Đánh giá thuật toán lập lịch cho dịch vụ VoIP trong hệ thống WiMAX Luận văn ThS. Kỹ thuật điện tử - viễn thông

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

VŨ HỮU HÀO

ĐÁNH GIÁ THUẬT TOÁN LẬP LỊCH CHO
DỊCH VỤ VOIP TRONG HỆ THỐNG WiMAX

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội - 2008


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

VŨ HỮU HÀO

ĐÁNH GIÁ THUẬT TOÁN LẬP LỊCH CHO
DỊCH VỤ VOIP TRONG HỆ THỐNG WIMAX

Nghành: Công nghệ Điện tử-Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 60 52 70
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TRỊNH ANH VŨ

Hà Nội – 2008


2

MỤC LỤC
MỤC LỤC ................................................................................................................ 2
TĨM TẮT ................................................................................................................ 4
KÍ HIỆU VIẾT TẮT ............................................................................................... 5
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................ 9
DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................ 10
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 13
CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX ................................. 14
1.1 Lịch sử, quá trình phát triển...................................................................... 14
1.2 WiMax hoạt động nhƣ thế nào? ................................................................ 15
1.3 Các đặc điểm của WiMax........................................................................... 16
1.4. Các tiêu chuẩn của WiMAX ..................................................................... 18
1.5 Ƣu nhƣợc điểm của hệ thống WiMAX. .................................................... 19
CHƢƠNG 2: NGUYÊN LÝ VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG WIMAX 22
2.1 Tầng vật lý của WiMAX............................................................................. 22
2.1.1 Kĩ thuật OFDM. ................................................................................... 22
2.1.2 Kĩ thuật đa truy cập phân chia tần số trực giao OFDMA. .............. 25
2.1.3 Cấu trúc khung TDD. .......................................................................... 25
2.2 Tầng MAC trong WiMAX. ....................................................................... 30
2.2.1 Tầng hội tụ các dịch vụ chuyên biệt (Service- Specific Convergence
Sublayer -CS)................................................................................................. 31
2.2.2 Sự phân loại (Classification)................................................................ 33
2.2.3 Quá trình loại bỏ gói tin tiêu đề (Packet Header Suppression- PHS).
......................................................................................................................... 34
2.2.4 Tầng Chung (Common Part Sublayer). .............................................. 38
2.2.5 Tầng tập hợp truyền ( Tranmission Convergence Sublayer- TC
Sublayer) ......................................................................................................... 39
2.3 Cơ chế truyền gói tin MAC SDU, PDU. .................................................... 40
2.3.1 Định dạng gói MAC PDU. ................................................................... 40

2.3.2 Gói tin tiêu đề MAC. ............................................................................ 41
2.3.3 Gói tin tiêu đề con ................................................................................ 43
2.3.4 Phân mảnh và đóng gói các gói tin SDU. ........................................... 45
2.3.5 Cơ chế tự động lặp lại yêu cầu ARQ .................................................. 47
2.4. Hỗ trợ chất lƣợng dịch vụ trong chuẩn 802.16 ....................................... 49
2.4.1 Cơ chế yêu cầu và cấp phát băng thông. ........................................... 49
2.4.2 Phân loại luồng dịch vụ và các tham số điều khiển chất lƣợng dịch
vụ QoS ............................................................................................................ 51
CHƢƠNG 3: CÁC THUẬT TỐN LẬP LỊCH CHO Q TRÌNH LÊN
(UPLINK). ............................................................................................................. 56
3.1 Các thuật toán cân bằng (Homogeneous Algorithm) ............................... 58
3.1.1 Thuật toán Weighted Round Robin (WRR) ..................................... 58
3.1.2 Thuật toán Earliest Deadline First (EDF) ......................................... 59


3
3.1.3 Thuật toán Weighted Fair Queuing (WFQ) ...................................... 60
3.2 Các thuật toán lai. ....................................................................................... 62
3.2.1 Thuật toán lai (EDF+WFQ+FIFO) .................................................... 62
3.2.2 Thuật toán lai (EDF+WFQ) ................................................................ 63
3.3 Các thuật toán cơ hội. ................................................................................. 65
3.3.1 Thuật toán lập lịch xuyên tầng (Cross- Layer) ................................. 66
3.3.2 Thuật tốn lập lịch lí thuyết hàng đợi (Queuing Theoretic) ............ 68
3.4 Phân tích độ phức tạp ................................................................................. 73
CHƢƠNG 4: CÁC THUẬT TOÁN LẬP LỊCH CHO DỊCH VỤ VOIP
TRONG HỆ THỐNG WIMAX ........................................................................... 75
4.1. Voice Over IP? ........................................................................................... 75
4.1.1 Khái niệm VoIP. ................................................................................... 75
4.1.2 Mã hóa với kĩ thuật dị tìm thoại VAD (Voice Active Detection). .... 76
4.1.3 Truyền dẫn tiếng nói qua hệ thống WiMAX. ................................... 76

