Nghiên cứu phương pháp chuyển giao trong mạng wimax di động

i

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành chương trình cao học và viết luận văn này, tôi đã nhận được sự
hướng dẫn, giúp đỡ và góp ý nhiệt tình của quý thầy cô trường Đại học Công nghệ
thông tin và truyền thông – Đại học Thái Nguyên.
Trước hết, tôi xin chân thành cảm ơn đến quí thầy cô trường Đại học Công
nghệ thông tin và truyền thông – Đại học Thái Nguyên, đặc biệt là những thầy cô đã
tận tình dạy bảo cho tôi suốt thời gian học tập tại trường.
Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến TS. Phạm Thanh Giang đã dành rất nhiều thời
gian và tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu và giúp tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Công nghệ thông tin
và truyền thông – Đại học Thái Nguyên đã tạo rất nhiều điều kiện để tôi học tập và
hoàn thành tốt khóa học.
Xin cảm ơn các bạn bè, đồng nghiệp đã tạo diều kiện cũng như đã chỉ bảo tôi rất
nhiều trong thời gian thực hiện luận văn này.
Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn gia đình đã động viên và tạo mọi điều kiện
thuận lợi để tôi có được kết quả như ngày hôm nay.
Thái Nguyên, ngày 01 tháng 6 năm 2013
Học viên
Lương Phúc Thanh


ii

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đề tài luận văn “Nghiên cứu phương pháp chuyển giao trong
mạng wimax di động” là công trình nghiên cứu của bản thân tôi. Các số liệu, kết quả
nghiên cứu nêu trong luận văn này là trung thực và không sao chép y nguyên từ một công
trình nào khác. Tôi xin chịu trách nhiệm về luận văn của mình.

Thái Nguyên, tháng 06/2013
Người viết luận văn

Lương Phúc Thanh


iii

MỤC LỤC


iv

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
AAS
AES
AK
ARQ
BER
BPSK
BS
CDMA
CID
CP
CRC
DFS
FDD
GSM

Advanced Antenna Systems - Các hệ thống anten thích nghi

Advanced Encryption Standard - Chuẩn mã hóa nâng cao
Authentication Key - Khóa chứng thực
Automatic Repeat reQuest - Tự động lặp lại yêu cầu
Bit Error Rate - Tỉ lệ lỗi bit
Binary Phase Shift Keying - điều chế pha nhị phân
Base Station - Trạm gốc
Code Division Multiple AcceMS - Đa truy cập phân chia theo mã
Connection Identifier - Định danh kết nối
Cyclic Prefix - Tiền tố vòng
Cyclic Redundancy Check - Kiểm tra lỗi dư vòng
Dynamic Frequency Selection – Lựa chọn tần số động
Frequency Division Duplex - Ghép kênh phân chia theo tần số
Global System for Mobile communications - Hệ thống thông tin di

HHO
HO
IEEE

động toàn cầu
Hard handoff – Chuyển giao cứng
Handover – Chuyển giao
Institute of Electrical and Electronics Engineers - Học Viện của các

LOS
MAC
MAN
MDHO
MIMO
MISO
MS

NLOS
OFDM

Kỹ Sư Điện và Điện Tử
Line Of Sight - Tầm nhìn thẳng
Media AcceMS Control - Điều khiển truy nhập môi trường
Metropolitan Area Network – Mạng đô thị
Macro Diversity Handover - Chuyển giao đa dạng
Multiple Input Multiple Output - Nhiều đầu vào, nhiều đầu ra
Multiple Input Single Output - Nhiều đầu vào, một đầu ra
Mobile Station - Trạm di động
Non–Line-Of-Sight - Không tầm nhìn thẳng
Orthogonal Frequency Division Multiplexing - Ghép kênh phân chia

OFDMA

theo tần số trực giao
Orthogonal Frequency Division Multiple AcceMS - Đa truy cập ghép

PDU
QoS
RF
SA
SDU

kênh chia tần số trực giao
Packet Data Unit - Đơn vị gói dữ liệu
Quality of Service - Chất lượng dịch vụ
Radio Frequency - Tần số vô tuyến
Security AMSociation – Tập hợp bảo mật

