Mô hình hòa mạng wimax cố định

Mục lục

MỤC LỤC
MỤC LỤC.....................................................................................................I
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG.........................................................IV
CHƯƠNG 1. ................................................................................................1
CÔNG NGHỆ WIMAX...............................................................................1
1.1 Khái niệm chung về WiMAX .......................................................................1
1.1.1 Khái niệm WiMAX......................................................................................1
1.1.2 Các đặc điểm của WiMAX..........................................................................2
1.1.3 Hoạt động của WiMAX .............................................................................3
1.2 Cấu hình mạng...............................................................................................5
1.2.1 Cấu hình mạng điểm – đa điểm (PMP).......................................................5
1.2.2 Cấu hình mạng mắt lưới (MESH)...............................................................7
1.3 Các dịch vụ của WiMAX...............................................................................8
1.3.1 Các tham số QoS cho luồng dịch vụ...........................................................9
1.3.2 Dịch vụ cấp phát không theo yêu cầu (UGS)............................................10
1.3.3 Dịch vụ kiểm tra vòng theo thời gian thực (rtPS) ....................................10
1.3.4 Dịch vụ kiểm tra vòng không theo thời gian thực (nrtPS) .......................11
1.3.5 Dịch vụ cố gắng tối đa (Best Effort - BE) ................................................12
1.4 Chuẩn WiMAX ...........................................................................................12
1.4.1 Hệ thống chuẩn IEEE 802.16....................................................................12
1.4.2 Chuẩn WiMAX cố đinh (IEEE 802.16d) .................................................14
1.4.3 Chuẩn WiMAX di động (IEEE 802.16e)..................................................15
1.4.4 Kiến trúc giao thức WiMAX.....................................................................16
1.5 Truy nhập vô tuyến......................................................................................20
1.5.1 Môi trường truyền sóng LOS và NLOS....................................................20
1.5.2 Công nghệ OFDM cho truyền dẫn vô tuyến.............................................20
1.5.3 Đa truy nhập và kênh con hóa...................................................................21
1.5.4 Kỹ thuật song công TDD và FDD ...........................................................23
1.6 Điều chế và mã hóa.....................................................................................24

1.6.1 Mã hóa kênh...............................................................................................25
1.6.2 Điều chế.....................................................................................................26
1.7 Bảo mật.........................................................................................................29
1.7.1 Kiến trúc bảo mật trong WiMAX .............................................................29

I


Mục lục
1.7.2 Bảo mật qua giao diện vô tuyến................................................................32
1.7.3 Mật mã hóa dữ liệu...................................................................................34
1.8 Các mô hình ứng dụng WiMAX................................................................35
1.9 Các ưu điểm của mạng WiMAX ................................................................36
Tổng kết chương 1.............................................................................................40
CHƯƠNG 2. ..............................................................................................41
BÀI TOÁN THIẾT KẾ MẠNG WIMAX ...............................................41
CỐ ĐỊNH & DI TRÚ CHO THÀNH PHỐ HÀ NỘI...............................41
2.1 Mục đích thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú ..................................41
2.2 Bài toán thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú ....................................42
2.2.1 Các tham số hệ thống của mạng WiMAX cố đinh & di trú .....................42
2.2.2 Các tham số dịch vụ cho WiMAX cố đinh & di trú.................................45
2.2.3 Phương pháp tính toán lưu lượng .............................................................46
2.2.4 Đánh giá khả năng triển khai mạng WiMAX cố đinh & di trú ...............48
2.2.5 Các bước thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú ..................................49
2.3 Các yêu cầu thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú cho thành phố Hà
Nội....................................................................................................................... 51
2.3.1 Chỉ tiêu chất lượng cho mạng WiMAX cố đinh & di trú ........................51
2.3.2 Các yêu cầu thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú cho thành phố Hà
Nội.......................................................................................................................54
2.3.3 Lựa chọn thiết bị theo yêu cầu thiết kế......................................................64

2.4 Tính toán suy hao ........................................................................................69
2.4.1 Tính toán suy hao đường truyền (path loss)..............................................69
2.4.2 Dự trữ suy hao phụ....................................................................................82
2.5 Tính toán phạm vi phủ sóng........................................................................86
2.5.1 Tính toán quỹ đường truyền......................................................................86
2.5.2 Tính toán phạm vi phủ sóng......................................................................89
2.6 Định cỡ mạng và quy hoạch vùng phủ sóng ..............................................91
2.6.1 Định cỡ mạng.............................................................................................91
2.6.2 Quy hoạch vùng phủ sóng.........................................................................92
Tổng kết chương 2.............................................................................................95
CHƯƠNG 3. ..............................................................................................97
MÔ HÌNH HÓA MẠNG WiMAX CỐ ĐỊNH..........................................97
3.1 Các tham số đầu vào....................................................................................97

II


Mục lục
3.2 Mô hình hóa mạng WiMAX cố đinh & di trú trên bản đồ.......................98
3.2.1 Mô hình mạng trên bản đồ địa lý...............................................................98
3.2.2 Mô hình mạng trên bản đồ kiến trúc.......................................................102
3.3 Mô hình chi tiết cho một cell ....................................................................104
3.4 Xác định vị trí đặt trạm gốc.....................................................................105
Tổng kết chương 3...........................................................................................106
CHƯƠNG 4. ............................................................................................108
CÁC CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG..................................................108
4.1 Chương trình tính toán suy hao................................................................108
4.1.1 Tính toán suy hao theo mô hình COST 231 Hata ..................................108
4.1.2 Tính toán suy hao theo mô hình COST 231 Walfish-Ikegami .............109
4.2 Chương trình tính toán phạm vi phủ sóng...............................................112

4.3 Chương trình tính toán định cỡ và mô phỏng mạng...............................113
KẾT LUẬN..............................................................................................116
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................117

