18:55
Unknown
WiMAX (viết tắt của Worldwide Interoperability for Microwave Access) là tiêu chuẩn IEEE 802.16 cho việc kết nối Internet băng thông rộng không dây ở khoảng cách lớn.
Theo Ray Owen, giám đốc sản phẩm WiMax tại khu vực châu Á-Thái Bình Dương của tập đoàn Motorola:
WiMax hoàn toàn không phải là phiên bản nâng cấp của Wi-Fi có tiêu
chuẩn IEEE 802.11, WiMax và Wi-Fi tuy gần gũi nhưng là 2 sản phẩm khác
nhau và cũng không phải phát triển từ WiBro (4G), hay 3G.
WiMAX là kỹ thuật viễn thông cung cấp việc truyền dẫn không dây ở
khoảng cách lớn bằng nhiều cách khác nhau, từ kiểu kết nối điểm - điểm
cho tới kiểu truy nhập tế bào. Dựa trên các tiêu chuẩn IEEE 802.16, còn
được gọi là WirelessMAN. WiMAX cho phép người dùng có thể duyệt Internet
trên máy laptop mà không cần kết nối vật lý bằng cổng Ethernet tới
router hoặc switch. Tên WiMAX do WiMAX Forum tạo ra, bắt đầu từ tháng 6
năm 2001 đề xướng việc xây dựng một tiêu chuẩn cho phép kết nối giữa các
hệ thống khác nhau. Diễn đàn này cũng miêu tả WiMAX là "tiêu chuẩn dựa
trên kỹ thuật cho phép truyền dữ liệu không dây băng thông rộng giống
như với cáp và DSL."
Khoá họp Hội đồng thông tin vô tuyến 2007 (RA-07) của Liên minh viễn thông thế giới (ITU), được tổ chức tại Gennève, Thụy Sĩ
từ ngày 15-19/10/2007, đã thông qua việc bổ sung giao diện vô tuyến
OFDMA TDD WMAN (WiMAX di động) vào họ giao diện vô tuyến IMT-2000
(thường vẫn được biết dưới tên 3G).
Chuẩn IMT-2000 hiện có 5 giao diện vô tuyến CDMA Direct Spread
(thường được biết dưới tên WCDMA), CDMA Multi-Carrier (thường được biết
dưới tên CDMA 2000), CDMA TDD, TDMA Single-Carrier, FDMA/TDMA. Sau khi
được bổ sung, chuẩn giao diện OFDMA TDD WMAN sẽ là chuẩn giao diện vô
tuyến thứ 6 của họ IMT-2000.
Các chỉ tiêu về đặc tính phát xạ (phát xạ giả, phát xạ ngoài băng)
của các trạm thu phát (BTS) và máy di động (MS) của WiMAX di động cũng
đã được bổ sung vào các chuẩn hiện áp dụng cho IMT-2000.
RA-07 cũng thông qua khuyến nghị về việc sử dụng băng tần 2500-2690
MHz cho IMT-2000. Theo đó có 3 phương án (C1, C2, C3) sử dụng băng tần.
Phương án C1 và C2 dành 2x70 MHz (đoạn 2500-2570 MHz và 2620-2690 MHz)
sử dụng cho phương thức song công FDD để phù hợp với các công nghệ di
động truyền thống như HSPA, LTE. Phương án C3 cho phép dùng linh hoạt
giữa FDD và TDD, tạo thuận lợi cho việc sử dụng công nghệ TDD như WiMAX
di động. Đây sẽ là cơ sở quan trọng cho việc quy hoạch tần số cho băng
tần 2500-2690 MHz của các nước, cũng như ở Việt Nam.
Sở dĩ Diễn đàn WiMAX và các công ty ủng hộ WiMAX ra sức vận động để
đưa WiMAX di động vào IMT-2000 là do WiMAX di động được phát triển dựa
trên chuẩn 802.16e của IEEE và sản phẩm phải phù hợp với các bộ tiêu chí
(profile) của Diễn đàn WiMAX (mỗi profile gồm nhiều tiêu chí, trong đó
có băng tần sử dụng, phương thức song công). Tuy nhiên, cả IEEE lẫn Diễn
đàn WiMAX lại không có vai trò trong việc đưa ra các quyết định liên
quan đến băng tần số được sử dụng.