Service Data Unit - Đơn vị dữ liệu dịch vụ


v
SNR
MS
TDM
TEK
UDP
WiMAX
WLAN

Signal-to-Noise Ratio – Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu
Subscriber Station - Trạm thuê bao
Time Division Multiplexing – Ghép kênh phân chia theo thời gian
Traffic Encryption Key - Khóa mã hóa lưu lượng
User Datagram Protocol
Worldwide interoperability for Microwave AcceMS
WireleMS Local Area Network – Mạng cục bộ không dây


vi

DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Tổng kết các chuẩn 802.16...............................................................9
Bảng 1.2: Các thông số S-OFDMA..................................................................18
Bảng 1.3: Chất lượng dịch vụ và ứng dụng WiMAX di động.........................23
Bảng 1.4: Các lựa chọn anten tiên tiến.............................................................29
Bảng 1.5: Các tốc độ dữ liệu cho cấu hình SIMO/MIMO...............................30

vii

DANH SÁCH HÌNH ẢNH, HÌNH VẼ, SƠ ĐỒ
Hình 1.1: Mô hình phân lớp trong hệ thống WiMax so sánh với OSI.............7
Hình 1.2: Mô hình tham chiếu mạng Wimax..................................................10
Hình 1.3: Kiến trúc mạng WiMAX trên cơ sở IP............................................11
Hình 1.4: Cấu hình điểm đa điểm WiMAX......................................................13
Hình 1.5: Cấu hình mạng mắt lưới WiMAX....................................................13
Hình 1.6: Mô hình tổng quát mạng WiMAX....................................................14
Hình 1.7: Kiến trúc cơ bản của một hệ thống OFDM......................................14
Hình 1.8: Mô tả CP trong cấu trúc OFDM.....................................................15
Hình 1.9: Cấu trúc sóng mang con OFDMA....................................................17
Hình 1.10: Kênh con phân tập tần số DL..........................................................17
Hình 1.11: Cấu trúc tile cho UL PUSC.............................................................19
Hình 1.12: Cấu trúc khung WiMAX OFDMA................................................19
Hình 1.13: Phân lớp MAC và các chức năng...................................................19
Hình 1.14: Định dạng MAC PDU.....................................................................20
Hình 1.15: Hỗ trợ QoS WiMAX di động..........................................................23
Hình 1.16: Chuyển mạch thích ứng cho anten thông minh..............................31
Hình 1.17: Cấu trúc khung đa vùng..................................................................32
Hình 1.18: Tái sử dụng phân đoạn tần số.........................................................32
Hình 1.19: Hỗ trợ MBS được ấn định với WiMAX di động các vùng MBS. .34
Hình 2.1: Mô tả chuyển giao cứng....................................................................36
Hình 2.2 : Mô tả các thủ tục thực hiện trong quá trình lựa chọn tế bào...........38
Hình 2.3 : Lựa chọn tế bào khác nhau .............................................................41
Hình 2.4 : Tin Nhắn trong việc MS khởi xướng chuyển giao ........................43


viii

Hình 3.1: Tổng quan về NS dưới góc độ người dung......................................50
Hình 3.2 : Luồng các sự kiện cho file Tcl chạy trong NS ..............................52
Hình 3.3 : Kiến trúc của NS-2 ..........................................................................53
Hình 3.4: C++ và OTcl: Sự đối ngẫu ..............................................................53
Hình 3.5: TclCL hoạt động như liên kết giữa A và B ...................................54
Hình 3.6: Cập nhật Ubuntu……........………………………………………...57
Hình 3.7: Giao diện chạy thử TCL...................................................................61
Hình 3.8: Giao diện chạy thử NAM..................................................................62
Hình 3.9: Kịch bản mô phỏng .........................................................................63
Hình 3.10: Thời chuyển giao cho chuyển giao đầu tiên .................................67
Hình 3.11: Thời chuyển giao cho chuyển giao thứ hai ....................................68


1
PHẦN MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, các dịch vụ ứng dụng trên Internet đã có bước phát
triển bùng nổ với nhiều loại hình dịch vụ mới như các dịch vụ mua bán trực tuyến,
ngân hàng, du lịch hay các dịch vụ đào tạo từ xa, game trực tuyến... Cùng với sự phát
triển bùng nổ của các loại hình dịch vụ trên Internet, các công nghệ truy cập cũng liên
tục được phát triển để đáp ứng những đòi hỏi ngày càng cao về băng thông cho truy
cập Internet. Các công nghệ truy cập băng rộng đã được phát triển nhanh chóng trong
những năm gần đây bao gồm các công nghệ truy cập hữu tuyến và công nghệ vô tuyến.
Một loạt các chuẩn về mạng truy cập băng rộng đã được nhiều tổ chức nghiên cứu,
xây dựng và phát triển như chuẩn IEEE 802.11x, IEEE 802.15, IEEE 802.16, IEEE
802.20, HIPERLAN 1/2, HomeRF, chuẩn Bluetooth,vv... Phạm vi ứng dụng của các
chuẩn này bao trùm từ mạng cá nhân (PAN), mạng nội bộ (LAN), mạng diện rộng
(MAN) và mạng diện rộng (WAN).
Hệ thống WiMAX được sản xuất dựa trên họ tiêu chuẩn IEEE 802.16 đang được
các hãng cung cấp thiết bị cũng như nhà cung cấp dịch vụ quan tâm đặc biệt. Các hệ
thống WiMAX cố định dựa trên chuẩn 802.16-2004 đã được sản xuất, đưa vào thử

