thời gian nên việc quản
lí phổ tần số và công suất phát linh hoạt hơn
Với WIMAX áp dụng công nghệ OFDM, nên chỉ sử dụng phương thức truy nhập
FDD, trong khi với công nghệ OFDMA, sẽ sử dụng được phương thức truy nhập TDD.
Hai phương thức này có những đặc điểm như sau:
FDD yêu cầu đường lên và đường xuống là hai tần số khác nhau, do đó không tiết
kiệm dải tần.
TDD thì cả đường lên và đường xuống đều dùng cùng một tấn số, chỉ khác nhau về
khe thời gian truy nhập, do đó tiết kiệm được dải tần.
FDD thì tốc độ đường lên và đường xuống luôn bằng nhau, trong khi TDD thì có thể
điều chỉnh được giữa tốc độ đường lên và đường xuống.
2.1.1.3 Các hình thức kênh con (subchannelization)

Cấu trúc kí hiệu OFDMA gồm có 3 loại sóng mang con như trong hình 2.6:
• Sóng mang con dữ liệu để truyền dẫn dữ liệu.
• Sóng mang con hoa tiêu cho mục đích ước tính và đồng bộ.
• Sóng mang con vô giá trị không dùng cho truyền dẫn, mà sử dụng cho các dải bảo
vệ và các sóng mang DC.
Các sóng mang con tích cực (dữ liệu và hoa tiêu) được nhóm thành các tập con gọi
là các kênh con. Lớp vật lí OFDMA WiMAX hỗ trợ kênh con trong cả DL và UL. Đơn vị
18
tài nguyên thời gian - tần số nhỏ nhất của phân kênh con là một khe bằng 48 tone dữ liệu
(sóng mang con). Có hai loại hoán vị sóng mang con phân cho kênh con; phân tập và liền
kề. Hoán vị phân tập đưa các sóng mang con giả ngẫu nhiên vào dạng một kênh con. Nó
cung cấp phân tập tần số và trung bình hóa nhiễu giữa các tế bào. Các hoán vị phân tập
bao gồm DL FUSC (sóng mang con được sử dụng hoàn toàn), DL PUSC (sóng mang con
được sử dụng một phần), UL PUSC và các hoán vị không bắt buộc.
Hình 2.6: Cấu trúc sóng mang con OFDMA [8]
Với DL PUSC, mỗi cặp kí hiệu OFDM, các sóng mang con khả dụng hoặc thích hợp
được nhóm thành các cụm bao gồm 14 sóng mang con liền kề trên một chu kì kí hiệu, có
cấp phát hoa tiêu và dữ liệu ở mỗi cụm trong các kí hiệu lẻ và chẵn được biểu diễn như
trong hình
Hình 2.7: Kênh con phân tập tần số DL
Kế hoạch sắp xếp lại được sử dụng để nhóm các cụm sao cho mỗi nhóm được cấu
thành từ các cụm được phân bố khắp không gian sóng mang con. Một kênh con trong một
nhóm gồm hai cụm và được cấu thành từ 48 sóng mang con dữ liệu, 8 sóng mang con hoa
19
tiêu. Các sóng mang con dữ liệu trong mỗi nhóm được hoán vị để tạo ra các kênh con
trong nhóm. Vì vậy, chỉ các vị trí hoa tiêu trong cụm được biểu diễn trong hình 2.7. Các
sóng mang con dữ liệu trong cụm được phân bố cho nhiều kênh con.
Tương tự với cấu trúc cụm DL, một cấu trúc tile được định nghĩa cho UL PUSC có
dạng như hình 2.8:
Hình 2.8: Cấu trúc tile cho UL PUSC

Không gian sóng mang con khả dụng được chia thành các tile và 6 tile được chọn
qua toàn bộ phổ bởi kế hoạch hoán vị/sắp xếp lại, được nhóm lại để hình thành một khe.
Khe gồm có 48 sóng mang con dữ liệu và 24 sóng mang con hoa tiêu trong 3 kí hiệu
OFDM.
Hoán vị liền kề nhóm một khối các sóng mang con liền kề để hình thành một kênh
con. Hoán vị liền kề bao gồm DL AMC và UL AMC, và có cấu trúc tương tự. Một bin
gồm 9 sóng mang con liền kề trong một kí hiệu, với 8 gán cho dữ liệu và 1 gán cho hoa
tiêu. Một khe trong AMC được định nghĩa như một tập hợp các bin của kiểu (NxM=6),
trong đó N là số bin liền kề và M là số kí hiệu liền kề. Vì vậy cho phép các kết hợp là [(6
bin, 1 kí hiệu), (3 bin, 2 kí hiệu), (2 bin, 3 kí hiệu), (1 bin, 6 kí hiệu) ]. Hoán vị AMC cho
phép phân tập đa người sử dụng bởi lựa chọn kênh con với đáp ứng tần số tốt nhất.
Nhìn chung, phân tập hoán vị sóng mang con thực hiện tốt trong các ứng dụng di
động trong khi đó các hoán vị sóng mang con liền kề thì tốt trong các môi trường cố định
hoặc tính di động thấp. Các sự lựa chọn này cho phép thiết kế hệ thống để cân bằng các
yếu tố của tính di động cho thông lượng.
20
2.1.1.4 Mã hóa và điều biến thích nghi (AMC)
Điều chế thích nghi (adaptive modulation) cho phép hệ thống WiMAX điều chỉnh
nguyên lý điều chế tín hiệu theo tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) của đường truyền vô
tuyến. Khi đường truyền vô tuyến có chất lượng cao, nguyên lý điều chế cao nhất được sử
dụng làm tăng thêm dung lượng hệ thống. Trong quá trình suy giảm tín hiệu, hệ thống
WiMAX có thể chuyển sang một nguyên lý điều chế thấp hơn để duy trì chất lượng và sự
ổn định của đường truyền. Đặc điểm này cho phép hệ thống khắc phục hiệu ứng fading
lựa chọn thời gian. Đặc điểm quan trọng của điều chế thích nghi là khả năng tăng dải sử
dụng của nguyên lý điều chế ở mức độ cao hơn, do đó hệ thống có tính mềm dẻo đối với
tình trạng fading thực tế.