Trong khi đó băng tần 2500-2690 MHz, băng tần chính của WiMAX di
động, lại được ITU phân bổ và hiện được nhiều nước trên thế giới, đặc
biệt là Châu Âu dành cho IMT-2000. Dự kiến đây sẽ là băng tần của các
công nghệ mới phát triển từ công nghệ di động thế hệ 2 (GSM, CDMA) lên
như HSPA, LTE, UMB sử dụng phương thức song công FDD. Vì vậy, WiMAX ít
có hoặc không có cơ hội được sử dụng tại các nước đó.
Do đó, việc được kết nạp vào họ tiêu chuẩn IMT-2000 của ITU, sẽ giúp
gạt bỏ các trở ngại pháp lý, mở ra cơ hội để WiMAX di động có thể được
sử dụng các băng tần dành cho IMT-2000, được tham gia vào một thị trường
rộng lớn.
Tuy nhiên, tại RA-07, Trung quốc, Đức và một số nhà sản xuất viễn
thông cho rằng WiMAX di động chưa đáp ứng được các tiêu chí kỹ thuật cần
thiết của IMT-2000 như các tham số về đặc tính phát xạ, hệ số dò kênh
lân cận (ACLR), chất lượng các dịch vụ của mạng chuyển mạch kênh, yêu
cầu về chuyển vùng (seamless handover),.. Vì vậy, mặc dù thông qua việc
bổ sung WiMAX di động, nhưng RA-07 yêu cầu cần tiếp tục nghiên cứu gấp
về các vấn đề còn tồn tại này.
Hơn nữa, việc được kết nạp vào họ IMT-2000 không nghĩa sẽ đảm bảo
được thành công về mặt thương mại cho WiMAX di động. Ngay trong 5 chuẩn
của họ IMT-2000 trước đây, chỉ có WCDMA là đang có sự thành công tương
đối trên thị trường, 4 chuẩn còn lại vẫn còn rất ít được sử dụng trong
thực tế.
Bên cạnh vấn đề kết nạp WiMAX, RA-07 đã thông qua cách gọi liên quan
đến IMT-2000, các hệ thống sau IMT-2000 và IMT tiên tiến (IMT-2000
Advanced). Do định nghĩa về IMT-2000 (3G) của ITU đã được xây dựng từ
nhiều năm trước, nhiều công nghệ sau này như HSDPA, HSUPA, LTE, WiMAX di
động có khả năng cung cấp tốc độ kết nối cao hơn so với tốc độ do ITU
định nghĩa, nên nhiều hãng đã tận dụng để quảng cáo các hệ thống của
mình là 3.5G, 3.9G thậm chí là 4G.
Trong khoá họp lần này, RA-07 đã quyết định cải tổ lại cơ cấu các
nhóm nghiên cứu về thông tin vô tuyến. Theo đó ITU thành lập nhóm nghiên
cứu 5 về các nghiệp vụ thông tin vô tuyến mặt đất trên cơ sở sát nhập 2
nhóm nghiên cứu Nhóm nghiên cứu 8 về các nghiệp vụ thông tin vô tuyến
di động, Nhóm nghiên cứu 9 về nghiệp vụ cố định. Các hoạt động nghiên
cứu liên quan đến vệ tinh nằm rải rác ở Nhóm nghiên cứu 6, 8, 9 cũng
được gom về nhóm nghiên cứu 4 để thành Nhóm nghiên cứu về các nghiệp vụ
vệ tinh. Nhiệm vụ chính của các Nhóm nghiên cứu vô tuyến là nghiên cứu
các vấn đề đặt ra trong lĩnh vực thông tin vô tuyến, quản lý phổ tần từ
đó xây dựng các khuyến nghị (ITU-R Recommendation), các Báo cáo
(Report), các Sổ tay (Handbook). Các Nhóm nghiên cứu của ITU-R còn đống
vai trò quan trọng trong việc chuẩn bị nội dung cho các Hội nghị thông
tin vô tuyến thế giới.