nghiệm và đã được diễn đàn WIMAX cấp chứng nhận đã cho thấy rõ những ưu điểm
của công nghệ này. Hệ thống WiMAX di động dựa trên tiêu chuẩn 802.16e cũng đang
được các nhà cung cấp thiết bị lên kế hoạch để đưa thiết bị vào thử nghiệm trong thời
gian tới.
WiMax tập trung giải quyết các vấn đề trong mạng vô tuyến ngoài trời băng
rộng điểm – điểm, điểm – đa điểm. Hoạt động của WiMAX rất mềm dẻo và tương tự
như của WiFi khi truy cập mạng tức là khi một máy tính có nhu cầu truy cập mạng thì
nó sẽ tự động kết nối đến trạm anten WiMAX gần nhất. Hệ thống WiMAX cũng đảm
bảo cung cấp dịch vụ trong khi di chuyển giữa các BS WiMAX. Tuy nhiên việc di
chuyển giữa các BS gây trễ một khoảng thời gian để thực hiện việc chuyển giao gây


2
gián đoạn kết nối và ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ. Mục tiêu của đề tài “Nghiên
cứu phương pháp chuyển giao trong mạng wimax di động” tìm hiểu về mạng
WiMAX, phương pháp chuyển giao trong mạng WiMAX và đánh giá về độ trễ chuyển
giao trong một số mô hình mạng WiMAX. Luận văn tốt nghiệp sẽ gồm 03 chương cụ
thể như sau:
Chương I: Tổng quan công nghệ wimax di động
Giới thiệu lịch sử, quá trình phát triển wimax và hệ thống chuẩn 802.16
Tìm hiểu cấu trúc lớp vật lý (PHY) và lớp MAC của wimax di động
Các đặc trưng tiên tiến của Wimax di động
Chương II: Phương pháp chuyển giao trong công nghệ wimax di động.
Đi sâu nghiên cứu các phương pháp chuyển giao và quá trình chuyển giao để
tiến hành đánh giá hiệu suất các phương pháp chuyển giao
Chương III: Mô phỏng phương pháp chuyển giao trong Wimax
Giới thiệu công cụ mô phỏng NS2, xây dựng kịch bản mô phỏng và đánh giá kết
quả mô phỏng

3
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX
1.1 Giới thiệu về công nghệ WiMAX.
1.1.1 Mở đầu.
WiMAX (World interoperability for Microwave AcceMS): Khả năng khai thác
liên mạng trên toàn cầu đối với truy nhập vi ba, là một công nghệ dựa trên các chuẩn,
cho phép truy cập băng rộng vô tuyến đến đầu cuối (last mile) như một phương thức
thay thế cho cáp và DSL.
Công nghệ này hiện đang phát triển rất nhanh với khả năng triển khai trên
phạm vi rộng và được coi là có tiềm năng to lớn mang lại khả năng kết nối Internet tốc
độ cao tới các gia đình và công sở. WiMAX cho phép kết nối băng rộng vô tuyến cố
định, bán cố định (nomadic:người sử dụng có thể di chuyển nhưng cố định trong lúc
kết nối), mang xách được (người sử dụng có thể di chuyển với tốc độ đi bộ) và cuối
cùng là di động mà không cần thiết ở trong tầm nhìn thẳng (Line-of-Sight) trực tiếp tới
một trạm gốc. Trong một bán kính của một cell điển hình là từ 3 đến 10km, các hệ
thống đã được Diễn đàn WiMAX (WiMAX Forum) chứng nhận sẽ có công suất lên tới
40Mbit/s mỗi kênh cho các ứng dụng truy cập cố định và mang xách được.
WiMax là công nghệ được được tối ưu hóa cho truyền dữ liệu tốc độ cao cho
người sử dụng các dịch vụ cố định và di động. Trong khi, 3G được tối ưu hóa cho dịch
vụ giọng nói, còn truyền dữ liệu lại chậm hơn đối với người sử dụng cần di chuyển ở
một tốc độ nhất định trong khu vực phủ sóng.
1.1.2 Sự phát triển của công nghệ WiMAX.
Hiện nay WiMAX mới chỉ được thử nghiệm rải rác ở một số khu vực trên thế
giới. Tuy phát triển sau nhưng WiMAX lại hứa hẹn những tiềm năng to lớn, đặc biệt
khi người ta chứng kiến những khó khăn về mặt kỹ thuật mà các thành phố lớn như