Hình 2.9: Bán kính cell
2.1.2 Đặc trưng lớp MAC của IEEE 802.16
2.1.2.1 Lớp con hội tụ dịch vụ đặc trưng(CS)

MAC CS nằm trên MAC CPS và sử dụng thông qua MAC SAP, các dịch vụ được
cung cấp bởi MAC CPS. Lớp này thực hiện các chức năng sau:
- Nhận các đơn vị dữ liệu giao thức (PDU) từ lớp cao hơn
- Thực hiện phân loại các PDU lớp cao hơn.
- Xử lí (nếu cần) các PDU lớp cao hơn trên cơ sở phân loại.
21
- Phát các CS PDU đến các MAC SAP thích hợp.
- Nhận CS PDU từ thực thể cùng cấp.
Hiện nay, có hai chi tiết kĩ thuật CS được cung cấp là:ATM CS và Packet CS.
Lớp con hội tụ ATM, hay ATM CS là một giao diện logic kết hợp các dịch vụ ATM
khác nhau với MAC CPS SAP. ATM CS nhận các tế bào ATM từ lớp ATM, thực hiện
phân loại và nếu được cung cấp PHS (nén tiêu đề tải trọng), sau đó phát các CS PDU đến
MAC SAP phù hợp.
Lớp con hội tụ gói hay Packet CS dành cho các dịch vụ dữ liệu dạng gói ví dụ như
Ethernet, PPP, IP và VLAN. Các CS khác có thể được hỗ trợ trong tương lai.
Trong quá trình gửi thông tin.Dữ liệu từ lớp cao hơn chuyển xuống, lớp CS có trách
nhiệm phát các MAC SDU đến MAC SAP. MAC có trách nhiệm phát các MAC SDU đến
các MAC SAP ngang cấp phù hợp với QoS, việc phân đoạn, ghép nối, và các chức năng
truyền tải khác, kết hợp với các đặc điểm luồng dịch vụ của một kết nối cụ thể.
Với quá trình nhận tin.CS có trách nhiệm nhận MAC SDU từ các MAC SAP.sau khi
sử lý như phân loại,giải nén tiêu đề…và gửi đến thực thể lớp cao hơn.
Phân loại và CID mapping
Như được định nghĩa trong chuẩn, sự phân loại (classification) là tiến trình mà qua
đó một MAC SDU được ánh xạ sang một nối kết cụ thể để truyền giữa các peer MAC.
Tiến trình ánh xạ kết hợp một MAC SDU với một nối kết tạo nên sự kết hợp với các đặc
điểm service flow của nối kết đó. Tiến trình này cho phép BWA 802.16 gởi các MAC
SDU có các ràng buộc QoS thích hợp.
Có các cơ cấu phân loại và ánh xạ trong uplink và downlink. Trong trường hợp của
một sự truyền downlink, classifier sẽ hiện diện trong BS và trong trường hợp của một sự
truyền uplink, nó hiện diện trong SS.