III


Danh mục hình vẽ và bảng

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG
Hình 1.1 Mạng WiMAX .............................................................................5
Hình 1.2 Cấu hình mạng PMP ...................................................................6
Hình 1.3 Cấu hình mạng MESH ................................................................8
Hình 1.4 Bộ tiêu chuẩn IEEE802.16.........................................................13
Hình 1.5 Mô hình kiến trúc giao thức WiMAX.......................................16
Hình 1.6 Cấu trúc khung OFDM với kỹ thuật song công TDD.............24
Hình 1.7 Bộ tạo mã giả ngẫu nhiên...........................................................25
Hình 1.8 Chòm sao BPSK, QPSK, 16 QAM và 64 QAM.......................27
Hình 1.10 Lược đồ điều chế thích ứng......................................................28
Hình 1.11 Mô hình bảo mật......................................................................31
Hình 1.12 Quá trình nhận thực thuê bao................................................32
Hình 1.13 Quá trình trao đổi khóa dữ liệu..............................................33
Hình 1.14 Mật mã hóa dữ liệu.................................................................34
Hình 1.15 Khả năng mở rộng dung lượng của một trạm gốc BS...........38
Bảng 2.1 Bảng các tham số hệ thống tham khảo cho WiMAX cố đinh &
di trú...........................................................................................................43
Bảng 2.2 Bảng các tham số dịch vụ tham khảo cho WiMAX cố đinh &
di trú ..........................................................................................................46
Hình 2.1 Sơ đồ các bước thiết kế mạng WiMAX cố đinh & di trú.........49
Hình 2.2 Chỉ tiêu chất lượng cho mạng Internet.....................................52

Bảng 2.3 Bảng tiêu chuẩn chất lượng cho mạng WiMAX cố đinh & di
trú................................................................................................................ 53
Hình 2.3 Khu vực cần phủ sóng chụp từ vệ tinh.....................................56
Hình 2.4 Khu vực cần phủ sóng trên bản đồ địa lý.................................57
Hình 2.5 Bản đồ kiến trúc Hà Nội chụp từ vệ tinh..................................61
Bảng 2.4 Tỉ lệ thuê bao trên từng ứng dụng............................................63
Bảng 2.5 Tổng hợp thông số thiết bị lựa chọn.........................................69
Hình 2.6 Bán kính cell với suy hao đường truyền...................................70
Hình 2.7 Đồ thị suy hao sử dụng mô hình COST 231 Hata....................72
Hình 2.8 Mô hình COST 231 Walfisch-Ikegami môi trường NLOS......75
Hình 2.9 Đồ thị suy hao sử dụng mô hình COST 231 Walfish-Ikegami
..................................................................................................................... 78

IV


Danh mục hình vẽ và bảng

Bảng 2.6 Các tham số địa hình..................................................................80
Hình 2.10 Đồ thị suy hao mô hình SUI ....................................................81
Bảng 2.7 Mức suy hao thâm nhập một số loại vật cản............................85
Bảng 2.8 Tổng hợp các mức dự trữ suy hao phụ.....................................86
Bảng 2.9 Quỹ đường truyền cho đường xuống........................................87
Bảng 2.10 Quỹ đường truyền cho đường lên...........................................88
Hình 2.11 Kết quả tính toán phạm vi phủ sóng ......................................89
Hình 2.12 Vùng phủ sóng tối đa của một sector 120o ............................90
Bảng 2.11 Kết quả định cỡ mạng..............................................................92
Hình 2.13 Vùng phủ sóng của một sector 120o .......................................94
Hình 2.14 Mô hình mạng lưới cell lục giác ..............................................95
Bảng 2.12 Tổng hợp kết quả tính toán thiết kế mạng.............................96

Hình 3.1 Mô hình mạng trên bản đồ địa lý (chưa hiệu chỉnh)...............98
Hình 3.2 Mô hình mạng trên bản đồ địa lý (đã hiệu chỉnh)..................101
Hình 3.3 Mô hình mạng WiMAX trên bản đồ kiến trúc ......................102
Hình 3.4 Mô hình mạng đường trục (backhaul) ...................................103
Hình 3.5 Chi tiết vùng phủ sóng cell 10.................................................105
Hình 3.6 Vị trí đặt trạm gốc cell 10........................................................106
Hình 4.1 Chương trình tính toán suy hao theo mô hình COST 231 Hata
................................................................................................................... 108
Hình 4.2 Chương trình tính toán suy hao theo mô hình COST 231 W-I
................................................................................................................... 110
Hình 4.3 Chương trình tính toán suy hao theo mô hình SUI ..............111
Hình 4.4 Chương trình tính toán phạm vi phủ sóng ............................112
Hình 4.5 Chương trình tính toán định cỡ và mô phỏng .......................113

V


Chương 1. Công nghệ WiMAX

CHƯƠNG 1.
CÔNG NGHỆ WIMAX
______________________________________________________________
__________
Trước khi xây dựng một mạng WiMAX cố đinh & di trú chúng ta cần
tìm hiểu về công nghệ WiMAX, về các đặc điểm và những ứng dụng của
công nghệ WiMAX. Việc hiểu rõ về công nghệ cũng như các ứng dụng của
WiMAX cố đinh & di trú là cơ sở cho việc xây dựng, thiết kế mạng WiMAX
cố đinh & di trú trong thực tế. Chương 1 sẽ trình bày các khái niệm cơ bản và
các đặc trưng của công nghệ WiMAX, bộ chuẩn WiMAX, các dịch vụ và mô
hình ứng dụng WiMAX.

1.1 Khái niệm chung về WiMAX
1.1.1 Khái niệm WiMAX
WiMax (viết tắt từ Worldwide Interoperability for Microwave Access) là
một công nghệ truy cập không dây băng thông rộng (Broadband Wireless
Access - BWA) với khả năng cung cấp đường truyền số liệu với tốc độ lên
đến 70Mb/s và với bán kính phủ sóng của một trạm anten phát lên đến 50 km.
Công nghệ WiMAX dựa trên cơ sở tương thích toàn cầu được kết hợp bởi
bộ chuẩn IEEE 802.16 và ETSI HiperMAN. Đây là các tiêu chuẩn cho mạng
WirelessMAN (mạng đô thị không dây). WiMAX cố đinh & di trú dựa theo
chuẩn 802.16d, WiMAX di động theo chuẩn 802.16e. Chuẩn WiMAX cố
đinh hỗ trợ tốc độ dữ liệu đỉnh 70Mb/s, đảm bảo tốc độ tiêu chuẩn lớn hơn
30Mb/s. Chuẩn WiMAX di động cho thuê bao di chuyển ở tốc độ cao hỗ trợ
truy nhập tốc độ dữ liệu đỉnh 30Mb/s, đảm bảo tốc độ tiêu chuẩn lớn hơn
5Mb/s. WiMAX có thể hoạt động trong tầm nhìn thẳng (Light of Sight –
LOS) hay không trong tầm nhìn thẳng (None Light of Sight – NLOS).