4
Philadelphia (Mỹ) phải đối mặt trong quá trình phủ sóng Wi-Fi trên diện rộng. Vấn đề

bảo mật, và sự không phù hợp với các mạng kết nối Internet phạm vi hẹp sẵn có, với
việc sử dụng băng tần 2,4 GHz chỉ là một vài trong số nhiều vấn đề phát sinh khi triển
khai WiFi hiện nay. Bên cạnh đó Tập đoàn Intel đã liên tục vận động và ủng hộ chuẩn
WiMAX 802.16, mới đây họ đã đầu tư tới 600 triệu USD cho Clearwire, hãng cung
cấp dịch vụ không dây tốc độ cao cho ngời tiêu dùng tại Mỹ.
WiMAX là một công nghệ mới, đang trong quá trình xây dựng, thử nghiệm để
tiến tới hoàn thiện. Việc lựa chọn công nghệ, giải pháp và thiết bị sẽ do các nhà khai
thác quyết định
1.1.3 Hoạt động WiMAX.
Thực tế WiMAX hoạt động tương tự WiFi nhưng ở tốc độ cao và khoảng cách
lớn hơn nhiều. Một hệ thống WiMAX gồm hai phần:
+ Trạm gốc WiMax: trạm gốc bao gồm thiết bị điện tử trong nhà và tháp
WiMax. Thông thường, một trạm gốc có thể phủ sóng trong bán kính 10 km (theo lý
thuyết, một trạm gốc có thể phủ sóng trong bán kính 50 km). Mọi node vô tuyến bên
trong vùng phủ sóng có thể truy cập internet.
+ Máy thu WiMax: máy thu và anten có thể là hộp riêng lẻ hoặc card PC ở trong
máy tính hay máy tính xách tay. Truy cập tới trạm gốc WiMax tương đương với truy
cập tới điểm truy cập vô tuyến trong mạng WiFi, nhưng vùng phủ sóng lớn hơn. Một
vài trạm gốc được kết nối với một trạm gốc khác vởi việc sử dụng các liên kết sóng vi
ba backhaul tốc độ cao
Các trạm gốc được kết nối tới mạng internet thông qua các đường truyền tốc độ
cao dành riêng hoặc có thể được nối tới một trạm gốc khác như một trạm trung chuyển
bằng đường truyền thẳng (line of sight), và chính vì vậy WiMAX có thể phủ sóng đến
những vùng rất xa. Các Anten thu/phát có thể trao đổi thông tin với nhau qua các tia
sóng truyền thẳng hoặc các tia phản xạ. Trong trường hợp truyền thẳng, các anten được


5
đặt cố định trên các điểm cao, tín hiệu trong trường hợp này ổn định và tốc độ truyền
có thể đạt tối đa. Điều này cho phép thuê bao WiMax chuyển vùng từ một trạm gốc

này tới vùng trạm gốc khác, giống như chuyển vùng được cho phép bởi các công ty
điện thoại tổ ong.
Băng tần sử dụng có thể dùng ở tần số cao đến 66 GHz 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 tia phản xạ, WiMAX sử dụng băng tần thấp hơn, 2-11GHz, 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.
1.1.4 Đặc điểm của WiMAX.
WiMAX đã được tiêu chuẩn hóa 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 các trạm thu và phát có thể tới 50km (theo lý thuyết).
+ Tốc độ truyền có thể thay đổi, tối đa là 70Mbit/s.
+ 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- 66 GHz hiện đã và đang được tiêu chuẩn
hóa. Các băng tần được cấp phép: 2,3 GHz (2,3 – 2,4 GHz); 2,5 GHz (2,5 – 2,7 GHz);
3,5 GHz (3,4 – 3,7 GHz).
+ 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 thông tin được chia thành 32 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 hóa, với mã hóa sửa lỗi Reed
Solomon, mã xoắn tỉ lệ từ 1/2 đến 7/8.