Ngay sau khi kết thúc RA-07, Hội nghị thông tin vô tuyến thế giới
2007 (WRC-07) sẽ được tổ chức từ ngày 22/10 đến 16/11/2007 tại ITU
I. Kiến trúc của mạng WiMAX
Trước tiên tôi chọn giới thiệu kiến trúc của mạng WiMAX.
Xem 2 hình minh họa dưới đây.
Ta thấy để thiết lập một mạng WiMAX ta cần có các trạm phát BS (giống BTS của mạng thông tin di động). Nhiều BS sẽ được kết nối, quản lý bởi một ASN (Access Service Network) gateway. ASN Gateway này là thực thể miêu tả trong WiMAX Forum, tuy nhiên trong các mạng triển khai thực tế thì người ta hay gọi là WAC (WiMAX (hay Wireless) Access Controller). Nhiều WAC tập hợp lại tạo thành một ASN. Nếu so sánh với mạng thông tin di động thì WAC/ASN GW giống như là BSC/RNC. Nhiều ASN có thể kết nối với nhau thông qua giao diện R4.
Nhiều ASN của cùng một operator tạo thành một NAP (Network Access Provider). Nhiều nhà cung cấp khác nhau sẽ có thể triển khai nhiều mạng truy nhập khác nhau, rồi chúng sẽ cùng kết nối với một hoặc nhiều CSN (Core Service Network).
ASN định nghĩa một đường biên logic và biểu diễn theo một cách thuận lợi để mô tả tập hợp các thực thể chức năng và các luồng bản tin tương ứng kết hợp với các dịch vụ truy cập. ASN biểu diễn đường biên cho chức năng liên kết nối với các mạng WiMAX khách, các chức năng dịch vụ kết nối WiMAX và tập các chức năng của nhiều nhà cung cấp khác nhau.
CSN được định nghĩa là một tập các chức năng mạng cung cấp các dịch vụ kết nối IP cho các thuê bao WiMAX. Một CSN có thể gồm các phần tử mạng như router (bộ định tuyến), máy chủ/proxy nhận thực AAA, cơ sở dữ liệu người dùng và thiết bị cổng liên mạng. Một CSN có thể được triển khai như một phần của nhà cung cấp dịch vụ mạng WiMAX.
II. Kỹ thuật truyền thông số (Đặc điểm lớp PHY)
1. OFDM
OFDM – ghép kênh phân chia theo tần số trực giao là một 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.
Công nghệ OFDM chia luồng dữ liệu thành nhiều đường truyền băng hẹp trong vùng tần số sử dụng các sóng mang con trực giao với một sóng mang con khác. Nhưng sóng mang con này sau đó ghép thành các kênh tần số để truyền vô tuyến.
2. OFDMA
OFDMA là công nghệ đa sóng mang phát triển từ công nghệ OFDM, ứng dụng như một công nghệ đa truy cập. OFDMA hỗ trợ các nhiệm vụ của các sóng mang con đối với các thuê bao nhất định. Mỗi một nhóm sóng mang con được biểu thị như một kênh con (subchannel) và mỗi thuê bao được chỉ định một hoặc nhiều kênh con để truyền phát dựa trên mỗi yêu cầu cụ thể lưu lượng của mỗi thuê bao.
Hình 4
OFDMA có một số ưu điểm như khả năng linh hoạt tăng, thông lượng và tính ổn định được cải tiến. Bằng việc ấn định các kênh con cho các thuê bao cụ thể, việc truyền phát từ một số thuê bao có thể xảy ra đồng thời mà không cần sự can thiệp nào, do đó sẽ giảm thiểu tác động như ảnh hưởng đa truy nhập – MAI.
3. AAS
Các hệ thống anten thích ghi AAS (Adaptive Antena System) là một phần của lựa chọn tiêu chuẩn IEEE 802.16. AAS có khả năng điều chỉnh búp sóng chỉ tập trung vào một hướng nhất định hoặc cũng có thể tập trung vào nhiều hướng. Điều này có nghĩa là trong khi phát tín hiệu được giới hạn theo một hướng nhất định của phía thu, giống như một điểm sáng. Còn khi thu, hệ thống AAS cũng có khả năng giảm nhiễu đồng kênh từ các vị trí khác. AAS được coi là sự phát triển của tương lai, có khả năng cải thiện tỷ lệ tái sử dụng phổ tần và khả năng của một mạng WiMAX.