1


Chương 1. Công nghệ WiMAX

Công nghệ này có thể được sử dụng để thay thế các đường truyển DSL,
ADSL, đường cáp hữu tuyến bằng truy nhập không dây, làm trạm chuyển tiếp
(backhaul) cho mạng Wifi, hỗ trợ và bổ sung cho các dịch vụ điện thoại di
động, cung cấp các kết nối băng thông rộng di động với rất nhiều các cấp dịch
vụ khác nhau.
1.1.2 Các đặc điểm của WiMAX
- Phạm vi phủ sóng của một BS trên lý thuyết có thể lên tới 50km.
- Tốc độ truyền dữ liệu có thể thay đổi, tối đa 70Mb/s.
- Hoạt động trong cả hai môi trường truyền dẫn: đường truyền tầm nhìn thẳng

LOS và đường truyền không trong tầm nhìn thẳng NLOS.
- Dải tần làm việc 2-11GHz cho đường truyền không trong tầm nhìn thẳng
NLOS và từ 10-66GHz cho đường truyền trong tầm nhìn thẳng LOS.
- Băng thông mềm dẻo, có thể cho phép thay đổi từ 1,75MHz đến 20MHz.
- Kỹ thuật QoS (chất lượng dịch vụ) trong WiMAX cho phép hỗ trợ nhiều
loại dịch vụ, đảm bảo chất lượng dịch vụ tối ưu nhất.
- Giao diện vô tuyến sử dụng công nghệ OFDM (ghép kênh phân chia theo
tần số trực giao). OFDM trong WiMax sử dụng tổng cộng 2048 sóng mang,
trong đó có 1536 sóng mang dành cho thông tin được chia thành 32 kênh con
mỗi kênh con tương đương với 48 sóng mang, cho phép nhiều thuê bao có thể
truy cập đồng thời một hay nhiều kênh một cách linh hoạt để đảm bảo tối ưu
hiệu quả sử dụng băng tần.
- Trên mỗi sóng mang phụ sử dụng phương thức điều chế nhiều mức thích
ứng từ BPSK, QPSK đến 64-QAM kết hợp các phương pháp sửa lỗi dữ liệu
như ngẫu nhiên hoá, với mã hoá sửa lỗi Reed Solomon, mã xoắn tỷ lệ mã từ
1/2 đến 7/8 để đảm bảo chất lượng thông tin.

2


Chương 1. Công nghệ WiMAX

- Đa truy nhập OFDMA, chế độ song công cho phép sử dụng cả hai công
nghệ song công phân chia theo thời gian TDD (time division duplex) và song
công phân chia theo tần số FDD (frequency division duplex) cho việc phân
chia truyền dẫn của đường lên (uplink) và đường xuống (downlink).
- Tính bảo mật cao, hỗ trợ chuẩn mã mật dữ liệu DES (Data Encryption
Standard) và chuẩn mã mật tiên tiến AES (Advance Encryption Standard) cho
quá trình bảo mật bảo mật.
1.1.3 Hoạt động của WiMAX

Một mạng WiMax gồm 2 thành phần:
+ Trạm gốc (BS-Base Station): giống như các trạm BTS trong mạng thông tin
di động số tế bào, sử dụng hệ thống anten thông minh AAS (Adaptive
Antenna System) và kỹ thuật đa thu đa phát MIMO (Multi input multi output)
với bán kính phủ sóng có thể đạt 50km với đường truyền LOS (trên điều kiện
thực tế đạt khoảng 10km).
+ Trạm thuê bao (SS-Subscriber Station): có thể là các anten nhỏ nối với thiết
bị thu đặt tại nhà thuê bao hoặc các thiết bị truyền thông cá nhân hỗ trợ
WiMAX (CPE) hoặc các card PCMCIA gắn bên trong các thiết bị di động.
Các trạm gốc BS được kết nối tới mạng Internet thông qua các đường
truyền hữu tuyến tốc độ cao (cáp quang) hoặc sử dụng mạng đường trục
backhaul với một trạm gốc làm trạm chuyển tiếp lưu lượng. Nhờ việc sử dụng
các trạm chuyển tiếp, phạm vi phủ sóng rộng và chi phí rẻ nên WiMAX có
khả năng phủ sóng đến những vùng hẻo lánh nơi mà các đường cáp hữu tuyến
không thể triển khai được.
Các anten thu/phát có thể trao đổi thông tin với nhau qua các đường
truyền trong tầm nhìn thẳng LOS hoặc đường truyền không trong tầm nhìn
thẳng NLOS. Trong trường hợp đường truyền trong tầm nhìn thẳng LOS, các

3


Chương 1. Công nghệ WiMAX

anten được đặt cố đinh & di trú trên các điểm cao, tín hiệu trong trường hợp
này ổn định và tốc độ truyền có thể đạt tối đa. Băng tần sử dụng có thể dùng ở
tần số cao đến 66GHz vì ở tần số này tín hiệu ít bị giao thoa với các kênh tín
hiệu khác và băng thông sử dụng cũng lớn hơn. Đối với trường hợp đường
truyền không trong tầm nhìn thẳng NLOS, WiMax sử dụng băng tần thấp
hơn ở khoảng 2-11GHz, ở tần số thấp tín hiệu dễ dàng vượt qua các vật cản,