4.2. Các thuật toán lập lịch trong hệ thống WiMAX..................................... 76
4.2.1 Thuật toán UGS. .................................................................................. 76
4.2.2 Thuật toán rtPS .................................................................................... 77
4.2.3 Thuật tốn ertPS. ................................................................................. 78
4.3 Phân tích và so sánh các thuật tốn. ......................................................... 80
4.3.1 Phân tích hiệu quả sử dụng tài nguyên .............................................. 81
4.3.2 Phân tích dung lƣợng đạt đƣợc cho dịch vụ VoIP. ........................... 84
4.3.3 Độ trễ truyền dẫn gói tin. .................................................................... 86
4.4.4 Đánh giá các dịch vụ thơng qua mơ hình lập lịch WRR. ................. 88
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................. 96
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 97
Phụ lục 1: ............................................................................................................... 99


4

TĨM TẮT
WiMAX hiện là một trong những cơng nghệ mới, được giới cơng nghệ trong
nước cũng như ngồi nước quan tâm. Có rất nhiều đề tài nghiên cứu, đánh giá và
triển khai về công nghệ này đã được thực hiện và đã có những thành cơng nhất
định. Là một cơng nghệ dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.16, WiMAX cho phép cung
cấp các dịch vụ không dây băng thông rộng trên diện rộng với kiến trúc mạng linh
hoạt. Tiêu chuẩn 802.16 được thiết kế để thỏa mãn các yêu cầu về dung lượng, tốc
độ truyền cũng như các tính năng tiên tiến của các dịch vụ đa phương tiện. Tiêu
chuẩn đạt được rất nhiều tiến bộ như khả năng triển khai nhanh, tốc độ dữ liệu lớn,
tính linh động cao, đa phương tiện với giá thành duy trì và nâng cấp thấp. Đặc biệt,
các tiêu chuẩn mới ra đời như IEEE 802.16 d/e đã khắc phục được các điểm yếu
của hệ thống tiền nhiệm bởi các tính năng mới như di động, kĩ thuật truyền dẫn
HARQ, …
Các thuật toán lập lịch được đưa ra để hỗ trợ các yêu cầu về chất lượng dịch

vụ (QoS) trong những tiêu chuẩn của WiMAX, đó là UGS, rtPS, ertPS, non-rtPS
(nrtPS) và BE. Những thuật toán UGS, rtPS và ertPS được dành cho các dịch vụ
thời gian thực, vì vậy những thuật tốn này có thể được sử dụng cho dịch vụ VoIP.
Các dịch vụ về thoại có tính nhạy cảm với độ trễ và có vai trị quan trọng trong các
dịch vụ đa phương tiện bởi vậy mà đưa ra một thuật toán hiệu quả cho quá trình
gửi dữ liệu là rất cần thiết. Dựa vào các đặc tính của phiên truyền tiếng nói mà
nhiều thuật toán lập lịch ra đời nhằm nâng cao chất lượng dịch vụ. Luận văn này
nghiên cứu, phân tích và đánh giá các thuật toán lập lịch cho dịch vụ VoIP là UGS,
rtPS và ertPS. Luận văn cố gắng đi sâu chi tiết vào kiến trúc của hệ thống
WiMAX, đưa ra các thuật tốn lập lịch thơng dụng nhằm tạo tiền đề cho việc phân
tích, và đánh giá khả năng của các thuật toán lập lịch UGS, rtPS và ertPS.


5

KÍ HIỆU VIẾT TẮT

A/D

Analog-to-Digital

Chuyển đổi tương tự sang
số

ACK

Acknowledge

Xác nhận

ADSL

Asymmetric Digital
Subscriber Line

Đường dây thuê bao số bất
đối xứng

AMC

Adaptive Modulation and
Coding

Điều chế và mã hóa thích
nghi

AMS

Adaptive MIMO Switching

Chuyển mạch MIMO thích
nghi

ARQ

Automatic Repeat Request

Yêu cầu tự động gửi lại

BE

Best- Effort

Cố gắng tối đa

BER

Bit Error Rate

Tỉ lệ lỗi bit

BRAN

Broadband Radio Access
Network

Mạng truy cập vô tuyến
băng thơng rộng

BS

Base Station

Trạm gốc

BPSK

Binary Phase Shift Keying

Khố dịch pha nhị phân

CDMA

Code Division Multiple
Access

Đa truy cập phân chia theo
mã.

CCI

Co-Channel Interference

Nhiễu kênh chung

CIR

Carrier - to - Interference
Ratio

Tỉ số sóng mang trên nhiễu


6

CP

Cycle Prefix

Tiền tố tuần hoàn

D/A

Digital-to-Analog

Chuyển đổi số sang tương
tự

DAB

Digital Audio Broadcasting

Phát thanh số quảng bá

DL

Downlink

Kênh xuống

DVB

Digital Video Broadcasting

Truyền hình số quảng bá

DVB-T

Digital Video Broadcasting Terrestrial

Truyền hình số quảng bá
mặt đất

ertPS

Extended real time Polling
Service

Dịch vụ thăm dò thời gian
thực mở rộng

FDD

Frequency Division Duplex

Song công chia tần số

FFT

Fast Furier Transform

Biến đổi furier nhanh

FIFO

First In First Out

Vào trước ra trước

FUSC

Fully User Sub-Channel

Kênh con người đầy

HDSL

High bit rate Digital Subcriber Đường dây thuê bao số tốc
Line
độ bit cao

HO

Hand Off

HiperLAN2 High Performance Radio
Local Area Network

Chuyển giao
Chuẩn WLAN (Châu âu)
dựa trên OFDM, với tốc độ
tối đa 54Mbps. Tương tự
như IEEE802.11a

