Quản lý tài nguyên vô tuyến và đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng không dây băng rộng sử dụng cơ chế OFDMA TDD

..

TháI Hồng Lơng

bộ giáo dục và đào tạo
trờng đại học bách khoa hà nội

luận văn thạc sĩ kỹ thuật

điện tử viễn thông
2010 2012
Hà Nội
2012

ngành: điện tử viễn thông

Quản lý tàI nguyên vô tuyến và đảm bảo
chất lợng dịch vụ trong mạng không dây
băng rộng sử dụng cơ chế ofdma-tdd

TháI hồng lơng

Ngời hớng dẫn: PGS.TS. nguyễn hữu thanh

Hà Néi - 2012


bộ giáo dục và đào tạo
trờng đại học bách khoa hà nội

luận văn thạc sĩ Kỹ thuật

Quản lý tàI nguyên vô tuyến và đảm bảo
chất lợng dịch vụ trong mạng không dây
băng rộng sử dụng cơ chế ofdma-tdd
ngành : điện tử viễn thông
m số: CA100074c3.04.3898

TháI hồng lơng

Ngời hớng dẫn: pgs.ts. nguyễn hữu thanh

Hà nội 2012


LÝ LỊCH KHOA HỌC
(Dùng cho học viên cao học)

I. Sơ lược lý lịch:
Họ và tên:

Thái Hồng Lương

Giới tính: Nam

Sinh ngày: 7 tháng 4 năm 1972

ảnh 4x6

Nơi sinh (Tỉnh mới): Thành phố Vinh – Tỉnh Nghệ An
Quê quán: Thành phố Vinh – Tỉnh Nghệ An

Chức vụ: Phó giám đốc
Đơn vị cơng tác: Trung tâm viễn thông Nghi Lộc – Viễn thông Nghệ An
Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Khối 8, Phường Đội Cung, TP.Vinh, Tỉnh Nghệ An
Điện thoại CQ: 0383861209 ; Điện thoại NR: 0383854444;
Điện thoại di động: 0914516777
Fax: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

E-mail:

II. Quá trình đào tạo:
1. Trung học chuyên nghiệp (hoặc cao đẳng):
- Hệ đào tạo: Cao đẳng chính quy. Thời gian đào tạo: từ. 12/1995 đến 5/1999
- Trường đào tạo: Đại học Bách khoa Hà Nội
- Ngành học: Điện tử - viễn thơng. Bằng tốt nghiệp đạt loại: Trung bình.
2. Đại học:
- Hệ đào tạo: Đại học tại chức. Thời gian đào tạo: từ 11/2004 đến 12/2006
- Trường đào tạo: Học viện Bưu chính viễn thơng – Hà Đơng – Hà Nội
- Ngành học: Điện tử viễn thông. Bằng tốt nghiệp đạt loại: Giỏi
3. Thạc sĩ:
- Hệ đào tạo: Thạc sỹ kỹ thuật. Thời gian đào tạo: từ 4/2010 đến 04/2012
- Chuyên ngành học: Kỹ thuật Điện tử viễn thông (KT)
- Tên luận văn: Quản lý tài nguyên vô tuyến và đảm bảo chất lượng dịch vụ trong
mạng không dây băng rộng sử dụng cơ chế OFDMA-TDD.
- Người hướng dẫn Khoa học: PGS.TS Nguyễn Hữu Thanh


4. Trình độ ngoại ngữ (Biết ngoại ngữ gì, mức độ nào): Chứng chỉ B1 Châu Âu
III. Q trình cơng tác chuyên môn kể từ khi tốt nghiệp đại học:
Thời gian

Nơi công tác

Công việc đảm nhận

1/2007-8/2008

Trung tâm Viễn thông Nghi Lộc

Kỹ thuật viên

9/2008- nay

Trung tâm Viễn thơng Nghi Lộc

Phó giám đốc

IV. Các cơng trình khoa học đã cơng bố:
Tơi cam đoan những nội dung viết trên đây là đúng sự thật.
TP.Vinh, ngày 26 tháng 3 năm 2012
NGƯỜI KHAI KÝ TÊN

Thái Hồng Lương


LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là Thái Hồng Lương, học viên lớp cao học Điện tử- Viễn thơng, khố
2010- 2012, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Tôi xin cam đoan nội dung bản Luận văn hồn tồn là kết quả tìm hiểu,
nghiên cứu của bản thân trên cơ sở hướng dẫn của PGS.TS.Nguyễn Hữu Thanh,
giảng viên khoa Điện tử - Viễn thông, Đại học Bách Khoa Hà Nội. Trong luận văn

tôi có tham khảo một số tài liệu trong và ngồi nước và có liệt kê đầy đủ trong
mục tài liệu tham khảo. Luận văn không sao chép từ bất kỳ nguồn tài liệu nào.
Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm đối với bản luận văn của mình.
Vinh, ngày 26 tháng 3 năm 2012
Người thực hiện

Thái Hồng Lương


1

MỤC LỤC
MỤC LỤC ..............................................................................................

1

TỪ VIẾT TẮT ........................................................................................

4

DANH MỤC CÁC BẢNG .....................................................................

6

DANH MỤC CÁC HÌNH ......................................................................

7

MỞ ĐẦU ................................................................................................

9

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG WIMAX ........................