4. MIMO
Lựa chọn phân tập phát WiMAX sử dụng mã hóa thời gian không gian, làm giảm quỹ dự trữ yêu cầu và tránh nhiễu. Đối với phân tập phát, rất nhiều các phương pháp kết hợp để cải thiện khả năng của hệ thống.
-Mã không gian – thời gian (Space Time Code – STC): Hỗ trợ phân tập truyền như mã Alamouti để cung cấp khả năng phân tập không gian và giảm dự trữ suy hao tín hiệu.
-Ghép kênh không gian (SM): Hỗ trợ ghép kênh không gian để tận dụng tốc độ đỉnh cao hơn và giảm thông lượng. Nhờ ghép kênh không gian, nhiều luồng sẽ được truyền trên hệ thống nhiều anten. Nếu phía thu cũng có hệ thống nhiều anten, nó có thể phân tách các luồng khác nhau để đạt được thông lượng cao hơn so với các hệ thống đơn anten.
5. AMC
Điều chế thích nghi cho phép hệ thống WiMAX điều chỉnh được phương pháp điều chế tín hiệu dựa trên điều kiện SNR của tuyến. Khi tuyến truyền dẫn có chất lượng tốt, kiểu điều chế cao nhất được sử dụng, làm tăng dung lượng của hệ thống. Khi tuyến ở mức chất lượng thấp hơn, hệ thống WiMAX có thể chuyển sang một kiểu điều chế thấp hơn để đảm bảo chất lượng kết nối và ổn định của tuyến.
Minh họa các loại điều chế dùng trong wimax như hình dưới đây.
Hình 5
Ngoài ra điều chế BPSK cũng được dùng để gửi các thông báo tín hiệu (signalling), broadcast...trong hệ thống Wimax vì nó cho 1 vùng phủ lớn nhất. Nguyên tắc "adaptive" của nó hoạt động dựa trên sơ đồ như hình dưới đây
Hình 6.
6. Kỹ thuật sửa lỗi trước (FEC)
Các kỹ thuật sửa lỗi trước được áp dụng trong hệ thống WiMAX để giảm tỷ số tín hiệu trên tạp âm yêu cầu. Mã hóa sửa lỗi trước (FEC) Reed Solomon, mã hóa xoắn các thuật toán chèn ký tự được sử dụng để phát hiện và sửa lỗi nhằm cải thiện thông lượng của hệ thống.
7. Sử dụng lại tần số
Liên quan đến vấn đề frequency reuser trong wimax, thì freq reuse factor của WiMAX là 1. Tức là dãy tần số dùng trên 2 cells kề nhau là như nhau. Bạn sẽ nói rằng như thế sẽ bị nhiễu (interference). Vì trong wimax sử dụng ofdma, và mỗi một user sẽ được phân bổ một số tấn số + symbol time nhất định (gọi là zone/chunk). Như thế để tránh nhiễu thì các user ở bìa của những cell gần nhau sẽ được phân bố các tần số khác nhau. Đó chính là khái niệm fractional freq reuse. Xem hình minh họa dưới đây để rõ hơn.
Hình 7
8. HARQ
WiMAX di động cũng hỗ trợ HARQ. HARQ được phép sử dụng giao thức “Dừng và Đợi” N kênh để cung cấp khả năng đáp ứng nhanh để đóng gói lỗi và cải tiến khả năng phủ sóng đường biên cell. Ngoài ra để cải thiện hơn nữa sự ổn định của đường truyền. Một kênh dành riêng ACK cũng được cung cấp ở đường lên để báo hiêu ACK/NACK của HARQ. Hoạt động đa kênh HARQ cũng được hỗ trợ.