Classifier là một tập hợp tiêu chuẩn tương hợp được áp dụng cho mỗi gói đi vào
mạng WiMAX/802.16. Tập hợp tiêu chuẩn tương hợp gồm một số tiêu chuẩn tương hợp
gói dành riêng cho giao thức (ví dụ một địa chỉ IP đích), một quyền ưu tiên classifier và
một tham chiếu dẫn sang CID. Nếu một gói tương hợp với tiêu chuẩn tương hợp gói đã
xác định thì nó được gởi đến SAP để phân phối trên nối kết được định nghĩa bởi CID. Các
22
đặc điểm service flow của nối kết cung cấp QoS cho gói đó. Cơ cấu phân loại được minh
họa trong hình 2.9
Hình 2.10: Phân loại và ánh xạ CID. Nguyên lý như nhau cho cả hai chiều: BS
đến SS và SS đến BS [7]
MAC của 802.16-2004 định hướng nối kết mà tại đó các nối kết thì ảo. Đối với các
mục đích ánh xạ các dịch vụ khác nhau đồng thời và kết hợp các cấp QoS khác nhau, mọi
sự truyền dữ liệu nằm trong ngữ cảnh của một nối kết. Các service flow có thể được dự
trữ khi một SS được cài đặt trong hệ thống. Ngay sau khi đăng ký SS, các nối kết được
kết hợp với những service này (có một nối kết trên mỗi service flow) để cung cấp một
tham chiếu cho tiến trình yêu cầu băng thông. Ngoài ra, các nối kết mới có thể được thiết
lập khi một dịch vụ SS cần thay đổi. Một nối kết định nghĩa sự ánh xạ giữa các tiến trình
hội tụ peer vốn tận dụng MAC và service flow. Service flow định nghĩa các tham số QoS
cho các PDU được trao đổi trên nối kết.
Tóm lại, MAC CS phân loại mỗi ứng dụng. Một lớp QoS được gán. Sự phân loại
này là một tiến trình quan trọng bởi vì mỗi BS có thể phục vụ một số người dùng tương
đối lớn truyền các ứng dụng khác nhau. Sự phân loại này cho phép một sự thích ứng liên
kết tốt bởi vì nó sẽ cấp phát những tài nguyên cần thiết cho mỗi ứng dụng. Kết quả, sự
phân biệt QoS, ví dụ giữa một sự truyền email và một sự truyền tiếng nói rất dễ thực thi
23
2.1.2.2 Lớp con phần chung ( MAC CPS)
Phần lõi của lớp MAC IEEE 802.16 là MAC CPS, có nhiệm vụ là :
- Định nghĩa tất cả các quản lý kết nối,
- Phân phối băng thông, yêu cầu và cấp phát, thủ tục truy nhập hệ thống,
- Lập lịch đường lên, điều khiển kết nối và ARQ.

- Truyền thông giữa CS và CPS được các điểm truy nhập dịch vụ MAC (MAC SAP)
duy trì. Thiết lập, thay đổi, xóa kết nối và truyền tải dữ liệu trên các kênh là bốn chức
năng cơ bản trong quá trình truyền thông tại lớp này.
Định dạng và phân loại MAC PDU
Phân loại MAC PDU
MAC PDU dữ liệu
- Tiêu đề là tiêu đề MAC chung với HT=0.
- Tải trọng là các MAC SDU, hay các phân đoạn là dữ liệu từ lớp phía trên (các
CSPDU). Được phát trên các kết nối truyền tải.
Các MAC PDU quản lí
- Tiêu đề là tiêu đề MAC chung với HT=0
- Tải trọng là các bản tin quản lí MAC. Được phát trên các kết nối quản lí.
Các MAC PDU yêu cầu băng thông (BW)
- Tiêu đề là tiêu đề yêu cầu băng thông với HT=1
- không có tải trọng.
24
Tiêu đề MAC chung
Các trường trong tiêu đề MAC chung có ý nghĩa như sau:
- CI (1 bit) CRC Indicator: Nếu CI có giá trị là 1 có nghĩa CRC được tính đến trong
PDU bằng cách gắn vào tải trọng PDU sau khi mật mã hóa, nếu có giá trị 0 nghĩa là
không có CRC.
- CID (16 bit) Connection Identifier
- EC (1 bit) Encryption Control: EC có giá trị bằng 0 nghĩa là tải trọng không được
mật mã hóa.EC có giá trị 1 nghĩa là tải trọng được mật mã hóa.
- EKS (2 bit) Encryption Key Sequence Chỉ mục của khóa mật mã hóa lưu lượng
(TEK) và vector khởi tạo được sử dụng để mật mã hóa tải trọng. Trường này chỉ có ý
nghĩa nếu trường EC được thiết lập là 1.
- HCS (8 bit) Header Check Sequence: Một trường 8 bit được sử dụng để phát hiện
lỗi trong tiêu đề. Máy phát sẽ tính toán giá trị HCS cho các byte đầu tiên của tiêu đề tế
bào và chèn kết quả vào trường HCS (byte cuối cùng của tiêu đề). Nó sẽ là số dư của

phép chia (modulo 2) bởi đa thức đặc trưng g (D=D8+D2+D+1) của đa thức D8 nhân với
nội dung của tiêu đề trừ trường HCS.
- HT (1bit) Header Type: HT được thiết lập là 0.
- LEN (11bit) Length- Trường độ dài theo byte của MAC PDU bao gồm tiêu
đề MAC và CRC (nếu có).
- Type (6 bit) - Trường này cho biết các tiêu đề con và các loại tải trọng đặc biệt
trong tải trọng của bản tin.
25