12

1.1. Giới thiệu ......................................................................................

12

1.2. Sự phát triển của chuẩn IEEE 802.16 ...........................................

12

1.3. Lớp vật lý trong IEEE 802.16 ......................................................

16

1.3.1. Điều chế đa sóng mang OFDM và đa truy nhập OFDMA ....

17

1.3.2. Các đặc tả lớp vật lý ..............................................................

18

1.3.3. Mã hóa và điều chế thích nghi ...............................................

20

1.3.4. Hệ thống antenna thích nghi ..................................................

21

1.4. Lớp MAC trong IEEE 802.16 ......................................................

21

1.4.1. MAC hỗ trợ lớp vật lý ............................................................

23

1.4.1.1. Chế độ TDD .....................................................................

23

1.4.1.2. Chế độ FDD .....................................................................

25

1.4.2. Cơ chế truy nhập kênh truyền ................................................

26

1.4.3. Các lớp dịch vụ QoS ..............................................................

27

1.4.4. Kiến trúc lập lịch ....................................................................

28

1.4.5. Phân tập đa người dùng ..........................................................

30

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ THUẬT TOÁN LẬP LỊCH ......

32

2.1. Thuật toán lập lịch và yêu cầu của ..............................................

32

2.2. Một số thuật toán lập lịch .............................................................

34

2.2.1. Thuật toán Round Robin (RR) ...............................................

34

Thái Hồng Lương – Lớp cao học – ĐTVT 2010-2012


2

2.2.2. Thuật toán max C/I .................................................................

35

2.2.3. Thuật toán Channel–Aware Round Robin (CARR) ...............

35

2.2.4. Thuật toán Proportionate Fair Scheduling (PF) ......................

37

2.2.5. Thuật tốn cross-layer ............................................................

38

2.2.6. Thuật tốn lập lịch gói tin (UEPS) ........................................

40

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ LẬP LỊCH ......................................

45

3.1. Mô hình hệ thống .........................................................................

45

3.2. Mơ hình kênh fading ....................................................................

46

3.3. Thuật toán lập lịch đề xuất ...........................................................

47

3.3.1. Hàm ưu tiên ............................................................................

47

3.3.2. Cấp phát khe thời gian ...........................................................

49

CHƯƠNG 4: THUẬT TOÁN PHÂN BỔ TẦN SỐ THÍCH ỨNG
TRONG HỆ THỐNG OFDMA .......................................................

50

4.1. Giới thiệu ......................................................................................

50

4.2. Cơ cấu khung và ký hiệu .............................................................

51

4.3. Tính toán .......................................................................................

55

4.4. Thuật toán Heuristic .....................................................................

56

4.5. Xử lý lớp MAX và lớp PHY ........................................................

61

4.6. Kết luận ........................................................................................

64

CHƯƠNG 5: ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH HOẠT ĐỘNG CỦA MỘT SỐ
THUẬT TỐN LẬP LỊCH TRONG OFDMA ………………………..

66

5.1. Phân tích hiệu năng ......................................................................

66

5.1.1. Độ trễ trung bình ....................................................................

66

5.1.2. Thơng lượng ...........................................................................

67

5.2. Kết quả mơ phỏng ........................................................................

68

5.2.1. Thiết lập các thông số mô phỏng ............................................

68

Thái Hồng Lương – Lớp cao học – ĐTVT 2010-2012


3

5.2.1.1. Mơ hình kênh ...................................................................

68

5.2.1.2. Mơ hình hệ thống .............................................................

69

5.2.2. Kết quả mô phỏng ..................................................................

70

5.2.2.1. Phân biệt hiệu năng trễ của sơ đồ APF .............................

70

5.2.2.2. Thông lượng của hệ thống APF .......................................

75

5.2.2.3. Tác động của Traffic load đến sơ đồ APF ........................

77

5.2.2.4. Tác động của số SS đến sơ đồ APF ..................................

78

5.2.3. So sánh với các sơ đồ lập lịch khác .......................................

83

5.2.3.1. So sánh với RR và PF .......................................................

83

5.2.3.2. So sánh với sơ đồ Cross –layer ........................................

86

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..........................................................

90

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................

92

Thái Hồng Lương – Lớp cao học – ĐTVT 2010-2012

4

TỪ VIẾT TẮT
AMC

Adaptive modulation and Coding

APF

Adaptive Proportional Fairness

BE

Best Effort

BER

Bit Error Rate

BPSK

Binary Phase Shift Keying

BS

Base Station

CBR

Constant Bit Rate

CSI

Channel State Information

DCD

Downlink Channel Descriptor

FDD

Frequency Division Duplex

FDMA

Frequency Division Multiple Access

FFT

fast Fourier transforms

FTP

File Transfer Protocol

HDR

High Data Rate

LOS

Line Of Sight

MAC

Medium Access Control

max C/I

Macximum Carrier-to-Interference ratio

NLOS

Non-Line Of Sight

nrtPS

non-real-time Polling Service

OFDM

Orthogonal Frequency Division Multiplexing

OFDMA

Orthogonal Frequency Division Multiple Access

PDU

Protocol Data Unit

PF

Proportional Fairness

PHY

Physical Layer

PMP

Point to Multi-Point

PS

Physical Slot

QAM

Quarter Amplitude Modulation

Thái Hồng Lương – Lớp cao học – ĐTVT 2010-2012


5

QoS

Quality of Service

QPSK

quaternary phase shift keying

RR

Round Robin

rtPS

real time Polling Service

SCa

Single Carrier

SDU

Service Data Units

SNR

Signal to Noise Ration

SS

Subscriber Station

TDD

Time Division Duplex

TDMA

Time Division Multiple Access

UGS

Unsolicited Grant Service

UCD

Uplink Channel Descriptor

VBR

Variable Bit-Rate

VoIP

Voice over IP

WLAN

Wireless Local Area Networks

WiMAX

Worldwide interoperability for Microwave Access

Thái Hồng Lương – Lớp cao học – ĐTVT 2010-2012


6

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1. Các chế độ truyền trong IEEE 802.16-2004