ICI

Inter - Carrier Interference

Nhiễu giữa các sóng mang

IE

Information Element

Phần tử thông tin

IEEE

IEEE (Institute of Electrical

Chuẩn WLAN (Mỹ) dựa


7

802.11a

and Electronics Engineers)
802.11a

trên OFDM, với tốc độ tối
đa 54Mbps. Tương tự như
HiperLAN2

IEEE
802.16

IEEE (Institute of Electrical
and Electronics Engineers)
802.16

Chuẩn truy cập không dây
băng thông rộng

IFFT

Inverse Fast Furier Transform

Biến đổi Furier ngược

ISI

Inter – Symbol Interference

Nhiễu giữa các ký hiệu

LAN

Local Area Network

Mạng nội bộ

LDPC

Low Density Parity Check

Kiểm tra bít chẵn lẻ mật độ
thấp

LOS

Line of Signt

Tầm nhìn thẳng

MAC

Medium Access Control

Điều khiển truy cập trung
gian

MAN

Metropolitan Area Network

Mạng đơ thị

MMSE

Minimum Mean Squared Error Lỗi bình phương trung bình
nhỏ nhất

NLOS

None Line of Signt

nrtPS

None real time Polling Service Dịch vụ thăm dò phi thời

gian thực

OFDM

Orthogonal Frequency
Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia tần số
trực giao

OFDMA

Orthogonal Frequency
Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia tần
số trực giao

PER

Packet Error Rate

Tỉ lệ lỗi gói tin

Tầm nhìn hạn chế


8

QAM

Quadrature Amplitude
Modulation

Điều chế biên độ cầu
phương

QoS

Quality Of Service

Chất lượng dịch vụ

QPSK

Quadrature Phase Shift
Keying

Khoá dịch pha cầu phương

SNR

Signal – to – Noise Ratio

Tỉ số tín hiệu trên tạp âm

TDD

Time Division Duplex

Song công phân chia theo
thời gian

VDSL

Very-High-Bit-Rate Digital
Subscriber Line

Đường dây thuê bao số tốc
độ bit rất cao

VoIP

Voice Over IP

Thoại qua giao thức IP

WiMAX

Worldwide Interoperability for Khả năng khai thác liên
Microwave Access
mạng trên toàn cầu đối với
truy nhập vi ba

WRR

Weighted Round Robin


9

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1

Nguyên lý mã hóa và điều chế hỗ trợ trong WiMAX

Bảng 2.1

Nguyên lý mã hóa và điều chế hỗ trợ trong WiMAX

Bảng 2.2

Tốc độ dữ liệu tại tầng Vật lý cho một số kênh truyền.

Bảng 2.3

Trường trong gói tin tiêu đề thơng thường

Bảng 2.4

Các trường trong gói tin tiêu đề u cầu băng thơng.

Bảng 2.5

Đặc tính và các tham số của các luồng dịch vụ

Bảng 3.1:

Độ phức tạp của các thuật toán.

Bảng 4.1:

Tỉ lệ các mức tốc độ mã hóa.

Bảng 4.2:

Kích thước gói tin tương ứng các mức mã hóa

Bảng 4.3:

Băng thơng cấp phát cho các dịch vụ UGS, rtPS, ertPS

Bảng 4.4:

Lượng tài nguyên tiết kiệm được bởi thuật toán ertPS so với các
thuật toán UGS, rtPS


10
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1:

Mơ hình truyền thơng của WiMax.

Hình 1.2:

Mơ hình phân lớp trong hệ thống WiMax so sánh với OSI

Hình 2.1:

Lớp giao thức trong IEEE 802.16

Hình 2.2:

Ghép kênh phân chia tần số trực giao.

Hình 2.3:

Kiến trúc cơ bản của một hệ thống OFDM.

Hình 2.4

So sánh giữa kĩ thuật OFDM và OFDMA.

Hình 2.5:

Cấu trúc khung TDD

Hình 2.6:

Tiêu đề điều khiển khung FCH

Hình 2.7:

DL burst

Hình 2.8:

Một định dạng burst khác.

Hình 2.9:

Cấu trúc khung TDD trong chuẩn 802.16

Hình 2.10:

Tầng MAC và Tầng Vật lý trong hệ thống WiMAX

Hình 2.11:

Cấu trúc tầng MAC của mạng WiMAX

Hình 2.12:

Phân loại và ánh xạ chỉ số kết nối CID (BS sang SS).

Hình 2.13:

Phân loại và ánh xạ chỉ số kết nối CID(SS sang BS).

Hình 2.14:

Quá trình loại bỏ gói tin tiêu đề.

Hình 2.15:

Sơ đồ q trình loại bỏ gói tin tiêu đề.

Hình 2.16:

Định nghĩa các gói tin SDU và PDU.

Hình 2.17:

Gói PDU tại tầng với các gói tin MAC PDU

Hình 2.18:

Định dạng gói tin PDU

Hình 2.19:

Gói tin tiêu đề của gói PDU thơng thường.


11
Hình 2.20:

Gói tin tiêu đề u cầu băng thơng.

Hình 2.21:

Gói tin tiêu đề phân mảnh con

Hình 2.22:

Gói tin tiêu đề đóng gói con (PSH).

Hình 2.23:

FSH được đặt ngay đầu chuỗi bít dữ liệu.