1. QoS
Tiền đề cơ bản của kiến trúc MAC trong IEEE 802.16 là QoS. Nó định nghĩa luồng dịch vụ mà có thể ánh xạ đến các điểm mã DiffServ hoặc các nhãn luồng MPLS để cho phép kết nối đầu cuối tới đầu cuối theo giao thức IP trên cơ sở QoS. Ngoài ra, các nguyên lý báo hiệu trên cơ sở subchannelization và MAP cung cấp một cơ chế linh động cho việc lập lịch tối ưu tài nguyên không gian, tần số và thời gian trên giao diện vô tuyến frame by frame.
QoS phụ thuộc vào 3 yếu tố sau:
- Giao thức MAC hoạt động hướng kết nối (connection – oriented). Mỗi một gói tin đều được đưa vào một kết nối cụ thể, kết nối này là kết nối ảo, được xác định bởi tham số CID. Việc tạo nên các kết nối ảo này khiến các gói tin được gửi đi một cách hiệu quả và nhanh chóng.
- Cơ chế cấp phát băng thông Request/Grant: Cơ chế này làm tăng hiệu quả sử dụng băng thông của hệ thống, đặc biệt là các hệ thống mà có nhiều thuê bao. Trong cơ chế này, MS yêu cầu thông lượng băng thông cấp phát từ BS thông qua một số các phương thức khác nhau. BS sẽ cấp phát băng thông bằng cách cấp phát các timeslot tới các MS có yêu cầu.
- Phân loại dịch vụ: Giống như mọi hệ thống hỗ trợ QoS khác, việc phân loại dịch vụ cũng là điểm cốt lõi trong việc đảm bảo QoS. Xem các loại hình dịch vụ QoS trong bảng dưới đây:
Hình 8
2.Scheduling
Cơ chế lập lịch (scheduling) trong WiMAX không được qui định cụ thể trong chuẩn. Có nhiều hình thức lập lịch khác nhau, mục đích là làm thế nào để sự dụng tài nguyên UL va DL một cách có hiệu quả nhất trong khi luôn đảm bảo được QoS yêu cầu.
Các bạn có thể xem thêm chủ đề RRA trong hệ thống OFDMA ở đây
3. Power Saving Management
WiMAX di động hỗ trợ hai chế độ vận hành– Sleep Mode và Idle Mode để tiết kiệm năng lượng tiêu thụ.
Sleep Mode là trạng thái mà MS ở trong giai đoạn trước khi có bất cứ trao đổi thông tin gì với trạm gốc qua giao diện vô tuyến. Sleep Mode cho phép MS tối thiểu năng lượng tiêu thụ và tối thiểu tài nguyên vô tuyến của trạm gốc. Sleep Mode cũng cung cấp khả năng linh hoạt cho MS để dò các trạm gốc khác để thu thập thông tin hỗ trợ chuyển giao (handoff) trong Sleep Mode.
Idle Mode cung cấp một cơ chế cho MS để sẵn sàng một cách định kỳ nhận các bản tin quảng bá DL mà không cần đăng ký với một trạm gốc xác định nào khi MS di chuyển trong một môi trường có đường truyền vô tuyến được phủ sóng bởi nhiều trạm gốc.
4. Quản lý di động
Có ba phương pháp chuyển giao được chuẩn IEEE 802.16 hỗ trợ - Chuyển giao cứng (Hard Handoff – HHO), Chuyển trạm gốc nhanh (Fast Base Station Switching – FBSS) và chuyển giao phân tập vỹ mô (Macro Diversity Handover – MDHO). Trong đó, chuyển giao HHO là bắt buộc còn FBSS và MDHO là hai chế độ tùy chọn.
Cũng giông giống như chuyển giao nhanh (FBSS hay MDHO) trong hệ thống CDMA, chuyển giao nhanh trong Wimax cũng chỉ có thể thực hiện giữa các BS nằm trong cái gọi là Diversity Set (tập hợp các BS hoạt động trong cùng tần số, có SINR đủ lớn để MS có thể kết nối được và đặc biệt là chúng phải đồng bộ (synchronisation)). Trong Diversity Set này thì chỉ có 1 cái BS được gọi là anchor (cái BS chủ lực, hay còn gọi là điểm kết nối, khớp ). Sự khác nhau giữa MDHO và FBSS là ở chổ: đối với FBSS, MS chỉ communicate thông tin data thông qua BS anchor thôi, còn MDHO thì MS communicate thông tin data traffic qua tất cả các BS nằm trong Diversity Set.