20

Bảng 2. Tóm tắt thơng số hệ thống

43

Bảng 3. Khoảng cách từ BS đến SS

68

Bảng 4. Các thông số kỹ thuật của khung

69

Bảng 5. Luồng dịch vụ đến của mỗi SS..........................................

69

Bảng 6. Phân tích Ti và các giá trị tương ứng

75

Bảng 7. Thiết lập các thông số trong cross-layer

87

Thái Hồng Lương – Lớp cao học – ĐTVT 2010-2012


7

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1. Một kiến trúc mạng IEEE 802.16 với mode PMP

16

Hình 1.2. IEEE 802.16 PHYs: SC OFDM và OFDMA

17

Hình 1.3. Quy trình truyền dữ liệu lớp vật lý OFDM

18

Hình 1. 4. Quy trình truyền dữ liệu lớp vật lý OFDMA

18

Hình 1.5. Điều chế thích nghi trong IEEE 802.16

21

Hình 1.6. Lớp MAC của WiMAX với SAP

22

Hình 1.7. Cấu trúc khung TDD

23

Hình 1.8. Cấu trúc khung con đường xuống TDD

24

Hình 1.9. Cấu trúc khung con đường lên TDD

25

Hình 1.10. Cấu trúc khung FDD

26

Hình 1.11. Lập lịch gói tại BS và SS

29

Hình 1.12. Cấu trúc bộ lập lịch gói đường xuống

30

Hình 2.1. Bộ lập lịch Round Robin, max C/I và CARR

36

Hình 2.2. Khái niệm cứng và mềm liên quan thời gian tuyền hữu ích

40

Hình 2.3. Khái niệm simultaneousness

41

Hình 2.4. Mơ tả một TUF của một lưu lượng truy cập RT

42

Hình 3.1. Khn dạng kiến trúc bộ lập lịch tại BS

45

Hình 4.1. Cấu trúc của khung trong các hệ thống IEEE 802.16

52

Hình 5.1. Giá trị hàm ưu tiên với các giá trị Ti khác nhau

71

Hình 5.2. Độ trễ trung bình với các giá trị Ti khác nhau theo Traffic load

72-74

Hình 5.3. Thơng lượng của sơ đồ APF theo traffic load

76-77

Hình 5.4. Độ trễ trung bình của sơ đồ APF theo số SS

78-80

Hình 5.5. Thơng lượng APF theo số SS

81-82

Hình 5.6 . So sánh độ trễ trung bình của APF với sơ đồ RR và PF

84-85

Thái Hồng Lương – Lớp cao học – ĐTVT 2010-2012


8

Hình 5.7. So sánh thơng lượng của APF với sơ đồ RR và PF
Hình 8.8. So sánh sơ đồ APF với sơ đồ Cross layer

Thái Hồng Lương – Lớp cao học – ĐTVT 2010-2012

85
87-88

9

MỞ ĐẦU
Khi thế giới bước vào kỷ nguyên của Internet, có rất nhiều cơng nghệ mới
được nghiên cứu, thử nghiệm và đi vào sử dụng. Các thiết bị di động và truyền tải
băng thông rộng ngày càng được nâng cao chất lượng, đáp ứng được nhu cầu thông
tin ngày càng cao của con người. WiMAX là một trong những công nghệ khơng dây
băng rộng quan trọng và được dự đốn sẽ thay thế công nghệ băng rộng hữu tuyến
truyền thống với chi phí hiệu quả. Là một cơng nghệ nổi trội, WiMAX hỗ trợ các
ứng dụng đa phương tiện như VoIP, FTP, video conference và game online,… Do
tài nguyên vô tuyến có hạn, quản lý tài ngun vơ tuyến và đảm bảo chất lượng
dịch vụ trong mạng không dây băng rộng sử dụng cơ chế OFDMA-TDD có tính
quyết định đối với hệ thống WiMAX.
Việc nghiên cứu, sử dụng hiệu quả tài nguyên vô tuyến, đáp ứng yêu cầu QoS
của người dùng trong mạng WiMAX thực sự là vấn đề cấp thiết, xây dựng một
thuật toán lập lịch hiệu quả sẽ giải quyết vấn đề tranh chấp băng thông. Thực hiện
tốt những nghiên cứu này sẽ mang lại hiệu quả rất to lớn về dung lượng cũng như
hiện thực hoá khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao đáp ứng được yêu cầu QoS cho
mạng truy nhập băng rộng không dây.
Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phát triển một sơ đồ lập lịch QoS đơn
giản nhưng hiệu quả cho các mạng vô tuyến băng rộng đa dịch vụ mà có thể triển
khai và thực hiện với chi phí thấp nhất. Nghiên cứu các giới hạn trong sơ đồ lập lịch
tỷ lệ bình đẳng (PF) và đề xuất mở rộng sơ đồ PF để đảm bảo các yêu cầu QoS khác
nhau theo từng loại dịch vụ trong mạng WiMAX.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn là tập trung giải quyết một số
vấn đề sau:
- Nghiên cứu một số thuật toán lập lịch tiêu biểu trong mạng băng rộng khơng
dây, qua đó xác định ưu điểm của từng thuật toán để đề xuất sử dụng trong WiMAX.