Hình 2.24:

Đóng gói các SDU có độ dài cố định thành một gói PDU.

Hình 2.25:

Đóng gói các SDU có độ dài biến thiên thành một gói PDU

Hình 2.26:

Đóng gói các gói tin và mảnh SDU thành một gói PDU.

Hình 2.27:

Phân mảnh (block) và kết hợp gói tin SDU thành gói PDU.

Hình 2.28:

Gói tin tiêu đề con cho trường hợp sử dụng cơ chế ARQ

Hình 2.29:

Các trường trong gói tin ACK

Hình 2.30:

Mơ hình u cầu và cấp phát băng thơng.

Hình 2.31:

Dịch vụ cấp phát tự nguyện UGS.

Hình 3.1:

Mơ tả thuật tốn WRR bằng phương pháp giả mã Pseudo- code

Hình 3.2:

Mơ tả thuật tốn EDF bằng phương pháp giả mã Pseudo- code

Hình 3.3:

Mơ tả hoạt động đến của gói tin k trong trạm SS thứ i; arrive(i,k)

Hình 3.4:

Mơ tả hoạt động lựa chọn gói tin k trong trạm SS thứ i; select(i,k)

Hình 3.5:

Mơ tả thuật tốn WFQ bằng phương pháp giả mã Pseudo- code

Hình 3.6:

Mơ tả thuật tốn lai (EDF+ WFQ+ FIFO) bằng phương pháp giả
mã Pseudo- code.

Hình 3.7:

Mơ tả thuật toán lai (EDF+ WFQ) bằng phương pháp giả mã
Pseudo- code.

Hình 3.8:

Mơ tả thuật tốn xun tầng băng phương pháp giả mã Pseudo-


12
code.
Hình 3.9:

Mơ tả thuật tốn lí thuyết hàng đợi băng phương pháp giả mã
Pseudo- code.

Hình 4.1:

Hoạt động của thuật tốn UGS.

Hình 4.2:

Hoạt động của thuật tốn rtPS.

Hình 4.3:

Họat động của thuật tốn ertPS.

Hình 4.4:

So sánh tài ngun tiết kiệm được giữa thuật tốn ertPS với các

thuật tốn UGS và rtPS.

Hình 4.5:

Dung lượng người dùng lớn nhất tương ứng với các mức điều chế
MCS

Hình 4.6:

Độ trễ gói tin của các dịch vụ rtPS, ertPS, UGS

Hình 4.7:

Mơ hình mơ phỏng.

Hình 4.8

Mơ hình giữa các trạm SS và trạm BS

Hình 4.9

Thơng lượng cho mơ hình 1

Hình 4.10

Thơng lượng cho mơ hình 2

Hình 4.11

Thơng lượng cho mơ hình 3

Hình 4.14

Thơng lượng cho mơ hình 4

Hình 4.15

Thơng lượng cho mơ hình 5


13

MỞ ĐẦU
Khi thế giới bước vào kỉ nguyên của Internet, thiết bị di động và truyền tải
băng thơng rộng thì có rất nhiều cơng nghệ mới được nghiên cứu, thử nghiệm và đi
vào sử dụng. Trong vài năm gần đây, một công nghệ mới được giới thiệuWiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access)- tên thương mại của
chuẩn 802.16- có nghĩa là khả năng tương tác toàn cầu với viba đã tạo ra sự quan
tâm rất lớn với những nhà chuyên môn và các cơ quan chuyên ngành.
Là một công nghệ vô tuyến tiên tiến, WiMAX có những đặc điểm vượt trội
như là khả năng truyền dẫn tốc độ cao, chất lượng dịch vụ tối, an ninh đảm bảo, dễ
dàng lắp đặt, chi phí thấp … chính vì vậy sự phát triển nhanh chóng của WiMAX
là một tất yếu. Cơng nghệ WiMAX ngày càng được hồn thiện thơng qua việc liên
tục đưa ra những tiêu chuẩn phù hợp với nhiều lĩnh vực kinh doanh trên thị trường
như là thiết bị di động, thiết bị cầm tay,…
Phát triển chất lượng dịch vụ QoS là một trong những ưu tiên hàng đầu
trong công nghệ WiMAX. Để hỗ trợ nhiều loại hình dịch vụ với các yêu cầu khác
nhau, về QoS, các tiêu chuẩn của WiMAX đã đưa ra nhiều thuật toán lập lịch
nhằm hỗ trợ các loại hình dịch vụ này. Trong khn khổ luận văn này, chúng tôi
giới thiệu và thảo luận một số thuật tốn lập lịch gói tin thơng dụng được sử dụng
trong hệ thống WiMAX, đồng thời cũng đi sâu phân tích và đánh giá các thuật

tốn lập lịch hỗ trợ cho dịch vụ VoIP. Luận văn được tổ chức thành các phần như
sau:
Chƣơng 1: Giới thiệu tổng quan về công nghệ WiMAX. Nhằm đưa ra các
thông tin cơ bản như lịch sử hình thành, các tiêu chuẩn, ưu khuyết điểm của hệ
thống WiMAX.
Chƣơng 2: Phân tích chi tiết giao thức, các tổ chức phân lớp cũng như cách
thức hoạt động của WiMAX.
Chƣơng 3: Giới thiệu và đánh giá một số thuật tốn lập lịch được hỗ trợ
trong cơng nghệ WiMAX.
Chƣơng 4: Phân tích, so sánh, đánh giá các thuật toán lập lịch hỗ trợ cho
dịch vụ VoIP trong hệ thống tiêu chuẩn IEEE 802.16e.