5. Bảo mật
WiMAX di động hỗ trợ tốt nhất các đặc tính bảo mật lớp nhờ áp dụng các công nghệ tốt nhất đang sẵn có hiện nay. Nó hỗ trợ nhận thực giữa thiết bị/người dùng, giao thức quản lý khóa linh động, mã hóa lưu lượng, bảo vệ bản tin điều khiển và tối ưu hóa giao thức bảo mật cho các chuyển giao nhanh.
- Giao thức quản lý khóa: Giao thức quản lý khóa và bảo mật phiên bản 2 (Privacy and Key Management Protocol Version 2 – PKMv2) là một trong những khái niệm bảo mật cơ bản của WiMAX di động. Giao thức này quản lý bảo mật MAC sử dụng bản tin PKM – REQ/RSP. Nhận thực PKM EAP, điểu khiển mã hóa lưu lượng, trao đổi khóa chuyển giao và các bản tin bảo mật Mutilcast/Broadcast đều dựa trên giao thức này.
- Nhận thực thiết bị/người dùng: WiMAX di động hỗ trợ nhận thức thiết bị và người dùng sử dụng giao thức IETF EAP bằng cách cung cấp hỗ trợ “credentials” được dựa trên SIM, hoặc dựa trên USIM hoặc chứng nhận số hoặc dựa trên tên người sử dụng/mật khẩu.
- Mã hóa lưu lượng: AES-CCM là một mã hoá được sử dụng để bảo vệ tất cả số liệu người sử dụng qua giao diện Wimax MAC di động.
- Bảo vệ các bản tin điều khiển: Dữ liệu điều khiển được bảo vệ bởi AES dựa trên CMAC, hoặc sơ đồ HMAC dựa trên MD5.
- Hỗ trợ chuyển giao nhanh: Một sơ đồ bắt tay 3 bước được hộ trợ bởi Wimax di động để tối ưu cơ chế nhận thực lại cho hộ trợ chuyển vùng nhanh. Cơ chế này cũng hữu ích trong việc chống lại việc tấn công giữa chừng của “hacker”.
6. Dịch vụ Muticast và Broadcast – MBS
Dịch vụ MBS trong WiMAX di động kết hợp các đặc tính tốt nhất của DVB – H, MediaFLO và 3GPP E – UTRA, thỏa mãn những yêu cầu sau:
- Tốc độ dữ liệu cao và khả năng phủ sóng sử dụng mạng một tần số (SFN – Single Frequency Network)
- Cấp phát tài nguyên vô tuyến linh động.
- MS tiêu thụ năng lượng thấp.
- Hỗ trợ dữ liệu ngang hàng bao gồm các luồng audio và video.
- Thời gian chuyển mạch kênh nhỏ.
7. Truy nhập kênh truyền (network entry and initialization)
Khi một MS mở máy (power on) nó sẽ tiến hành các bước sau để kết nối với trạm BS:
- Thực hiện quá trình tìm kiếm và đồng bộ hóa với các BS mà nó thu được sóng radio. Để thực hiện được điều này, các MS sẽ tiến hành scan các tần số DL (đã biết trước), lắng nghe các DL preamble phát ra từ các BS và đồng bộ hóa dựa vào các thông điệp điều khiển (control message).
- Tiếp theo MS nhận biết các thông số uplink bằng cách lắng nghe các UL-MAP.
- MS thực hiện quá trình ranging. Cái này giống như power control trong mạng thông tin di động tế bào.
- MS thỏa thuận về việc thuê nhận băng thông với BS cũng như các thông tin về profile.
- MS thực hiện quá trình nhận thực, trao đổi khóa và tiến hành đăng ký truy nhập vào mạng. Kết nối IP được thiết lập
- Luồng dịch vụ có thể bắt đầu được trao đổi.
Xem sơ đồ dưới đây
Hình 9
Posted in: 
0 nhận xét:
Đăng nhận xét