- Đề xuất một thuật toán lập lịch mới dựa trên sơ đồ PF để cung cấp các loại
dịch vụ với các yêu cầu QoS đa dạng.
- Phân tích, đánh giá thuật toán đề xuất với các yêu cầu QoS khác nhau thông
Thái Hồng Lương – Lớp cao học – ĐTVT 2010-2012


10

qua các số đo hiệu năng thông lượng và độ trễ để thấy được tính linh hoạt, hiệu quả
và đơn giản của thuật tốn này.
Trong lĩnh vực viễn thơng rộng lớn, với luận văn mang tên "Quản lý tài
nguyên vô tuyến và đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng không dây băng rộng
sử dụng cơ chế OFDMA-TDD". Tác giả trình bày về một kỹ thuật đã và đang được
hồn thiện để ứng dụng hiệu quả hơn trong thực tiễn - kỹ thuật OFDMA và ứng
dụng điển hình của nó là công nghệ WiMAX. Luận văn được chia thành 5 chương:
CHƯƠNG 1: Tổng quan về Mạng WiMAX
Chương này giới thiệu tổng quan về chuẩn IEEE 802.16 và sự phát triển của
nó, trong đó tập trung vào chuẩn 802.16d với một số đặc điểm của lớp PHY và lớp
MAC được trình bày.
CHƯƠNG 2: Tổng quan về thuật toán lập lịch
Chương này trình bày tổng quan các nghiên cứu liên quan trước đây về thuật
tốn lập lịch trong mạng khơng dây, qua đó nhận xét, đánh giá các thuật tốn đó để
đề xuất ứng dụng trong mạng WiMAX
CHƯƠNG 3: Thiết kế bộ lập lịch
Dựa trên các thuật tốn đã trình bày trong chương 2 đề xuất thuật toán lập lịch
để thoả mãn các yêu cầu chất lượng QoS trong WiMAX.
CHƯƠNG 4: Thuật tốn phân bổ tần số thích ứng trong hệ thống
OFDMA
Chương này trình bày tổng quan thuật tốn quản lý, phân bổ nguồn tài nguyên
vô tuyến trên các lớp của mạng truy cập không dây, đảm rằng mọi tài nguyên vô

tuyến được tối ưu cung cấp các dịch vụ băng thông rộng hiệu quả nhất.
CHƯƠNG 5: Đánh giá đặc tính hoạt động của một số thuật toán lập lịch
trong OFDMA-TDD

Thái Hồng Lương – Lớp cao học – ĐTVT 2010-2012


11

Các thuật tốn đề xuất, phân tích và đánh giá mơ phỏng, qua đó so sánh với
một số sơ đồ lập lịch khác để thấy được ưu điểm của thuật tốn đề xuất.
Kết luận và kiến nghị
Trình bày và đánh giá kết quả mà luận văn đạt được, đồng thời đề ra hướng
phát triển của đề tài trong tương lai.

Thái Hồng Lương – Lớp cao học – ĐTVT 2010-2012


12

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG WIMAX
Chương 1 cung cấp một cái nhìn bao qt nhất để chúng ta có thể nắm được
các đặc tính của lớp MAC và lớp PHY được xác định trong chuẩn IEEE 802.16. Cụ
thể hơn, chương này sẽ đề cập đến các dịch vụ lập lịch khác nhau, các cơ chế truy
nhập kênh truyền và kiến trúc lập lịch trong WiMAX.
1.1. Giới thiệu
Trước khi chuẩn IEEE 802.16 được giới thiệu, cách hiệu quả nhất để truy nhập
được các dịch vụ Internet băng rộng chủ yếu là thông qua đường E1/T1, đường dây
thuê bao số (DSL) hay kết nối qua modem cable. Tuy nhiên, cơ sở hạ tầng mạng
hữu tuyến chi phí lớn đáng kể, đặc biệt là triển khai trong các vùng nông thôn và

vùng miền núi. Giới hạn này đã thúc đẩy giới công nghiệp đưa ra ý tưởng thay thế
mạng truy nhập Internet đang tồn tại và tiếp cận thực hiện nó thơng qua môi trường
không dây. Chuẩn IEEE 802.16 cung cấp đặc điểm kỹ thuật cho giao diện không
gian của lớp PHY và lớp MAC. Chuẩn này chứa các chi tiết về các đặc điểm đa
dạng hỗ trợ lớp PHY và các đặc tính của lớp MAC như cơ chế yêu cầu băng thông
và hỗ trợ các dịch vụ lập lịch.
Diễn đàn WiMAX, một tổ chức của khoảng 420 thành viên bao gồm các tập
đoàn lớn như AT&T, Fujisu, Intel và Siemens, được thành lập vào tháng 6 năm
2001 để hỗ trợ công nghệ WiMAX và thúc đẩy sử dụng thương mại. Diễn đàn có
trách nhiệm chuẩn bị các tiêu chí cho hệ thống để tuân thủ chuẩn IEEE 802.16 và
tiến hành kiểm tra tính tương thích để đảm bảo việc thực hiện của các nhà cung cấp
mạng khác nhau có thể hoạt động cùng nhau. Phiên bản đầu tiên của chuẩn IEEE
802.16 hoàn thành vào tháng 10 năm 2001 và từ đó có một vài phiên bản xuất hiện
với một số vấn đề đưa ra như hoạt động ở tầm che khuất, tính di động, hỗ trợ nhiều
lớp lưu lượng cho QoS, hoạt động trong băng tần cấp phép và không cấp phép.
1.2. Sự phát triển của chuẩn IEEE 802.16
Thái Hồng Lương – Lớp cao học – ĐTVT 2010-2012