14

CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX
1.1 Lịch sử, q trình phát triển.
Chúng ta đã biết đến các cơng nghệ truy nhập Internet phổ biến hiện nay
như quay số qua Modem thoại, ADSL, hay các đường thuê kênh riêng, hoặc sử
dụng các hệ thống vô tuyến như điện thoại di động, hay mạng WiFi. Mỗi phương
pháp truy cập mạng có đặc điểm riêng. Đối với Modem thoại thì tốc độ quá thấp,
ADSL tốc độ có thể lên đến 8Mbit/s nhưng cần có đường dây kết nối, các đường
thuê kênh riêng thì giá thành đắt mà khơng dễ dàng triển khai đối với các khu vực
có địa hình phức tạp. Hệ thống thông tin di động hiện tại cung cấp tốc độ truyền
9,6Kbit/s quá thấp so với nhu cầu người sử dụng, ngay cả các mạng thế hệ sau
GSM như GPRS (2.5G) cho phép truy cập ở tốc độ lên đến 171,2Kbit/s hay
EDGE khoảng 300-400Kbit/s cũng chưa thể đủ đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng
khi sử dụng các dịch vụ mạng Internet. Ở hệ thống di động thế hệ tiếp theo 3G thì
tốc độ truy cập Internet cũng khơng vượt q 2Mb/s. Với mạng WiFi (chính là
mạng LAN khơng dây) chỉ có thể áp dụng cho các máy tính trao đổi thông tin với

khoảng cách ngắn. Với thực tế như vậy, WiMax (viết tắt của từ Worldwide
Interoperability for Microwave Access) ra đời nhằm cung cấp một phương tiện
truy cập Internet khơng dây tổng hợp có thể thay thế cho ADSL và WiFi. Hệ thống
WiMax có khả năng cung cấp đường truyền với tốc độ lên đến 70Mb/s và với bán
kính phủ sóng của một trạm anten phát lên đến 50 km.
WiMAX là tiêu chuẩn IEEE 802.16 cho việc kết nối Internet băng thông
rộng không dây ở khoảng cách lớn. Đây là kỹ thuật viễn thông cung cấp việc
truyền dẫn không dây ở khoảng cách lớn bằng nhiều cách khác nhau, từ kiểu kết
nối điểm - điểm cho tới kiểu truy nhập tế bào. Dựa trên các tiêu chuẩn IEEE
802.16, còn được gọi là WirelessMAN, WiMAX cho phép người dùng có thể
duyệt Internet trên máy laptop mà khơng cần kết nối vật lý bằng cổng Ethernet tới
router hoặc switch. Tên WiMAX do WiMAX Forum tạo ra, bắt đầu từ tháng 6
năm 2001 đề xướng việc xây dựng một tiêu chuẩn cho phép kết nối giữa các hệ
thống khác nhau. Diễn đàn này cũng miêu tả WiMAX là "tiêu chuẩn dựa trên kỹ
thuật cho phép chuyền dữ liệu không dây băng thơng rộng giống như với cáp và
DSL."
Khố họp Hội đồng thông tin vô tuyến 2007 (RA-07) của Liên minh viễn
thông thế giới (ITU), được tổ chức tại Gennève, Thụy Sĩ từ ngày 15-19/10/2007,


15
đã thông qua việc bổ sung giao diện vô tuyến OFDMA TDD WMAN (WiMAX di
động) vào họ giao diện vô tuyến IMT-2000 (thường vẫn được biết dưới tên 3G).
Chuẩn IMT-2000 hiện có 5 giao diện vơ tuyến CDMA Direct Spread
(thường được biết dưới tên WCDMA), CDMA Multi-Carrier ( thường được biết
dưới tên CDMA 2000), CDMA TDD, TDMA Single-Carrier, FDMA/TDMA. Sau
khi được bổ sung, chuẩn giao diện OFDMA TDD WMAN sẽ là chuẩn giao diện vô
tuyến thứ 6 của họ IMT-2000.
Các chỉ tiêu về đặc tính phát xạ (phát xạ giả, phát xạ ngoài băng) của các
trạm thu phát (BTS) và máy di động (MS) của WiMAX di động cũng đã được bổ

sung vào các chuẩn hiện áp dụng cho IMT-2000.
1.2 WiMax hoạt động nhƣ thế nào?
Thực tế WiMax hoạt động tương tự WiFi nhưng ở tốc độ cao và khoảng
cách lớn hơn rất nhiều cùng với một số lượng lớn người dùng. Một hệ thống
WiMax gồm 2 phần:
- Trạm phát: giống như các trạm BTS trong mạng thông tin di động với cơng
suất lớn có thể phủ sóng một vùng rộng tới 8000km2.
- Trạm thu: có thể là các anten nhỏ như các Card mạng cắm vào hoặc được
thiết lập sẵn trên Mainboard bên trong các máy tính, theo cách mà WiFi vẫn dùng
Các trạm phát BTS được kết nối tới mạng Internet thông qua các đường
truyền tốc độ cao dành riêng hoặc có thể được nối tới một BTS khác như một trạn
trung chuyển bằng đường truyền thẳng (line of sight), và chính vì vậy WiMax có
thể phủ sóng đến những vùng rất xa.