có thể phản xạ, nhiễu xạ, uốn cong, vòng qua các vật thể để đến đích.
WiMAX cố đinh & di trú có thể sử dụng để cung cấp dịch vụ cho các
hộ gia đình hoặc các doanh nghiệp, cơ quan tổ chức, trường học, bệnh viện…
hoặc làm đường trục cho mạng di động, làm backhaul cho các hotspost của
Wifi thay cho các mạng cáp hữu tuyến đắt tiền. Mạng nomadic cho phép
người dùng đầu cuối có thể di chuyển vị trí trong vùng phủ sóng, khi kết nối
vẫn phải cố đinh tương tự Wifi. WiMAX di động là triển vọng lớn nhất của
WiMAX với khả năng cung cấp đường truyền tốc độ cao ở tốc độ di chuyển
lớn, có khả năng bổ sung các di vụ di động mới ngoài các dịch vụ được cung
cấp bởi mạng di động truyền thống.
Hình 1.1 mô tả các mô hình ứng dụng mạng WiMAX bao gồm mạng
WiMAX cố đinh, mạng WiMAX di trú (nomadic) và mạng WiMAX di động.
Riêng WiMAX di động có thể tương thích với WiMAX cố đinh và di trú, điều
này có nghĩa là một mạng WiMAX di động với lưu lượng mạng đủ lớn có thể
cung cấp cho cả nhu cầu mạng cố đinh, di trú và di động.

4


Chương 1. Công nghệ WiMAX

Hình 1.1 Mạng WiMAX
1.2 Cấu hình mạng
WiMAX hỗ trợ hai cấu hình mạng là cấu hình mạng điểm – đa điểm
(PMP – point to multipoint) và mạng mắt lưới (MESH).
1.2.1 Cấu hình mạng điểm – đa điểm (PMP)
Cấu hình mạng điểm – đa điểm PMP tương tự mạng thông tin di động
tế bào. Mạng điểm – đa điểm PMP bao gồm một trạm gốc BS kết nối với
mạng công cộng và một số lượng lớn các trạm thuê bao SS xung quanh. Trạm
gốc BS sử dụng hệ thống các anten chia theo cung (sectoral antennas) là các

anten chảo có độ định hướng cao, được hướng theo từng cung và được sắp
xếp xung quanh cột anten.
Trong mạng điểm – đa điểm PMP các trạm thuê bao SS chỉ trao đổi
thông tin trực tiếp với trạm gốc BS. Đường xuống (Down link) là quảng bá và

5


Chương 1. Công nghệ WiMAX

đa điểm. Các trạm thuê bao SS chia sẻ đường lên (up link) tới trạm gốc BS
trên cơ sở yêu cầu băng thông. Kết nối từ trạm thuê bao SS đến trạm gốc BS
thông qua nhận dạng kết nối CID (connection ID), trạm thuê bao SS sẽ kiểm
tra CID trong các PDU nhận được và chỉ giữ các PDU có địa chỉ tới chúng.
Tùy thuộc loại dịch vụ sử dụng mà trạm thuê bao SS được phép tiến hành
truyền dữ liệu ngay hoặc chờ sự cho phép của trạm gốc BS sau khi đã chấp
nhận một yêu cầu từ trạm thuê bao SS.
Mạng điểm – đa điểm PMP được thiết kế để cho phép số lượng người
sử dụng lớn với chi phí thấp, lắp đặt đơn giản và giới hạn được số lượng
router, switch cần thiết. Tần số sử dụng ở dải tần thấp dưới 6GHz để có phạm
vi phủ sóng lớn.
Cấu hình mạng điểm – đa điểm PMP là cấu hình mạng cơ bản cho
mạng WiMAX.

Hình 1.2 Cấu hình mạng PMP
6


Chương 1. Công nghệ WiMAX

1.2.2 Cấu hình mạng mắt lưới (MESH)
Cấu hình mạng mắt lưới MESH gồm các trạm gốc MESH BS là các
trạm gốc BS được kết nối với mạng bên ngoài và các MESH SS là các thành
phần còn lại trong mạng mà chỉ có các kết nối bên trong mạng MESH (có thể
là các trạm thuê bao SS hoặc trạm gốc BS). Mạng MESH thường được gọi là
mạng mắt lưới, mỗi mắt lưới là một node mà trong đó các node đều có thể
liên lạc được với nhau trực tiếp hoặc gián tiếp bên trong mạng. Đường lên và
đường xuống trong mạng MESH là theo hướng dữ liệu tới và ra khỏi MESH
BS. Kết nối trong mạng MESH cũng thông qua nhận dạng kết nối CID,
MESH SS sẽ kiểm tra CID trong các PDU nhận được và chỉ giữ các PDU có
địa chỉ tới chúng
Trong mạng MESH mỗi node có một router do đó lưu lượng có thể
được định tuyến qua các MESH SS. Nhờ đặc điểm này các MESH SS có thể
trao đổi dữ liệu với nhau ngoài trao đổi dữ liệu trực tiếp với MESH BS, đây là
khác biệt cơ bản so với cấu hình PMP.
Do mỗi node đều có liên kết đa đường đến các node khác nên mỗi
node có khả năng lựa chọn liên kết tốt nhất từ node khác và tránh được node
ẩn (node không nhận được tín hiệu. Ngoài ra khả năng mở rộng của mạng mắt
lưới MESH cho phép lớn hơn nhiều so với mạng điểm – đa điểm PMP nên chi
phí bao phủ mạng trên một đơn vị diện tích là thấp hơn điểm – đa điểm PMP.
Ngoài ra chất lượng kết nối cũng được đảm bảo hơn mạng điểm – đa điểm
PMP.
Cấu hình mạng mắt lưới MESH là tùy chọn cho WiMAX do chi phí
cho thiết bị đầu cuối lớn và quản lý mạng phức tạp. Mạng mắt lưới MESH chỉ
thích hợp cho các dịch vụ cố đinh & di trú.