13

Nhóm cộng tác IEEE 802.16 là cơ quan chịu trách nhiệm đối với sự phát triển
chuẩn IEEE 802.16 và các mở rộng của nó. Phần này sẽ cung cấp một cách khái
quát vài chức năng quy định trong chuẩn IEEE 802.16 và các phiên bản bổ sung của
nó. Sau đây là thứ tự theo thời gian của một số chuẩn đã công bố và nội dung tương
ứng của chúng.
Chuẩn IEEE 802.16 – 2001
Chuẩn WiMAX đầu tiên là chuẩn IEEE 802.16 – 2001 [2], được phê chuẩn
vào tháng 12 năm 2001, chuẩn này hỗ trợ ứng dụng truy nhập không dây băng rộng
cố định trong mơ hình điểm - điểm (P2P) và điểm - đa điểm (PMP). Chuẩn sử dụng

điều chế đơn sóng mang trong phạm vi tần số 10Ghz đến 66Ghz và sử dụng cả hai
phương pháp song công phân chia theo thời gian (TDD) và song công phân chia
theo tần số (FDD). Các sơ đồ điều chế được sử dụng là QPSK, 16QAM và 64 QAM.
Khả năng thay đổi phương pháp điều chế và phương pháp sửa lỗi trước (FEC) cho
phép mạng thích nghi được với sự bất thường của thờI tiết do đó đáp ứng được chất
lượng dịch vụ cho người sử dụng. Một đặc tính rất quan trọng của IEEE 802.162001 là khả năng cung cấp chất lượng dịch vụ khác nhau ở lớp vật lý (PHY). Một
mã nhận dạng luồng dịch vụ (Service Flow ID) sẽ thực hiện kiểm tra QoS. Các
luồng dịch vụ này được mô tả bởi các thông số QoS như thời gian trễ tối đa, hay
lượng jitter cho phép. Các luồng dịch vụ này có thể được tạo ra bởi trạm phát sóng
BS hay thuê bao SS. IEEE 802.16 - 2001 chỉ hoạt động trong mơi trường tầm nhìn
thẳng (LOS) và với các thiết bị CPE ngoài trời.
Chuẩn IEEE 802.16a
Năm 2003, IEEE đưa ra chuẩn không dây 802.16a [3] để cung cấp khả năng
truy cập băng rộng không dây ở đầu cuối, sử dụng băng tần 2-11 GHz với khoảng
cách kết nối tối đa có thể đạt tới 50 km trong trường hợp kết nối điểm-điểm và 7-10
km trong trường hợp kết nối điểm - đa điểm. Tốc độ truy nhập có thể đạt tới 70
Mbps. Trong khi với dải tần 10-66Ghz chuẩn 802.16 phải yêu cầu tầm nhìn thẳng
(LOS) thì với dải tần 2-11Ghz chuẩn 802.16a cho phép kết nối mà khơng cần thoả
mãn điều kiện tầm nhìn thẳng (NLOS), tránh được tác động của các vật cản trên
đường truyền như cây cối, nhà cửa. Chuẩn này sẽ giúp ngành viễn thơng có các giảI

Thái Hồng Lương – Lớp cao học – ĐTVT 2010-2012


14

pháp như cung cấp băng thông theo yêu cầu, với thời gian thi công ngắn hay băng
thông rộng cho hộ gia đình mà cơng nghệ th bao số hay mạng cáp không tiếp cận
được.
IEEE 802.16a bao gồm cả đặc tả lớp PHY và cải tiến lớp MAC cho khả năng