16

Hình 1.1: Mơ hình truyền thơng của WiMAX.
Các anten thu/phát có thể trao đổi thơng tin với nhau qua các tia sóng truyền
thẳng hoặc các tia phản xạ. Trong trường hợp truyền thẳng, các anten được đặt cố
định 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 thơng sử dụng cũng
lớn hơn. Đối với trường hợp tia phản xạ, WiMax sử dụng băng tần thấp hơn, 211GHz, tương tự như ở WiFi, 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.
1.3 Các đặc điểm của 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 [1]:


Khoảng cách giữa trạm thu và phát có thể tới 50km.



Tốc độ truyền có thể thay đổi, tối đa 70Mbit/s.


17

Hoạt động trong cả hai môi trường truyền dẫn: đường truyền tầm nhìn
thẳng LOS (Line of Sight) và đường truyền 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 để truyền. OFDM trong WiMax sử dụng tổng cộng 2048 sóng mang,
trong đó có 1536 sóng mang dành cho thơng tin được chia thành 32 kênh con
mỗi kênh con tương đương với 48 sóng mang. 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 1,75MHz. Mỗi băng con này được chia nhỏ hơn nữa
nhờ công nghệ OFDM, 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. Công nghệ này được gọi là công nghệ đa truy nhập OFDMA

(OFDM access).

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).

Về cấu trúc phân lớp, hệ thống WiMax được phân chia thành 4 lớp :
Lớp con hội tụ (Convergence) làm nhiệp vụ giao diện giữa lớp đa truy nhập
và các lớp trên, lớp đa truy nhập (MAC layer), lớp truyền dẫn (Transmission)
và lớp vật lý (Physical). Các lớp này tương đương với hai lớp dưới của mơ
hình OSI và được tiêu chuẩn hố để có thể giao tiếp với nhiều ứng dụng lớp
trên như mơ tả ở hình dưới đây.


18

Hình 1.2: Mơ hình phân lớp trong hệ thống WiMax so sánh với OSI
1.4. Các tiêu chuẩn của WiMAX
Chuẩn IEEE 802.16: ban đầu được tạo ra với mục đích tạo ra những giao
diện không dây dựa trên một nghi thức MAC (Media Access Control) chung. Kiến
trúc cơ bản của hệ thống theo chuẩn IEEE 802.16 bao gồm một trạm gốc BS (Base
Station) và các thuê bao SS (Subcriber Station). Trong vùng phủ sóng của mình,
trạm gốc BS sẽ điều khiển tồn bộ q trình truyền dữ liệu. Điều này có nghĩa là sẽ
khơng có sự trao đổi trực tiếp giữa hai trạm thuê bao với nhau. Quá trình kết nối
giữa BS và SS bao gồm một kênh gửi lên (Uplink) và một kênh gửi xuống
(Downlink). Kênh Uplink được chia sẻ cho nhiều thuê bao, trong khi đó kênh
Downlink sẽ được gửi quảng bá (Broadcast). Trong trường hợp khơng có vật cản
giữa thuê bao và trạm gốc (line of sight), thông tin sẽ được truyền trên băng tần
cao, ngược lại băng tần thấp sẽ được sử dụng nhằm tăng khả năng chống nhiễu.
Chuẩn IEEE 802.16a: tiêu chuẩn này được xác định hoạt động trong dải tần

từ 2Ghz cho tới 11 GHz. Bởi vì tín hiệu tại tần số thấp có thể xuyên qua chướng
ngại vật và vì vậy khái niệm tầm nhìn thẳng giữa trạm phát và nơi nhận là khơng
u cầu. Các quan tâm thương mại đều tập trung vào dải tần thấp này. Tiêu chuẩn
IEEE 802.16a được hoàn thành vào tháng 1 năm 2001, cho phép khả năng thực thi
của WiMAX trở nên mềm dẻo và linh hoạt hơn trong khi vẫn duy trì được tốc độ
dữ liệu và dải truyền. Tiêu chuẩn này cũng hỗ trợ cho mô hình mạng lưới (Mesh)
làm tăng thơng lượng và khả năng bao phủ của mạng.
Chuẩn IEEE 802.16b: tiêu chuẩn này tăng cường phổ trên băng tần từ 5 – 6
Ghz với nhằm nâng cao chất lượng dịch vụ (QoS). Bằng cách đảm bảo chu kì
truyền dẫn cho các ứng dụng thời gian thực như video, thoại, đồng thời phân loại
các loại hình dịch vụ cho các ứng dụng khác nhau.
Chuẩn IEEE 802.16c: Chuẩn này định nghĩa thêm các profile mới cho dải
băng tần từ 10-66GHz với mục đích tăng khả năng hoạt động, trao đổi giữa các


19
trạm. Dải tần cao là có sẵn nhiều hơn, tuy nhiên hạn chế của nó là tín hiệu bị phát
xạ vậy nên địi hỏi phải triển khai ở mơi trường khơng có chướng ngại vật (line of
sight).
Chuẩn IEEE 802.16d: được chấp thuận vào tháng 6- 2004, chuẩn IEEE
802.16d được nâng cấp từ tiêu chuẩn IEEE 802.16a, với mục đích tăng khả năng
thực thi của 802.16 đặc biệt là trong quá trình Uplink.
Chuẩn IEEE 802.16e: là một chuẩn mở rộng 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 tồn và cải thiện
hiệu năng của NLOS. Tiêu chuẩn mới này cho phép người dùng sử dụng dịch vụ
truyền thông trong khi di chuyển ở tốc độ cao, có thể lên đến 70-80 mi/h. Thiết bị
truyền thơng có thể là điện thoại di dộng hoặc máy tính xách tay.