7


Chương 1. Công nghệ WiMAX

Hình 1.3 Cấu hình mạng MESH
1.3 Các dịch vụ của WiMAX
WiMAX hỗ trợ chất lượng dịch vụ QoS (Quality of Service) cho các
dịch vụ được cung cấp, chủ yếu để hỗ trợ các dịch vụ thời gian thực. Mỗi loại
dịch vụ có một tập các tham số QoS và kỹ thuật quản lý chất lượng dịch vụ
cho phép đảm bảo chất lượng cho từng kết nối (connection). Đối với mạng
Internet truyền thống thì dịch vụ phổ biến là Best Effort và không hỗ trợ QoS
do đó không đáp ứng được các dịch vụ đòi hỏi độ trễ thấp, yêu cầu về thời
gian thực. Để hỗ trợ các dịch vụ này cần phải xây dựng thêm các bộ giao thức
mới cũng như cần nâng cấp mạng. Với kỹ thuật quản lý chất lượng dịch vụ
QoS, WiMAX hỗ trợ được nhiều loại dịch vụ khác nhau và có khả năng đảm
bảo chất lượng cho các ứng dụng trên từng loại dịch vụ.
WiMAX hỗ trợ 4 loại hình dịch vụ là dịch vụ cấp phát không theo yêu

8


Chương 1. Công nghệ WiMAX

cầu (Unsolicited Grant Service - UGS), dịch vụ kiểm tra vòng theo thời gian
thực (Real-Time Polling Service - rtPS), dịch vụ kiểm tra vòng không theo
thời gian thực (Non-Real-Time Polling Service - nrtPS), dịch vụ cố gắng tối
đa (Best Effort - BE).
1.3.1 Các tham số QoS cho luồng dịch vụ
 Tốc độ lưu lượng dự trự tối thiểu
Là giới hạn dưới của tốc độ truyền dữ liệu. Tốc độ dữ liệu được đảm bảo
luôn lớn hơn giới hạn dưới này.
 Tốc độ lưu lượng cho phép tối đa
Là giới hạn trên cho phép của tốc độ truyền dữ liệu. Tốc độ dữ liệu không

được lớn hơn giới hạn trên này.
 Độ trễ tối đa
Là độ trễ toàn trình trong quá trình truyền dẫn. Tham số này được yêu cầu
đối với các dịch vụ có hỗ trợ thời gian thực. Độ trễ tối đa không được phép
vượt quá mức ngưỡng cho trước để đảm bảo chất lượng dịch vụ.
 Độ trễ pha ”Jitter”
Là độ trễ của từng gói khi đến đích khiến cho dữ liệu bị đứt quãng (không
liên tục). Tham số này được yêu cầu với dịch vụ cấp phát không theo yêu cầu
(Unsolicited Grant Service) dùng cho ứng dụng thoại VoIP hoặc T1/E1 vì nếu
Jitter lớn chất lượng đàm thoại sẽ bị giảm nghiêm trọng.
 Mức ưu tiên của tải lưu lượng
Xác định tải lưu lượng nào được ưu tiên phục vụ trước. Tham số này được
sử dụng cho dịch vụ phi thời gian thực (none-realtime Polling Service) và
dịch vụ cố gắng tối đa (Best Effort) trong đó băng thông được yêu cầu trên cơ
sở tranh chấp.

9


Chương 1. Công nghệ WiMAX

 Cách thức yêu cầu / truyền dẫn
Chỉ ra cách thức đưa các bản tin yêu cầu (request) và cách thức truyền dẫn
dữ liệu. Tham số này có mặt ở tất cả các loại dịch vụ.
1.3.2 Dịch vụ cấp phát không theo yêu cầu (UGS)
Đối với dịch vụ cấp phát không theo yêu cầu, tài nguyên vô tuyến
được cấp phát bởi trạm gốc BS theo một khoảng thời gian định kỳ, băng
thông cố đinh & di trú đồng thời loại bỏ yêu cầu băng thông từ trạm thuê bao
SS (các trạm thuê bao SS sử dụng dịch vụ cấp phát không theo yêu cầu sẽ
không được trạm gốc BS kiểm tra yêu cầu băng thông).

UGS được thiết kế để hỗ trợ cho các ứng dụng yêu cầu thời gian thực,
gói có kích thước cố đinh & di trú, phát định kỳ. Chủ yếu là các ứng dụng cho
thoại như T1/E1 và VoIP (Voice over IP).
Các tham số QoS cho luồng dịch vụ này là tốc độ lưu lượng cho phép
tối đa, độ trễ tối đa, độ trễ pha (Jitter), cách thức yêu cầu / truyền dẫn. Băng
thông được cấp phát phụ thuộc tham số tốc độ lưu lượng cho phép tối đa và
được đảm bảo luôn cố đinh & di trú. Độ trễ tối đa, độ trễ pha (Jitter) là hai
tham số quan trọng có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng thoại, hai tham số
này chỉ ra mức giới hạn cho phép của độ trễ toàn trình và Jitter.
1.3.3 Dịch vụ kiểm tra vòng theo thời gian thực (rtPS)
Đối với dịch vụ kiểm tra vòng theo thời gian thực, băng thông được
cung cấp dựa trên sự cấp phát các cơ hội yêu cầu băng thông từ trạm gốc BS
và kiểm tra vòng các yêu cầu băng thông từ các trạm thuê bao SS. Trạm BS
phát định kỳ các bản tin đơn điểm unicast cấp phát cơ hội yêu cầu đến từng
trạm thuê bao SS, các trạm thuê bao sẽ sử dụng các bản tin unicast cấp phát
cơ hội yêu cầu để yêu cầu được cấp phát băng thông đường lên. Trạm gốc BS
sẽ kiểm tra lần lượt từng trạm thuê bao xem trạm thuê bao nào có yêu cầu

10


Chương 1. Công nghệ WiMAX

băng thông đường lên. Các trạm thuê bao không được phép yêu cầu băng
thông trên cơ sở tranh chấp (không được tranh chấp băng thông đường lên).
Điều đó đảm bảo băng thông cho các trạm thuê bao là ổn định, tránh xung
đột, cho phép hỗ trợ các ứng dụng thời gian thực.
Dịch vụ kiểm tra vòng theo thời gian thực rtPS được thiết kế để hỗ trợ
các ứng dụng yêu cầu thời gian thực, gói có độ dài thay đổi, phát định kỳ như
MPEG video. Nói chung là cho các ứng dụng video trực tuyến như xem phim