6
+ 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 AcceMS).
+ Cho phép sử dụng cả hai công nghệ TDD (Time division duplexing) và
FDD(Frequency Division Dublexing) 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
tiếp ứng (convergence) làm nhiệm vụ giao diện giữa lớp đa truy nhập và các lớp trên, lớp
đa truy nhập (MAC layer), lớp truyền dẫn (TransmiMSion layer ) và lớp vật lý (physical
layer ). Các lớp này tương đương với hai lớp dưới của mô hình OSI và được tiêu chuẩn
hóa để có thể giao tiếp với nhiều ứng dụng lớp trên như mô tả ở hình 1.1 dưới đây

Hình 1.1: Mô hình phân lớp trong hệ thống WiMax so sánh với OSI
Các ưu điểm nổi bật của WiMAX:
+ Kiến trúc mềm dẻo: WiMAX hỗ trợ một vài kiến trúc hệ thống, bao gồm
điểm tới điểm, điểm tới đa điểm và bao phủ khắp nơi. MAC (Điều khiển truy nhập đa
phương tiện) WiMAX hỗ trợ điểm tới đa điểm và các dịch vụ ở khắp nơi bằng cách sắp
xếp một khe thời gian cho mỗi trạm thuê bao (MS). Nếu chỉ có một MS trong mạng,


7
thì trạm gốc WiMAX sẽ thông tin với MS trên cơ sở điểm tới điểm. Một BS trong cấu
hình điểm tới điểm có thể sử dụng một Anten bup hẹp hơn để phủ các vùng lớn hơn.
+ Bảo mật cao: WiMAX hỗ trợ ASE (chuẩn mật mã hóa tiên tiến) và 3DES
(chuẩn mật mã hóa số liệu). Bằng cách mật mã hóa các liên kết giữa BS và MS,
WiMAX cung cấp các thuê bao riêng (chống nghe trộm) và bảo mật trên giao diện
không dây băng rộng.
+ Triển khai nhanh: So với sự triển khai của các dải pháp dây, WiMAX yêu
cầu ít hoặc không yêu cầu kế hoạch mở rộng. Ví dụ, đào hỗ để hỗ trợ rãnh của các cáp
không được yêu cầu. Các nhà khai thác co giấy phép để sử dụng một trong các băng
tần được cấp phát, hoặc có kế hoạch để sử dụng một trong các băng tần không được

cấp phép, không cần thiết xem xét sâu hơn các ứng dụng cho Chính Phủ. Khi Anten và
thiết bị được lắp đặt và được cấp nguồn, WiMAX sẽ sẵn sàng phục vụ. Trong hầu hết
các trường hợp, triển khai WiMAX có thể hoàn thành trong khoảng mấy giờ, so với
mấy tháng so với các giải pháp khác.
+ 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 các người sử dụng đầu cuối.
+ Độ bao phủ rộng hơn: WiMAX hỗ trợ các điều chế đa mức, bao gồm BPSK,
QPSK,16-QAM và 64-QAM. Khi được trang bị với bộ khuyếch đại công suất lớn và
hoạt động với điều chế mức thấp (Ví dụ: BPSK hoặc QPSK), các hệ thống WiMAX có
thể bao phủ một vùng địa lý rộng khi đường giữa BS và MS thông suốt.
+ Hiệu quả giá cả: WiMAX dựa trên tiêu chuẩn quốc tế mở. Sự thông qua đa
số của chuẩn, và sử dụng giá thấp, các chíp sét được sản xuất hàng loạt sẽ điều khiển
giá hạ xuống và cạnh tranh gía cả sẽ cung cấp sự tiết kiệm giá cả cho các nhà cung cấp
dịch vụ và các người sử dụng đầu cuối
+ Dịch vụ đa mức: Là loại mà QoS đạt được dựa vào hợp đồng mức dịch vụ
(SLA) giữa nhà cung cấp dịch vụ và người sử dụng. Hơn nữa, một nhà cung cấp dịch


8
vụ có thể đưa ra các SLA khác nhau cho những người đăng ký khác nhau, hoặc thậm
chí cho những người sử dụng khác nhau trong cùng một MS.
+ Khả năng cùng vận hành: WiMAX dựa vào các chuẩn cung cấp trung lập,
quốc tế, làm cho người sử dụng đầu cuối dễ dàng truyền tải và sử dụng MS của họ tại các
vị trí khác nhau, hoặc với các nhà cung cấp dịch vụ khác nhau. Khả năng cùng vận hành
bảo vệ vốn đầu tư ban đầu của nhà khai thác vì nó có thể chọn thiết bị từ các đại lý thiết bị
khác nhau, và nó sẽ tiếp tục làm giảm giá thiết bị.
+ Khả năng mang theo được: Với các hệ thống tổ ong hiện nay, khi MS
WiMAX được cấp công suất, nó tự nhận dạng, xác định các đặc tính của liên kết với
BS, chỉ cần MS được đăng ký trong cơ sở dữ liệu hệ thống, và sau đó đàm phán các