1.5 Ƣu nhƣợc điểm của hệ thống WiMAX.
+ Ưu điểm:
Được xây dựng trên tiêu chuẩn IEEE 802.16, WiMAX đạt được các khả
năng sau:
- Kiến trúc mềm dẻo: WiMAX hỗ trợ một vài kiến trúc hệ thống như điểm
tới điểm (P-P), điểm tới đa điểm (P-MP), hoặc mạng lưới (Mesh)… Trong đó tầng
MAC hỗ trợ hầu hêt các loại hình dịch vụ thơng qua quá trình sắp xếp khe thời
gian cho mỗi trạm thuê bao SS. Tất cả các trạm SS khi tham gia vào mạng đều có
thể có cơ hội truyền dữ liệu.
- Bảo mật cao: các chuẩn mã hóa tiên tiến đều được sử dụng trong công
nghệ WiMAX như ASE hay DEX. Bằng cách mã hóa các liên kết giữa trạm gốc
BS và trạm thuê bao SS, WiMAX cung cấp các thuê bao riêng đồng thời bảo mật
thông tin trên giao diện không dây băng thông rộng. WiMAX cũng hỗ trợ công
nghệ mạng lan ảo VLAN nhằm tăng cường bảo mật giữa các người dùng chung
cùng mạng.
- Khả năng triển khai nhanh: so với sự triển khai của các giải pháp hữu
tuyến, WiMAX u cầu ít hoặc khơng cần xây dựng kế hoạch mở. Các nhà khai


20
thác chỉ cần có giấy phép để sử dụng một trong số các băng tần được cấp phát,
hoặc có kế hoạch để sử dụng một trong các băng tần không được cấp phép mà
không cần thiết phải xem xét sâu hơn các ứng dụng cho Chính phủ. Khi các thiết bị
được lắp đặt và cấp nguồn, hệ thống WiMAX sẽ sẵn sàng phục vụ.
- Hỗ trợ chất lượng dịch vụ QoS: WiMAX có thể tối ưu hóa hỗn hợp lưu
lượng mạng thành 5 loại hình dịch vụ cơ bản bao gồm dịch vụ cấp phát tự nguyện
UGS, dịch vụ thăm dò thời gian thực rtPS, dịch vụ đáp ứng thăm dò phi thời gian
thực nrtPS, dịch vụ BE và dịch vụ thăm dò thời gian thực mở rộng ertPS. Sự phân
loại giúp cho WiMAX hỗ trợ tốt hơn cho từng loại hình traffic, tăng cường chất
lượng dịch vụ.

- Dung lượng cao: Sử dụng điều chế bậc cao (64-QAM) và độ rộng băng tần
(hiện tại là 7MHz), các hệ thống WiMAX có thể cung cấp độ rộng băng tần đáng
kể cho người sử dụng đầu cuối.
- Độ bao phủ rộng: công nghệ WiMAX hỗ trợ các phương pháp điều chế đa
mức như BPSK, QPSK, 16-QAM, 64- QAM. Khi được trang bị với một bộ khuếch
đại công suất lớn và hoạt động điều chế ở mức thấp, hệ thống WiMAX có thể bao
phủ một vùng địa lý rộng mà ít quan tâm tới tầm nhìn giữa trạm gốc BS và thuê
bao SS.
- Tính di dộng: chuẩn IEEE 802.16e ra đời, đã tích hợp thêm một số đặc
điểm nhằm hỗ trợ tính di động. Các cải tiến được tạo ra cho lớp vật lí OFDMA và
OFDM để cung cấp các thiết bị và dịch vụ trong môi trường di động.
- Khả năng mang theo: với hệ thống tổ ong hiện nay, khi các trạm thuê bao
SS thuộc hệ thống WiMAX được cấp công suất, nó sẽ tự nhận dạng, xác định các
đặc tính liên kết với trạm gốc BS, chỉ cần trạm thuê bao đăng kí trong cơ sở dữ liệu
hệ thống và sau đó đàm phán các đặc tính truyền dẫn phù hợp.
+ Nhược điểm:
Với bất cứ hệ thống truyền thông vô tuyến nào thì ảnh hưởng của mơi
trường truyền sóng là khơng thể tránh khỏi. Hệ thống WiMAX cũng có những hạn
chế về đường truyền:
- Ảnh hưởng của thời tiết xấu đặc biệt là mưa to có thể làm gián đoạn các
cuộc truyền thông.