trực tuyến, hội nghị từ xa, truyền hình ...
Các tham số QoS cho luồng dịch vụ này là tốc độ lưu lượng dự trữ tối
thiểu, tốc độ lưu lượng cho phép tối đa, độ trễ tối đa, cách thức yêu cầu /
truyền dẫn. Trong đó tốc độ dữ liệu luôn được đảm bảo ở mức lớn hơn tốc độ
lưu lượng dự trữ tối thiểu và độ trễ nhỏ hơn độ trễ tối đa để hỗ trợ tốt các ứng
dụng thời gian thực.
1.3.4 Dịch vụ kiểm tra vòng không theo thời gian thực (nrtPS)
Đối với dịch vụ kiểm tra vòng không theo thời gian thực, băng thông
được cung cấp dựa trên sự cấp phát các cơ hội yêu cầu băng thông từ trạm
gốc BS và kiểm tra vòng các yêu cầu băng thông từ các trạm thuê bao SS.
Trạm BS phát các bản tin đơn điểm unicast cấp phát cơ hội yêu cầu một cách
bình thường, không nhất thiết theo chu kỳ (định kỳ). Khi đó các trạm SS có
thể sử dụng các bản tin unicast cấp phát cơ hội yêu cầu băng thông hoặc trên
cơ sở tranh chấp để được cấp phát băng thông đường lên. Điều đó có nghĩa là
băng thông sẽ được đảm bảo ở mức tốt nhất có thể và vẫn có tranh chấp trong
yêu cầu băng thông đường lên do đó sẽ có trễ đáng kể.
Dịch vụ kiểm tra vòng không theo thời gian thực nrtPS được thiết kế để
hỗ trợ các ứng dụng chấp nhận độ trễ (không yêu cầu thời gian thực), có độ
dài gói thay đổi và có yêu cầu về tốc độ dữ liệu tối thiểu như FTP (giao thức

11


Chương 1. Công nghệ WiMAX

truyền file).
Các tham số QoS cho luồng dịch vụ này là tốc độ lưu lượng dự trữ tối
thiểu, tốc độ lưu lượng cho phép tối đa, mức ưu tiên của tải lưu lượng, cách
thức yêu cầu / truyền dẫn. Dịch vụ này vẫn đảm bảo tốc độ dữ liệu tối thiểu
nhưng không đảm bảo về trễ như dịch vụ kiểm tra vòng theo thời gian thực

(rtPS). Tuy nhiên thay vào đó có thêm tham số mức ưu tiên của tải lưu lượng
cho phép phục vụ trước tải lưu lượng có mức ưu tiên lớn hơn.
1.3.5 Dịch vụ cố gắng tối đa (Best Effort - BE)
Dịch vụ cố gắng tối đa là dịch vụ phổ biến nhất trên mạng Internet,
cung cấp khả năng đáp ứng cho lưu lượng best effort. Lưu lượng best effort
dựa trên nguyên tắc gói thông tin đến trước được phục vụ trước, các luồng
best effort sẽ phải tranh chấp băng thông chia sẻ mà không có sự đảm bảo về
băng thông tối thiểu. Các trạm thuê bao SS đưa yêu cầu băng thông trên cơ sở
tranh chấp hoặc cũng có thể sử dụng các bản tin đơn điểm unicast cung cấp cơ
hội yêu cầu băng thông từ trạm gốc BS.Dịch vụ BE được thiết kế để hỗ trợ
các ứng dụng mà không yêu cầu mức chất lượng dịch vụ tối thiểu. Dùng cho
các ứng dụng phổ biến trên mạng Internet như HTTP, SMTP, Web.
Các tham số QoS cho luồng dịch vụ này là tốc độ lưu lượng cho phép
tối đa, mức ưu tiên của tải lưu lượng, cách thức yêu cầu / truyền dẫn. Dịch vụ
cố gắng tối đa không có sự đảm bảo về tốc độ lưu lượng tối thiểu tuy nhiên
vẫn được hỗ trợ mức ưu tiên của tải lưu lượng.
1.4 Chuẩn WiMAX
1.4.1 Hệ thống chuẩn IEEE 802.16
Chuẩn WiMAX dựa trên bộ chuẩn 802.16 của IEEE kết hợp với chuẩn
HiperMAN của ETSI (chuẩn cho mạng MAN không dây của Châu Âu). Về
cơ bản mô hình 256-OFDM PHY trong chuẩn IEEE 802.16 so với chuẩn
ETSI HiperMAN là giống nhau về lớp vật lý và lớp MAC. Mô hình 25612


Chương 1. Công nghệ WiMAX

OFDM PHY trong chuẩn IEEE 802.16 đã được lựa chọn cho WiMAX. Hệ
thống chuẩn IEEE 802.16 được xây dựng cho các mạng truy nhập vô tuyến
băng thông rộng BWA (Broadband Wireless Access). Bao gồm các chuẩn
IEEE 802.16–2001 (chuẩn cơ bản), 802.16a, 802.16b, 802.16c, 802.16d,

802.16e.

Hình 1.4 Bộ tiêu chuẩn IEEE802.16
 Chuẩn IEEE 802.16–2001 là bộ chuẩn cơ bản, mô tả sự chuẩn hóa các lớp
PHY và MAC cho truy nhập vô tuyến băng rộng.
- Sử dụng kỹ thuật điều chế dơn sóng mang SC (Single Carrier) trong dải
tần 10-66 GHz
- Đường truyền trong tầm nhìn thẳng LOS
- Hỗ trợ song công phân chia theo thời gian TDD (Time Division Duplex)
và song công phân chia theo tần số FDD (Frequecy Division Duplex)
- Cấu hinh mạng điểm-điểm hoặc điểm-đa điểm
- Hỗ trợ truy nhập không dây cố đinh & di trú
- Hỗ trợ QoS (Quality of Service) để đảm bảo chất lượng dịch vụ
- Sử dụng kỹ thuật điều chế thích ứng
- Kiến trúc bảo mật được xây dựng trong lớp con MAC-PS

13


Chương 1. Công nghệ WiMAX

 Chuẩn IEEE 802.16a được sửa đổi, bổ sung từ chuẩn 802.16-2001 để hỗ
trợ đường truyền không trong tầm nhìn thẳng NLOS.
- Bổ sung kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM và đa
truy nhập OFDMA
- Mở rộng thêm dải tần 2-11 Ghz
- Hỗ trợ đường truyền không trong tầm nhìn thẳng NLOS
- Hỗ trợ thêm cấu hình mạng mắt lưới MESH
- Kỹ thuật anten thông minh và điều khiển công suất tiên tiến
 Chuẩn IEEE 802.16b được sửa đổi, bổ sung từ chuẩn 802.16-2001