truyền dẫn đa đường và giảm tối đa nhiễu. Các đặc tính được thêm vào cho phép sử
dụng kỹ thuật quản lý năng lượng cao cấp hơn, và dãy anten thích nghi. Phương
pháp ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (Orthogonal Frequency Division
Multiplexing - OFDM) cung cấp thêm một sự lựa chọn cho phương pháp điều chế
đơn sóng mang. Để cung cấp một kỹ thuật giảm thiểu can nhiễu trong các mạng
không dây hiện nay, IEEE 802.16a cũng định nghĩa thêm phương pháp điều chế đa
truy nhập phân chia theo tần số trực giao (Orthogonal Frequency Division Multiple
Access – OFDMA) trong phạm vi dải tần 2 – 11 GHz .
Vấn đề bảo mật cũng được cải tiến, với rất nhiều đặc trưng lớp con riêng biệt
được đưa thêm vào. Các đặc tính riêng biệt được sử dụng để nhận thực tác nhân gửi
của một thơng điệp MAC nào đó. IEEE 802.16a cũng đưa thêm các tuỳ chọn hỗ trợ
cho mạng Mesh, ở những nơi mà lưu lượng có thể được định tuyến từ SS tới SS.
Đây là sự thay đổi từ chế độ PMP, khi mà lưu lượng chỉ được phép truyền giữa BS
và SS. Sự bổ sung những đặc tả lớp MAC thích hợp cho phép việc lập lịch truyền
dẫn giữa các SS của mạng Mesh mà không cần phải có sự kiểm sốt của BS.
Chuẩn IEEE 802.16c
Chuẩn IEEE 802.16c [4] được đưa ra vào tháng 9 năm 2002. Chuẩn được nâng
cấp lên từ chuẩn 802.16 – 2001, nó cho phép cơng nghệ này hoạt động trong dãi tần
cấp phép từ 10GHz đến 66GHz. Việc mở rộng rõ ràng xác định các tính năng bắt
buộc và tuỳ chọn của công nghệ để thực hiện và sự tương kết được rõ ràng. Sự bổ
sung này cũng đưa ra một số vấn đề như đánh giá hiệu năng, thử nghiệm và định
hình chi tiết hệ thống cùng với việc hỗ trợ thêm một số tính năng như hệ thống đa
đầu vào-đa đầu ra (MIMO).
Chuẩn IEEE 802.16-2004
Chuẩn IEEE 802-16-2004 [5] được chính thức phê chuẩn vào 07/2004 và được
cơng bố rộng rãi vào tháng 9/2004. Sự mở rộng của chuẩn này với tên gọi phổ biến

Thái Hồng Lương – Lớp cao học – ĐTVT 2010-2012

15

là “WiMAX cố định”, là sự kết hợp của các chuẩn 802.16a và 802.16c với một vài
sửa đổi, bổ sung. Chuẩn này hỗ trợ cả song công theo thời gian (TDD) và song công
theo tần số (FDD), hỗ trợ cả hai dải tần số 10-66GHz cho hoạt động trong môi
trường tầm nhìn thẳng và dải tần 2-11GHz cho hoạt động trong mơi trường khơng
theo tầm nhìn thẳng. Bộ tiêu chí của sản phẩm như được quy định trong chuẩn, sử
dụng OFDM 256-FFT. Một trong những cải tiến của chuẩn này là ghép đơn vị dữ
liệu giao thức (PDU) và đơn vị dữ liệu dịch vụ (SDU) để giảm bớt tổng thể lớp
MAC. Sự mở rộng này cung cấp một cải thiện đáng kể cho cơ chế thăm dị. Nó cho
phép SS được thăm dị riêng hay thăm dị trong nhóm và nó cũng cho phép các u
cầu băng thơng kèm thêm trên các gói dữ liệu, do đó làm giảm sự xung đột và phí
tổn hệ thống.
Chuẩn IEEE 802.16e
Chuẩn 802.16e [6] được đưa ra vào tháng 11 năm 2005. Chuẩn này được biết
với tên gọi “WiMAX di động”, nó hỗ trợ thêm tính di động cho cơng nghệ. Việc mở
rộng này vẫn bảo tồn các khn dạng cơng nghệ của “WiMAX cố định” trong khi
bổ sung thêm sự hỗ trợ cho truy nhập không dây băng rộng di động. Chuẩn quy
định sử dụng công nghệ OFDMA với sự hỗ trợ cho bộ tiêu chí hệ thống: 2000-FFT,
1000FFT, 512-FFT và 128-FFT. Cơng nghệ OFDMA cho phép tín hiệu được chia
thành nhiều kênh con để tăng khả năng chịu nhiễu đa đường. Đặc tả trong chuẩn, về
lý thuyết có thể hỗ trợ thiết bị di động di chuyển với tốc độ lên đến 120km/h, cung
cấp truy cập băng rộng không dây trong phạm vi 50 km cho trạm cố định và 15 km
cho trạm di động.
Chuẩn IEEE 802.16f
Chuẩn IEEE 802.16f [7] hiện nay đang tích cực hiệu chỉnh với dự định hỗ trợ
cơ sở thông tin quản lý (MIB-Management Information Base ). MIB là một cơ sở
dữ liệu của thông tin sử dụng cho việc quản lý tất cả các thiết bị trong mạng. Việc
mở rộng nhằm mục đích cung cấp một mô tả chi tiết của giao thức cho việc quản lý
thông tin giữa các trạm thuê bao (SS) và trạm gốc (BS).

Chuẩn IEEE 802.16g
Chuẩn IEEE 802.16g [8] hiện đang được phát triển và nó nhằm mục đích cải

Thái Hồng Lương – Lớp cao học – ĐTVT 2010-2012


16

thiện các cơ chế cùng tồn tại hoạt động miễn cấp phép. Hơn nữa, việc mở rộng là cố
gắng tìm cách tiếp cận để cho phép sự cùng tồn tại giữa các mạng truy nhập cố định
không dây hoạt động trong dải tần miễn cấp phép, chủ yếu là dải tần 5GHz. Bên
cạnh các chuẩn đã trình bày trên thì các chuẩn IEEE 802.16h, IEEE 802.16i, IEEE
802.16j, IEEE 802.16k, IEEE 802.16m cũng đang được nghiên cứu và hoàn thiện.
Các chuẩn này chủ yếu tập trung vào một số kỹ thuật tiên tiến như các giao thức
quản lý mạng, hỗ trợ multihop relay, cải tiến tốc độ dữ liệu ...
Luận văn này chỉ tập trung nghiên cứu dựa trên chuẩn 802.16, được phổ biến
với tên gọi là “WiMAX di động”, nó cung cấp băng thơng lên đến 70Mbps, khơng
hỗ trợ tính di động. Sự bổ sung của chuẩn 802.16 là hướng tới cung cấp dịch vụ truy
nhập Internet băng rộng đến các khu dân cư và các tòa nhà thương mại. Chúng ta
chỉ tập trung vào một số đặc tính cơ bản của giao thức lớp MAC và PHY của IEEE
802.16, đó là cần thiết cho việc thiết kế thuật tốn lập lịch đường xuống trong kiến
trúc mạng WiMAX. Trong các phần tiếp theo sẽ trình bày một vài đặc tính chính
của lớp PHY và lớp MAC được quy định trong chuẩn 802.16.

