Tổng quan về công nghệ WiMAX

WiMAX là công nghệ không dây cung cấp các kết nối băng rộng trên các cự ly xa. WiMAX có thể được sử dụng cho các ứng dụng, bao gồm các kết nối băng rộng chặng cuối (last mile), các điểm nóng (hotspots) và kết nối tốc độ cao cho các khách hàng. WiMAX cung cấp kết nối mạng MAN tại tốc độ tới 70Mb/s và trạm gốc WiMAX có thể phủ sóng trung bình từ 5km đến 10km.

1. Tiêu chuẩn

Tiêu chuẩn về các hệ thống BWA được phát triển bởi Uỷ ban IEEE 802 MAN ở Mỹ và Viện tiêu chuẩn viễn thông châu Âu (ETSI) ở  châu Âu. Các hệ thống IEEE MAN đã được tập trung vào nhóm 802.16 là nhóm đã công bố các tiêu chuẩn cho  toàn bộ dải tần 2-66GHz. ETSI đã tập trung vào mạng vô tuyến vùng đô thị hiệu suất cao cho các băng tần dưới 11GHz.

IEEE 802.16

Nhóm IEEE 802.16 là nhóm IEEE  về mạng vùng đô thị không dây. Tiêu chuẩn IEEE 802.16 được công bố vào tháng 4 năm 2002 định nghĩa các giao diện không gian của mạng MAN không dây. IEEE 802.16  được xây dựng để khai thác trong băng tần 10-66GHz và xác định tầng vật lý (PHY),  tầng điều khiển truy cập trung gian (MAC) của các hệ thống BWA. Ở băng tần 10-66GHz, truyền dẫn yêu cầu tầm nhìn thẳng (LOS).

Tiêu chuẩn IEEE 802.16 cung cấp cơ sở cho một nền công nghiệp MAN không dây. Tuy nhiên, tầng vật lý không thích hợp cho các ứng dụng ở tần số thấp.  Vì lý do này, IEEE công bố tiêu chuẩn 802.16a để điều chỉnh yêu cầu NLOS vào tháng 4 năm  2003. Tiêu chuẩn này ở các tần số cấp phép và không cấp phép trong dải tần từ 2GHz đến 11GHz và là sự mở rộng của tiêu chuẩn 802.16.

Tiêu chuẩn 802.16a cho phép người sử dụng kết nối băng rộng với trạm gốc mà không cần tầm nhìn thẳng. IEEE 802.16a xác định ba chỉ tiêu kỹ thuật của giao diện không gian và các chỉ tiêu này cung cấp cho các nhà  cung cấp thiết bị cơ hội để sản xuất các sản phẩm của họ theo các yêu cầu của khách hàng cho các loại triển khai khác nhau. Ba chỉ tiêu kỹ thuật của tầng vật lý trong 802.16a là:

- MAN- SC không dây: sử dụng một dạng điều chế sóng mang đơn.

- MAN-OFDM không dây: sử dụng đa phân chia tần số trực giao (OFDM) với 256 điểm biến đổi Fourie nhanh (FFT). Kiểu điều chế này có tính chất bắt buộc cho các băng tần không cấp phép.

- MAN- OFDMA không dây: sử dụng  đa truy cập phân chia tần số trực giao (OFDMA) với 2048 điểm biến đổi Fourie nhanh. Đa truy cập được cung cấp bởi việc đánh địa chỉ một tập con của  nhiều sóng mang vào một máy thu riêng.

`ESTI HIPERMAN

ETSI đã tạo ra một tiêu chuẩn MAN không dây  cho băng tần giữa 2GHz và 11GHz. Tiêu chuẩn ETSI HIPERMAN đã được công bố vào tháng 10 năm 2003. ETSI làm việc chặt chẽ với nhóm IEEE 802.16 và tiêu chuẩn HIPERMAN về thực chất đi theo hướng của 802.16. Tiêu chuẩn HIPERMAN cung cấp  thông tin mạng không dây ở băng tần 2-11GHz  trên toàn châu Âu. Nhóm HIPERMAN sử dụng kỹ thuật điều chế 256 điểm FFT. Đây là một kỹ thuật điều chế được  định rõ trong tiêu chuẩn 802.16a.

Mối quan hệ giữa 802.16a, HIPERMAN và WIMAX

Một trong những mục đích  của WiMAX Forum là tạo ra một tiêu chuẩn có tính tương tác từ các tiêu chuẩn BWA của IEEE và ETSI. Tiêu chuẩn IEEE 802.16a được dự định để cho phép nhiều nhà cung cấp thiết bị sản xuất ra  thiết bị có tính tương tác. Tuy nhiên, tiêu chuẩn này cho phép các nhà cung cấp thiết bị  thực hiện các kỹ thuật điều chế khác nhau và sản xuất các thiết bị theo yêu cầu của khách hàng và vì vậy, hầu hết các sản phẩm được sản xuất ra  là khác nhau giữa các nhà cung cấp thiết bị .