đặc tính truyền dẫn phù hợp
1.2 Hệ thống chuẩn IEEE 802.16
1.2.1 Chuẩn 820.16 - phê duyệt vào tháng 12/2001:
Xác định giao diện vô tuyến (Air Interface)của truy cập miền rộng (WirelleMS
MAN) trong băng tần miễn cấp phép 10- 66 GHz (chặng cuối của truy nhập mạng) với
truy nhập đường truyền tầm nhìn thẳng (LOS). Đồng thời chuẩn cũng định nghĩa lớp
điều khiển truy nhập môi trường ( MAC) với các đặc tính hỗ trợ cho các lớp vật lý tuỳ
biến theo băng tần sử dụng. Lớp MAC cho phép các luồng đa dịch vụ với các thông số
QoS khác nhau trên cùng một trạm thuê bao.
1.2.2 Chuẩn 802.16a- 29/1/2003:
IEEE 802.16a là một phiên bản sửa đổi từ chuẩn cơ bản, được thông qua bởi chuẩn
băng rộng IEEE trong 1/2003. Quan trọng hơn, chuẩn IEEE 802.16a mở rộng thêm sự
hỗ trợ trong băng tần cho phép 2-11GHz. Chuẩn IEEE 802-16a bao gồm cả việc đặc tả
lớp PHY và tăng lớp MAC để phù hợp với sự truyền dẫn đa đường và việc giảm bớt
các giao diện. Các đặc trưng đó được thêm vào để cho phép các kỹ thuật quản lý cụng
suất tiến tiến và ma trận anten thích ứng.


9
1.2.3 Chuẩn 802.16d( 802.16-2004)- 6/2004:
Chuẩn 802.16d được thiết kế để xác định các đặc tả của giao diện vô tuyến (air
interface) bao gồm cả tầng điều khiển truy nhập ( MAC) và tầng vật lý của hệ thống
truy nhập vô tuyến băng rộng cố định (BWA), bổ sung và củng cố cho các chuẩn
cùng họ từ trước.
1.2.4 Chuẩn 802.16e - 2005
Được thiết kế để hỗ trợ cho truy nhập băng rộng di động. Nó tăng cường tính
năng mới cho OFDMA thành SOFDMA ( Scalable OFDMA)của lớp vật lý và bổ sung
thêm các tính năng mới cho mạng cố định, di động.
1.2.5 Các bổ sung cho chuẩn đang trong quá trình nghiên cứu:
+ 802.16f - Quản lý cơ sở thông tin ( Management Information Base)

+ 802.16g - Quản lý thủ tục kế hoạch và dịch vụ ( Management Plane
Procedures and Services)
+ 802.16h - Tăng cường cơ chế cùng tồn tại đối với hoạt động trong vùng phân
bổ tần số.
+ 802.16i - Quản lý di động cơ sở thông tin( Mobile Management Information
Base)
Bảng 1. 1: Tổng kết các chuẩn 802.16
Ngày hoàn

802.16

802.16a

802.16 - 2004

802.16e

thành
Phổ tần
Các điều kiện

12-2001
10-66 GHz
Chỉ tầm nhìn

1-2003
<11 GHz
Tầm nhìn không

6 - 2004

<11 GHz
Tầm nhìn

2005
<6 GHz
Tầm nhìn

kênh

thẳng

Tốc độ bít

32-134 Mbps

thẳng
75 Mbps trong

không thẳng
75 Mbps trong

không thẳng
15 Mbps

kênh 20 MHz

kênh 20 MHz

trong kênh 5
MHz

Điều chế

QPSK,

256 sóng mang

256 sóng mang

con OFDM,

con OFDM,

Giống như


10

16QAM,
64AQM

QPSK, 16QAM,

QPSK,

64QAM

16QAM,

Tính di động

Cố định

Cố định

64QAM
Cố định

Băng tần kênh

20, 25, và 28

Lựa chọn giữa

Lựa chọn giữa

MHz

1,25-20 MHz

1,25-20 MHz

802.16a

Di động
Giống như
802.16a với
các kênh con
đường xuống

Bán kính tế

2-5 Km

7- 40 Km

7- 40 Km

2 - 5 Km

bào đặc trưng
1.3 Kiến trúc mạng WiMAX.
1.3.1 Kiến trúc mạng WiMAX
Kiến trúc mạng Wimax chứa các thủ tục và các quy tắc để làm cách nào mà
mạng hỗ trợ tính di động, bảo mật, tương tác mạng và nhận thực với một trạm thuê bao
Wimax.

Hình 1.2: Mô hình tham chiếu mạng Wimax
Việc miêu tả kiến trúc mạng được trình bày trong hình 1.3. Nó chứa các thực
thể như các trạm thuê bao (di động) MS (MMS), mạng dịch vụ truy nhập ASN, và
mạng dịch vụ kết nối CSN. Hình 1.3 chứa các giao diện giữa các thực thể khác nhau.