Hình 1.1. Một kiến trúc mạng IEEE 802.16 với mode PMP
1.3. Lớp vật lý trong IEEE 802.16

Thái Hồng Lương – Lớp cao học – ĐTVT 2010-2012

17

Mục đích của lớp vật lý là vận chuyển dữ liệu trong môi trường vật lý. Trong
chuẩn IEEE 802.16-2004, lớp vật lý được định nghĩa cho vùng tần số từ 2 đến
66GHz với vùng từ 10-66GHz cho truyền sóng trong tầm nhìn thẳng (LOS) và vùng
từ 2-11GHz cho khả năng truyền sóng khơng theo tầm nhìn thẳng (NLOS). Yếu tố
cơ bản của công nghệ trong lớp PHY của WiMAX là ghép kênh phân chia theo tần
số trực giao (OFDM) và đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA).
OFDM là kỹ thuật truyền dẫn đa sóng mang đã được phổ biến gần đây cho việc
truyền dữ liệu tốc độ cao trong mạng khơng dây và nó đã được sử dụng phổ biến
trong các hệ thống băng rộng thương mại như DSL, Wi-Fi, Digital Video
Broadcast-Handheld (DVB-H) và MediaFLO bên cạnh WiMAX. Trong phần này sẽ
trình bày khái quát OFDM và các vấn đề khác của lớp vật lý.
1.3.1. Điều chế đa sóng mang OFDM và đa truy nhập OFDMA
OFDM là kỹ thuật điều chế đa sóng mang. Kỹ thuật này có thể đạt được tốc độ
dữ liệu rất cao, chống nhiễu giao thoa ký tự ISI (Inter – symbol Interference) và giải
quyết được vấn đề tín hiệu đa đường. Kỹ thuật này về cơ bản là một trường hợp đặc
biệt của phương pháp điều chế FDM, nó dựa trên ý tưởng chia luồng dữ liệu tốc độ
cao thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp song song và điều chế mỗi luồng trên các
sóng mang con trực giao với nhau. Do vậy, phổ tín hiệu của các sóng mang con này
được phép chồng lấn lên nhau mà phía đầu thu vẫn khơi phục lại được tín hiệu ban
đầu. Sự chồng lấn phổ tín hiệu này làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng
phổ lớn hơn nhiều so với các kĩ thuật điều chế thơng thường. Hình 1.2 minh hoạ sự
kết hợp, đa truy nhập phân chia thời gian và tần số [35].

Hình 1.2. IEEE 802.16 PHYs: SC OFDM và OFDMA
Thái Hồng Lương – Lớp cao học – ĐTVT 2010-2012


18

OFDMA là cơng nghệ đa sóng mang phát triển từ công nghệ OFDM, ứng dụng
như một công nghệ đa truy nhập. OFDMA hỗ trợ các nhiệm vụ của các song mang
con đối với các thuê bao nhất định. Trong OFDMA một số các sóng mang con
khơng nhất thiết phải nằm kề nhau, được gộp lại thành một kênh con (sub-channel)
và các user khi truy cập vào tài nguyên sẽ được cấp cho một hay nhiều kênh con để
truyền nhận tùy theo nhu cầu cụ thể. OFDMA có một số ưu điểm như tăng khả năng
linh hoạt, thơng lượng và tính ổn định được cải thiện. Bằng việc ấn định các kênh
con cho các thuê bao cụ thể, việc truyền nhận từ một số thuê bao có thể xảy ra đồng
thời mà khơng cần sự can thiệp nào, do đó sẽ giảm thiểu tác động như ảnh hưởng đa
truy nhập MAI.
Trong IEEE 802.16, quy trình truyền dữ liệu lớp vật lý của OFDM và
OFDMA được minh họa trong hình 1.3 và hình 1.4. Các khối hầu như giống nhau
chỉ thêm vào khối lặp (Repetition) trong OFDMA. Khối Modulation gồm 1 trong 4
loại điều chế số BPSK, QPSK, 16–QAM và 64–QAM. Những symbol được điều
chế sau đó được truyền trên những sóng mang phụ trực giao OFDM.

Hình 1.3. Quy trình truyền dữ liệu lớp vật lý OFDM

Hình 1.4. Quy trình truyền dữ liệu lớp vật lý OFDMA
1.3.2. Các đặc tả lớp vật lý
Chuẩn IEEE 802.16-2004 [1] xác định 5 biến thể của lớp vật lý phân biệt dựa
Thái Hồng Lương – Lớp cao học – ĐTVT 2010-2012


19

trên kỹ thuật đơn sóng mang hay OFDM. Các biến thể của nó được mơ tả như sau:
WirelessMAN-OFDM: Đặc tả này dựa vào công nghệ OFDM và được thiết kế
chủ yếu cho các SS cố định và hoạt động NLOS ở các dải tần số dưới 11GHz.