21
- Các sóng vơ tuyến điện lân cận có thể gây nhiễu với kết nối của WiMAX
và là nguyên nhân gây suy giảm tín hiện trên đường truyền hoặc làm mất kết nối.
- Ngồi ra vì đây là cơng nghệ mới do đó việc chuẩn hóa chưa thực sự trên
phạm vi tồn thế giới nên gặp khó khăn trong việc động bộ, lắp ráp, thay thế ở các
khu vực khác nhau.
Kết luận: WiMAX là công nghệ dựa trên chuẩn 802.16 cho phép truy cập

băng thông rộng vô tuyến đến đầu cuối mọi nơi, mọi lúc. Công nghệ này đưa ra
các khả năng hữu dụng cho các loại hình cố định và di động với chi phí thấp. Các
tiêu chuẩn của WiMAX ngày càng được hồn thiện nhằm tồn cầu hóa công nghệ.


22
CHƢƠNG 2: NGUYÊN LÝ VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG WIMAX
2.1 Tầng vật lý của WiMAX
Tầng vật lý PHY của WiMAX được thiết kế có nhiều điểm tương đồng với
Wi-Fi, dựa trên chuẩn IEEE 802.16-2004 và IEEE 802.16e-2005. Tương tự như
Wi-Fi, WiMAX sử dụng công nghệ ghép kênh phân chia tần số trực giao OFDM
(Orthogonal Frequency Division Multiplex). Ưu điểm quan trọng của OFDM là
khả năng mang lại hiệu suất băng thơng cao hơn và do đó thơng 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, cịn 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.

Hình 2.1: Lớp giao thức trong IEEE 802.16
2.1.1 Kĩ thuật OFDM.
Kỹ thuật OFDM (viết tắt của Orthogonal Frequency Division Multiplexing)
là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang, trong đó các
sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tính hiệu ở các sóng mang phụ cho

phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khơi phục lại tín hiệu ban đầu. Sự


23
chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn
nhiều so với kỹ thuật điều chế thơng thường.

Hình 2.2: Ghép kênh phân chia tần số trực giao
Trong một hệ thống OFDM, luồng dữ liệu đầu vào được chia thành một số
luồng con song song có tốc độ dữ liệu giảm (làm tăng khoảng symbol) và mỗi
luồng con sẽ được điều chế và phát trên một sóng mang con trực giao riêng.


24
Hình 2.3: Kiến trúc cơ bản của một hệ thống OFDM.
OFDM khai thác phân tập tần số của kênh đa đường bởi mã hóa và đan xen
thơng tin qua sóng mang con trước khi truyền dẫn. Điều chế OFDM có thể được
thực hiện hiệu quả với biến đổi Fourrier ngược nhanh (IFFT) song vẫn cho phép
một số lượng lớn sóng mang con với độ phức tạp thấp. Trong một hệ thống
OFDM, tài nguyên khả dụng trong miền thời gian là các symbol OFDM và trong
miền tần số là các sóng mang con. Lượng tài nguyên thời gian và tần số có thể
được sắp xếp thành các kênh con để cấp phát cho từng người sử dụng. OFDM sử
dụng kĩ thuật truyền song song nhiều băng tần con nên kéo dài thời gian truyền kí
tự lên nhiều lần.
Trên kênh truyền dẫn thì nhiếu lựa chọn tần số cũng là một vấn đề ảnh
hưởng lớn đến chất lượng truyền thơng tín hiệu. Tuy vậy OFDM của mềm dẻo và
linh hoạt khi giải quyết vấn đề này. OFDM có thể khơi phục lại kênh truyền thơng
qua tín hiệu dẫn đường (Pilot) được truyền đi cùng với dịng tín hiệu thơng tin.
Ngồi ra với các kênh con suy giảm nghiêm trọng về tần số thì OFDM cịn có một
lựa chọn nữa để giảm tỉ lệ lỗi bít là giảm bớt số bít mã hóa cho một tín hiệu điều

chế tại kênh tần số đó.
Một trong các vấn đề quan trọng nhất trong thông tin vô tuyến là trải trễ đa
đường. OFDM giải quyết vấn đề này rất hiệu quả. Vì dịng dữ liệu đầu vào được
chia thành N sóng mang con và thời khoảng ký hiệu sẽ giảm đi N lần, do vậy cũng
làm giảm trải trễ đa đường liên quan đến thời gian ký hiệu một hệ số tương ứng.
Nhiễu giữa các ký hiệu ISI được loại bỏ hoàn toàn bằng đưa vào một thời gian bảo
vệ GI cho mỗi ký hiệu OFDM. Thời gian bảo vệ được chọn lớn hơn trải trễ để các
thành phần đa đường từ một ký hiệu không thể gây nhiễu với ký hiệu kế tiếp. Thời
gian bảo vệ này có thể là khơng đáng kể nhưng vấn đề nhiễu giữa các sóng mang
ICI sẽ xuất hiện. Khi đó, ký hiệu OFDM được mở rộng có chu kỳ trong thời gian
bảo vệ. Sử dụng phương pháp này, các bản sao trễ của ký hiệu OFDM ln có một
số nguyên các chu kỳ bên trong khoảng thời gian FFT, miễn là trễ nhỏ hơn thời
gian bảo vệ.
Tiêu chuẩn IEEE 802.16d đã áp dụng cơng nghệ OFDM, vì vậy WiMAX
fixed có thể hoạt động được trong mơi trường NLOS (Non Light of Sight). Trong
đó, tín hiệu được chia thành 256 sóng mang con với 198 là dành cho dữ liệu còn
lại dành cho khoảng bảo vệ.