11
Các giao diện này định nghĩa các thủ tục và các giao thức và các liên kết logic, liên kết
vật ly truy nhập các thực thể.

Hình 1.3: Kiến trúc mạng WiMAX trên cơ sở IP
Các tiêu chuẩn mạng cho các hệ thống WiMAX được xây dựng trên một số
nguyên tắc kiến trúc mạng cơ sở bao gồm:

- Đảm bảo phân tách logic giữa các thủ tục như: đánh địa chỉ IP, định tuyến, các
thủ tục quản lý kết nối và các giao thức để có thể sử dụng các phần tử kiến trúc cơ bản
trong các kịch bản đứng riêng hay triển khai tương tác.
- Hỗ trợ dùng chung các ASN của các nhà cung cấp truy nhập mạng (NAP:
Network Acces Provider) giữa các nhà cung cấp dịch vụ mạng NSP.
- Cho phép một nhà cung cấp dịch vụ mạng cung cấp dịch vụ trên nhiều ASN
được quản lý bởi một hay nhiều nhà cung cấp truy nhập mạng NAP.
- Hỗ trợ MS (hay MS) phát hiện và lựa chọn các NSP khả truy nhập.
- Hỗ trợ NAP sử dụng một hay nhiều cấu hình ASN.
- Hỗ trợ hầu hết các kịch bản thông thường khi một nhà khai thác triển khai
ASN cùng với tập hữu hạn các chức năng CSN, để nhà khai thác có thể cung cấp dịch
vụ truy nhập internet không có chuyển mạng và tương tác.


12
1.3.1.1 Mạng dịch vụ truy nhập ASN
ASN bao gồm một hay nhiều cổng ASN và các trạm gốc, bao phủ vô tuyến
WiMAX được cung cấp đến một vùng địa lí. Một ASN quản lí truy nhập MAC về mặt
chức năng như đệm, định vị, quản lý nguồn vô tuyến RRM và tính di động giữa các BS.
ASN quản lí các liên kết vô tuyến WiMAX, đưa ra nhiều mức quản lí cao đến
CSN. ASN cũng có thể được dùng như một sự ủy quyền, như trong trường hợp của IP
di động ủy quyền (MIP).
ASN trình bày một ranh giới cho tính tương tác về chức năng với một máy
khách WiMAX, các chức năng dịch vụ kết nối WiMAX và việc tập hợp các chức năng
được bao gồm bởi nhiều nhà cung cấp khác nhau.
1.3.1.2 Mạng dịch vụ kết nối CSN
Một CSN là một tập hợp các chức năng mạng mà cung cấp kết nối IP đến các
trạm thuê bao WiMAX. CSN chứa các cổng để truy nhập Internet, các bộ định tuyến,
các máy chủ hay các ủy quyền cho AAA, phân phối IP, cơ sở dữ liệu của người dùng
và các thiết bị tương tác mạng. Nó cũng quản lý việc cấp phát và chính sách điều

khiển, tính di động giữa ASN và các dịch vụ WiMAX cụ thể như các dịch vụ trên cơ
sở định vị hay các dịch vụ tuân theo quy luật.
1.3.2 Cấu hình mạng
1.3.2.1 Cấu hình điểm đa điểm PMP (point multi point)
PMP là một mạng truy nhập với một hoặc nhiều BS có công suất lớn và nhiều
MS nhỏ hơn. MS có thể sử dụng các anten tính hướng đến các BS, ở các BS có thể có
nhiều anten có hướng tác dụng theo mọi hướng hay một cung.Với cấu hình này trạm
gốc BS là điểm trung tâm cho các trạm thuê bao MS. ở hướng DL có thể là quảng bá,
đa điểm hay đơn điểm.


13

Hình 1.4: Cấu hình điểm đa điểm WiMAX
1.3.2.2 Cấu hình mắt lưới MESH
Với cấu hình này MS có thể liên lạc trực tiếp với nhau. Trạm gốc MESH BS kết
nối với một mạng ở bên ngoài mạng MESH. Một số điểm phân biệt như sau:
Neighbor: Kết nối trực tiếp đến một node mạng
Neighborhood: Tất cả các neighbor của một node tạo ra neighorhood
Một mạng MESH có thể sử dụng hai loại lập lịch quảng bá. Với kiểu lập lịch
phân tán, các hệ thống trong phạm vi hai bước của mỗi node khác nhau chia sẻ các
danh mục và hợp tác để đảm bảo tránh xung đột và chấp nhận tài nguyên.