Lược đồ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao sử dụng 256 sóng mang và
đa truy nhập của các SS khác nhau dựa vào đa truy nhập phân chia theo thời gian
(TDMA). Lớp PHY OFDM hỗ trợ kênh con hóa đường lên với 16 kênh con. Nó
cũng hỗ trợ cấu trúc khung TDD và FDD, với hỗ trợ cho các SS cả FDD và H-FDD
(half-frequency division duplex). Sơ đồ điều chế được hỗ trợ là BPSK, QPSK, 16QAM và 64-QAM.
WirelessMAN-OFDMA: Đặc tả này dựa trên công nghệ OFDMA hoạt động ở
các dải tần số dưới 11GHz, nó cung cấp kênh con hóa cả đường lên và đường xuống.
Lớp PHY OFDMA hỗ trợ các cấu trúc khung TDD và FDD, với các tuỳ chọn FDD
và H-FDD.
WirelessHUMAN: Đặc tả này của lớp vật lý tương tự như lớp vật lý dựa trên
OFDM ngoại trừ nó tập trung vào các thiết bị hạ tầng thơng tin quốc gia không cấp
phép (UNII) và các dãi tần không cấp phép khác.
WirelessMAN-SC: Đặc tả này xác định việc sử dụng công nghệ trong dải tần
10-66GHz. Lớp PHY thiết kế để hỗ trợ kiến trúc điểm - đa điểm, theo đó BS hoạt
động điều phối cho tất cả các SS trong tế bào của nó. Trong thiết kế này, BS truyền
tín hiệu theo kiểu ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM) trong đó các SS được
cấp phát các khe thời gian một cách nối tiếp. Để cho phép sử dụng phổ mềm dẻo,
đặc tả này hỗ trợ cả FDD và TDD. Hai công nghệ này sử dụng một định dạng
truyền dẫn burst mà cấu trúc khung của nó hỗ trợ burst profiles thích nghi, ở đó các
tham số truyền, bao gồm cả sơ đồ điều chế và mã hoá được điều chỉnh riêng cho
từng SS trên cơ sở từng khung một.
WirelessMAN-SCa: WirelessMAN-SCa dựa vào công nghệ điều chế đơn sóng
mang và được thiết kế cho hoạt động NLOS ở các dải tần từ 2-11GHz. Nó hỗ trợ
cho cả cấu trúc khung FDD và TDD với TDMA sử dụng trong đường lên và TDM
hay TDMA trong đường xuống. Đặc tả lớp PHY bao gồm mã hóa sửa lỗi tiến (FEC)
cho cả đường lên và đường xuống, cấu trúc khung cho phép cải thiện việc ước

Thái Hồng Lương – Lớp cao học – ĐTVT 2010-2012

20

lượng chất lượng kênh hoạt động trên NLOS.
1.3.3. Mã hóa và điều chế thích nghi.
Mục đích chính của mã hố và điều chế thích nghi (Adaptive Modulation and
Coding - AMC) là bù đắp cho kênh vô tuyến mất ổn định do ảnh hưởng của các
hiện tượng như fading, che khuất. WiMAX hỗ trợ các sơ đồ điều chế và mã hóa
khác nhau và cho phép sơ đồ này thay đổi trên từng bó dữ liệu dựa trên mỗi liên kết,
phụ thuộc vào điều kiện kênh truyền. Bằng cách sử dụng bộ chỉ thị chất lượng kênh
thông tin phản hồi, SS có thể cung cấp cho BS thơng tin phản hồi chất lượng kênh
trong đường xuống. Đối với đường lên, BS có thể ước lượng chất lượng kênh dựa
trên tín hiệu thu. Bộ lập lịch trạm BS có thể xét đến chất lượng kênh đường lên và
đường xuống của mỗi người dùng và ấn định sơ đồ điều chế và mã hóa sao cho
thơng lượng đạt cực đại đối với SNR có sẵn. Mã hóa và điều chế thích nghi làm
tăng đáng kể dung lượng tổng thể của hệ thống vì nó cho phép cân bằng thời gian
thực giữa thơng lượng và độ bền vững trên mỗi liên kết.
Sơ đồ điều chế được định nghĩa trong chuẩn IEEE 802.16 trong các đường
xuống và đường lên là BPSK, PSK(QPSK), 16- QAM, và 64 -QAM.
Bảng 1. Các chế độ truyền trong IEEE 802.16-2004
Điều chế

Tỉ lệ mã

W(bit/symbol)

Ngưỡng SNR bộ thu (dB)

BPSK

1/2

0.5

6.4

1/2

1.0

9.4

3/4

1.5

11.2

1/2

2.0

16.4

3/4

3.0

18.2

2/3

4.0

22.7

3/4

4.0

24.4

QPSK
16 QAM
64 QAM

Cho tỉ lệ lỗi bít (BER) ít hơn 10-6, thuật tốn lựa chọn chế độ truyền dẫn tối
ưu phù hợp như trên bảng 1 [5]. AMC đã được sử dụng để cung cấp truyền dữ liệu
Thái Hồng Lương – Lớp cao học – ĐTVT 2010-2012