- Bổ sung lớp vật lý vô tuyến HUMAN-OFDM256
- Dải tần công tác 5-6GHz
- Cung cấp QoS hỗ trợ các dịch vụ thời gian thực (voice và video)
 Chuẩn IEEE 802.16c mô tả chi tiết hệ thống trong dải tần 10-66 GHz
 Chuẩn IEEE 802.16d (802.16-2004) kết hợp các chuẩn 802.16-2001,
802.16a, 802.16b và 802.16c, cải thiện các chuẩn cơ bản và mô tả chi tiết cho
hệ thống truy nhập băng thông rộng không dây cố đinh & di trú. Chuẩn
802.16d được sử dụng cho chuẩn WiMAX cố đinh.
 Chuẩn IEEE 802.16e (802.16-2005) bổ sung tính di động cho các chuẩn
hiện tại, sử dụng kỹ thuật OFDM theo tỉ lệ S-OFDM (Scalabe-OFDM) thay
OFDM, hỗ trợ chuyển giao ở tốc độ di chuyển cao. Chuẩn 802.16e được sử
dụng cho chuẩn WiMAX di động.
1.4.2 Chuẩn WiMAX cố đinh (IEEE 802.16d)
Chuẩn WiMAX cố đinh dựa trên chuẩn IEEE 802.16d được chứng nhận
vào tháng 6-2004. Các đặc điểm cơ bản của WiMAX cố đinh:

14


Chương 1. Công nghệ WiMAX

- Kỹ thuật đa truy nhập OFDM-TDMA hoặc sử dụng kỹ thuật đa truy nhập
OFDMA, lớp vật lý vô tuyến MAN-OFDM
- Dải tần dưới 11GHz. Các băng tần đang được xem xét cho WiMAX cố
đinh: băng tần cấp phép 5,8GHz và không cấp phép 2,5GHz, 3,5GHz.
- Đường truyền không trong tầm nhìn thẳng NLOS
- Kỹ thuật song công TDD và FDD
- Hỗ trợ truy nhập không dây cố đinh và nomadic (thiết bị đầu cuối như
laptop, PDA có thể di chuyển vị trí nhưng cố đinh khi kết nối).
- Độ rộng băng tần có thể lựa chọn từ 1,25 đến 20 MHz

- Tốc độ dữ liệu tối đa 75Mb/s với độ rộng băng tần 20 MHz
- Kỹ thuật điều chế thích ứng từ BPSK/QPSK đến 64QAM
- Kỹ thuật điều chế đa sóng mang FFT 256-OFDM (256 sóng mang phụ)
- Cấu hình mạng điểm-đa điểm PMP và mạng mắt lưới MESH
- Hỗ trợ QoS
1.4.3 Chuẩn WiMAX di động (IEEE 802.16e)
Chuẩn WiMAX di động dựa trên chuẩn IEEE 802.16e được chứng nhận vào
tháng 12-2005. Chuẩn WiMAX di động có thay đổi và bổ sung so với chuẩn
cố đinh để hỗ trợ tính di động và chuyển giao. Các đặc điểm cơ bản của
WiMAX di động:
- Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao theo tỉ lệ S-OFDMA,
lớp vật lý vô tuyến MAN-OFDMA
- Dải tần dưới 11GHz. Các băng tần đang được xem xét cho WiMAX di
động: băng tần không cấp phép 2,5GHz, 3,5GHz.
- Đường truyền không trong tầm nhìn thẳng NLOS

15


Chương 1. Công nghệ WiMAX

- Kỹ thuật song công TDD và FDD
- Hỗ trợ truy nhập di động, chuyển giao ở tốc độ di chuyển cao
- Độ rộng băng tần có thể lựa chọn từ 1,25 đến 20 MHz
- Tốc độ dữ liệu tối đa 15Mb/s với độ rộng băng tần 5 MHz (khi di chuyển)
và tối đa 75Mb/s với độ rộng băng tần 20 MHz (khi đứng yên)
- Kỹ thuật điều chế thích ứng từ BPSK/QPSK đến 64QAM
- Kỹ thuật điều chế đa sóng mang theo tỉ lệ FFT S-OFDMA
- Cấu hình mạng điểm-đa điểm PMP
- Hỗ trợ QoS

1.4.4 Kiến trúc giao thức WiMAX

Hình 1.5 Mô hình kiến trúc giao thức WiMAX
Mô hình kiến trúc giao thức WiMAX mô tả cho lớp vật lý PHY và lớp
lớp điều khiển truy nhập môi trường MAC (Media Access Control ). Trong đó

16


Chương 1. Công nghệ WiMAX

lớp MAC được chia thành 3 lớp con bao gồm lớp con bảo mật (Privacy
Sublayer – PS), lớp con phần chung điều khiển truy nhập môi trường (MAC
Common Part Sublayer – MAC CPS), lớp con hội tụ dịch vụ đặc trưng
(Service Specific Convergence Sublayer – CS).
a. Lớp PHY
 Lớp vật lý vô tuyến MAN-OFDM
- Sử dụng công nghệ OFDM thiết kế cho đường truyền không trong tầm
nhìn thẳng NLOS trong dải tần dưới 11GHz.
- Kỹ thuật điều chế thích ứng
- Sử dụng hệ thống anten định hướng
- Kỹ thuật kênh con hóa
- Kỹ thuật song công TDD và FDD
 WiMAX di động sử dụng công nghệ S-OFDMA nhằm mục đích:
- Bổ sung khả năng di động
- Cho phép chuyển giao ở tốc độ di chuyển cao
 Kỹ thuật ở lớp vật lý
- Kỹ thuật đồng bộ
- Kỹ thuật điều khiển công suất
- Kỹ thuật lựa chọn tần số động

b. Lớp MAC
 Lớp MAC được chia thành 3 lớp con
 Lớp con hội tụ dịch vụ đặc trưng MAC-CS
- Chức năng của lớp con hội tụ CS:

17


Chương 1. Công nghệ WiMAX

+ Nhận dữ liệu từ các lớp cao hơn
+ Phân loại dữ liệu ra các tế bào ATM (ATM cell) hoặc gói dữ liệu (packet)
+ Chuyển các khung đến lớp con phần chung CPS
- Phân chia lớp con hội tụ CS cho các giao thức của ATM và gói dữ liệu
+ Lớp con hội tụ gói dữ liệu (Packet CS): hỗ trợ Ethernet, VLAN, IPv4 và
IPv6; chặn lấy tiêu đề tải dữ liệu (payload header); hỗ trợ QoS đầy đủ.
+ Lớp con hội tụ ATM (ATM CS): hỗ trợ kết nối chuyển mạch đường ảo
kênh ảo VP/VC (Virtual Path/Virtual Channel); hỗ trợ báo hiệu đầu cuối
tới đầu cuối (end to end) của kết nối động; chặn lấy tiêu đề ATM (ATM
header); hỗ trợ QoS đầy đủ.
 Lớp con phần chung điều khiển truy nhập môi trường MAC-CPS
- Thực hiện các chức năng điều khiển truy nhập môi trường điển hình như
đánh địa chỉ
+ Mỗi trạm thuê bao SS được chỉ định một địa chỉ MAC 48 bỉt
+ Xác nhận kết nối được sử dụng như là địa chỉ sơ cấp sau khi khởi tạo
- Cách thức truy nhập môi trường được xác định theo hướng truyền dữ liệu
+ Hướng lên là đa truy nhập chỉ định theo yêu cầu – ghép kênh phân chia
theo thời gian DAMA-TDM (Demand Assigned Multiple Access – Time
Division Multiplexing)
+ Hướng xuống là ghép kênh phân chia theo thời gian TDM

- Dữ liệu được đóng gói theo định dạng chung
 Lớp con bảo mật MAC-PS
- Chức năng chính của lớp con bảo mật:
+ Cung cấp sự bảo mật kết nối bằng cách mật mã hóa dữ liệu với chuẩn mã
18


Chương 1. Công nghệ WiMAX

mật dữ liệu DES trong mô hình chuỗi liên kết khối mật mã CBC (Cipher
Block Chaining).
+ Chống ăn cắp dịch vụ bằng cách sử dụng giao thức quản lý khóa bảo mật
để xác nhận trạm thuê bao SS.
 Đánh địa chỉ MAC
- Trạm thuê bao SS có địa chỉ MAC 48 bit
- Trạm gốc BS có số hiệu trạm gốc 48 bit
- Nhận dạng kết nối CID 16 bit, sử dụng trong đơn vị dữ liệu giao thức MAC
PDU, dịch vụ kết nối định hướng.
 Đơn vị dữ liệu giao thức MAC PDU
- Khung dữ liệu MAC PDU có định dạng
Tiêu đề MAC (6 byte)

Tải trọng (tùy chọn)

CRC (tùy chọn)

+ Tiêu đề MAC 6 byte chứa thông tin điều khiển khung
+ Tải trọng (payload) có độ dài tùy biến chứa thông tin đặc trưng theo loại
khung MAC PDU. Có 3 loại MAC PDU.
+ Phần kiểm tra thứ tự khung chứa mã kiểm tra độ dư vòng CRC (tùy chọn)

- Các loại MAC PDU
+ MAC PDU dữ liệu: tải trọng là các đơn vị dữ liệu dịch vụ MAC SDU
(Service Data Unit), được truyền trong kết nối dữ liệu (data connection).
+ MAC PDU quản lý: tải trọng là các bản tin quản lý MAC, được truyền
trong kết nối quản lý (management connection).
+ MAC PDU yêu cầu băng thông: không có tải trọng mà chỉ có tiên đề

19


Chương 1. Công nghệ WiMAX

1.5 Truy nhập vô tuyến
1.5.1 Môi trường truyền sóng LOS và NLOS
WiMAX cho phép truyền tín hiệu trong môi trường trong tầm nhìn
thẳng LOS (Light of Sight) với dải tần 10-66GHz và không trong tầm nhìn
thẳng NLOS (None Light of Sight) với dải tần 2-11GHz.
 Truyền sóng trong tầm nhìn thẳng LOS yêu cầu anten phát và thu phải
nhìn thấy nhau, đồng thời khoảng hở phải lớn hơn 0,6F 1 (F1 là bán kính miền
Fresnel thứ nhất). Giá trị F1 phụ thuộc vào tần số sử dụng và khoảng cách
truyền sóng. Nếu khoảng hở nhỏ hơn 0,6F 1 do có vật cản trên đường truyền
thì tín hiệu sẽ bị suy giảm nghiêm trọng. Đường truyền trong tầm nhìn thẳng
được sử dụng cho các trạm chuyển tiếp với phạm vi phủ sóng tối đa 50km.
 Truyền sóng không trong tầm nhìn thẳng NLOS không yêu cầu anten thu
và phát phải nhìn thấy nhau. Tín hiệu được truyền đến thông qua phản xạ, tán
xạ và nhiễu xạ. Tín hiệu tại đầu thu là các tín hiệu đa đường, khác nhau về độ
trễ, cường độ tín hiệu, độ ổn định… Ưu điểm của truyền sóng không trong
tầm nhìn thẳng NLOS là đáp ứng được các điều kiện khác nhau về đường
truyền, quy hoạch mạng, giảm được chiều cao anten, cho phép đặt các thiết bị
WiMAX ở trong nhà… Để tận dụng ưu thế của truyền sóng không trong tầm

nhìn thẳng và khắc phục các hạn chế của nó, WiMAX đã sử dụng công nghệ
OFDM, kênh con hóa, kỹ thuật điều chế thích ứng, hệ thống anten thông
minh, thu phát đa đầu vào đa đầu ra (MIMO-multi input multi output).
1.5.2 Công nghệ OFDM cho truyền dẫn vô tuyến
WiMAX sử dụng công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
OFDM ở giao diện vô tuyến. Công nghệ OFDM có nhiều ưu điểm so với
FDM, CDM về tốc độ truyền dữ liệu, tỷ lệ lỗi bit, hiệu quả sử dụng phổ tần.
+ Kỹ thuật điều chế OFDM là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang trong đó

20