Hình 1.5: Cấu hình mạng mắt lưới WiMAX
1.3.3 Mô hình tổng quát mạng WiMAX


14

Hình 1.6: Mô hình tổng quát mạng WiMAX

1.4 Lớp vật lý (PHY) của WiMAX di động
1.4.1 Cơ sở OFDMA
Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) là một kỹ thuật ghép kênh
chia nhỏ băng thông thành nhiều sóng mang con tần số như trong hình 1.7 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 (vì vậy tăng khoảng ký hiệu) và mỗi luồng con được điều chế,
được phát trên một sóng mang con trực giao riêng. Khoảng thời gian ký hiệu tăng cải
thiện độ mạnh của OFDM cho trải trễ.

Hình 1.7: Kiến trúc cơ bản của một hệ thống OFDM


15
Hơn nữa, tiền tố vòng (CP) có thể loại trừ hoàn toàn nhiễu ký hiệu (ISI) chỉ cần
khoảng thời gian CP dài hơn trải trễ kênh. CP thường là sự lặp lại các mẫu trước đó của
phần dữ liệu khối được gắn vào điểm bắt đầu tải trọng dữ liệu như trong hình 1.8. CP
ngăn chặn nhiễu khối, tạo vòng xuất hiện kênh và cho phép cân bằng miền tần số ít
phức tạp. Mặt hạn chế của CP là nó đưa ra tiêu đề (overhead) làm giảm hiệu quả băng
thông. Khi mà CP làm giảm một phần băng thông, thì ảnh hưởng của CP giống với “hệ
số roll-off” trong hệ thống đơn sóng mang sử dụng bộ lọc cosin tăng. Trong OFDM,
một phần lớn băng thông kênh được cấp phát có thể được sử dụng cho truyền dẫn dữ
liệu, điều này có thể làm giảm tổn thất hiệu quả vì tiền tố vòng.

Hình 1.8: Mô tả CP trong cấu trúc OFDM
OFDM khai thác phân tập tần số của kênh đa đường bởi mã hoá và đan xen
thông 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), mà cho phép một số lượng
lớn sóng mang con (lên tới 2048) với độ phức tạp thấp. Trong một hệ thống OFDM, tài
nguyên khả dụng trong miền thời gian là các ký hiệu OFDM và trong miền tần số là
các sóng mang con. Các tài nguyên thời gian và tần số có thể được sắp xếp thành các

kênh con để cấp phát cho từng người sử dụng. Đa truy nhập ghép kênh phân chia theo
tần số trực giao (OFDMA).
1.4.2 Cấu trúc ký hiệu OFDMA và kênh con hoá
Cấu trúc ký hiệu OFDMA gồm có 3 loại sóng mang con
• Sóng mang con dữ liệu để truyền dẫn dữ liệu.


16
• Sóng mang con hoa tiêu cho mục đích ước tính và đồng bộ.
• Sóng mang con Null 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 lý OFDMA WiMAX hỗ trợ kênh con trong cả DL và UL.
Đơn vị tài nguyên thời gian-tần số nhỏ nhất của phân kênh con là một khe bằn 48 tone
dữ liệu. Có hai loại hoán vị sóng mang con cho kênh con hoá: 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 lấy trung bình hoá nhiễu giữa các tế bào. Các hoán vị phân
tập bao gồm DL FUSC, DL PUSC, UL PUSC và các hoán vị không bắt buộc.

Hình 1.9: Cấu trúc sóng mang con OFDMA
Với DL PUSC, mỗi cặp ký 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 ký hiệu, có cấp phát hoa tiêu và dữ liệu ở mỗi cụm trong các ký hiệu lẻ và chẵn được
biểu diễn như trong hình 1.9.

Hình 1.10: Kênh con phân tập tần số DL


17
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 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 trong
hình 1.10. 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 1.11.

Hình 1.11: 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
ký hiệu OFDM
1.4.3 OFDMA theo tỉ lệ (scalable)
Mô hình OFDMA MAN không dây (IEEE 802.16e-2005) dựa vào khái niệm
OFDMA theo tỉ lệ (S-OFDMA). S-OFDMA hỗ trợ một dải rộng băng thông với địa chỉ
linh động cần cho cấp phát phổ khác nhau và các yêu cầu mô hình thông thường.
Tính linh động được hỗ trợ bởi điều chỉnh cỡ FFT trong khi đó cố định khoảng
cách tần số sóng mang con bằng 10,94 KHz. Các thông số S-OFDMA được liệt kê
trong bảng 1.2. Các băng thông hệ thống cho hai thiết kế ban đầu được phát triển bởi
nhóm công nghệ diễn đàn WiMAX trong phát hành 1 là 5 và 10 MHz.