Để tạo ra một tiêu chuẩn có tính tương tác, WiMAX đã được quyết định tập trung vào 256 FFT OFDM là đặc điểm chung giữa 802.16a và HIPERMAN. WiMAX đã phát triển các profile ở các băng tần không cấp phép, phổ biến là 2,4GHz và 5GHz và ở các băng tần cấp phép 2,3GHz, 2,5GHz và 3,5GHz. Độ rộng kênh thay đổi từ 1,5MHz đến 20MHz.

IEEE 802.16- 2004

Phiên bản cuối cùng của IEEE802.16 là 802.16-2004 (còn được biết đến như Revision D, hoặc 802.16-d) được được phê chuẩn ngày 24 tháng 1 năm 2004.  Đây là tiêu chuẩn được xây dựng dựa trên các phiên bản 802.16 và  802.16a và thay thế cho các tiêu chuẩn IEEE  802.16 và  802.16a-2003 trước đây. 802.16-2004 bao gồm các ứng dụng tầm nhìn thẳng (LOS) và không cần tầm nhìn thẳng (NLOS) trong phạm vi tần số từ 2 đến 66GHz. Tiêu chuẩn này cũng chỉ xác định các tầng vật lý (PHY) và điều khiển truy cập phương tiện truyền thông (MAC).

Những thay đổi đưa vào trong 802.16-2004 được tập trung  vào các ứng dụng cố định và nomadic trong  tần số 2-11GHz. Kỹ thuật điều chế được hỗ trợ trong 802.16-2004 là OFDM với 256 sóng mang.

802.16e – Mobile

Tiêu chuẩn IEEE 802.16e là sự mở rộng của tiêu chuẩn  802.16-2004 cho việc sử dụng di động trong băng tần  2-6GHz. Tiêu chuẩn này được phê chuẩn ngày 7/12/2005  và được công bố  ngày 28/2/2006. Tiêu chuẩn này hỗ trợ cho SOFDMA (Sự biến đổi trên OFDMA),  tính đến một số sóng mang có thể thay đổi, thêm vào các phương thức OFDM và OFDMA   được xác định trước đây. Việc phân bổ sóng mang trong các phương thức  OFDMA được xây dựng để giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu lên các thiết bị của người sử dụng với các anten vô hướng. Hơn nữa, IEEE802.16e hỗ trợ cho đa đường vào đa đường ra (MIMO) và các hệ thống anten thích ứng (AAS), cũng như chuyển giao cứng và mềm. Tiêu chuẩn này cũng đã cải thiện về các khả năng tiết kiệm nguồn điện cho các thiết bị di động và  các đặc tính bảo mật rộng hơn.

2. Kiến trúc mạng WiMAX

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 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.

3. Đặc điểm lớp PHY

3.1. 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.

3.2. 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.

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.

3.3. 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.

3.4. 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.

3.5. 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:

3.6. 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.

3.7. 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 frequency reuse.

4. Đặc điểm lớp MAC của WiMAX di động

4.1. 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:

            4.2. Scheduling

Cơ chế lập lịch (scheduling) trong WiMAX không được quy 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.

4.3. 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.

4.4. 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.

4.5. 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”.

4.6. 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.

4.7. 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.

5. Các dịch vụ WiMax

WiMax là công nghệ băng rộng có thể cung cấp các truy nhập/dịch vụ cố định (fixed), nomadic, portable, di động hạn chế và di động. Trong đó, các ứng dụng được WiMax Forum định nghĩa như sau:

- Truy nhập cố định: thiết bị của người sử dụng là cố định tại một vị trí trong suốt thời gian hoà mạng và  luôn kết nối với cùng sector hay ô trạm gốc.

- Truy nhập nomadic: thiết bị của người sử dụng là cố định tại một vị trí trong thời gian đang điễn ra việc kết nối mạng. Nếu người sử dụng di chuyển đến một vị trí khác, chẳng hạn ô hay sector khác, trong cùng một mạng thì thiết bị của người sử dụng sẽ được nhận dạng và có thể thiết lập kết nối với mạng. Khi kết nối, thiết bị người sử dụng có thể lựa chọn trạm gốc tốt nhất và trong khi đang kết nối nó sẽ kết nối với cùng sector hay ô trạm gốc.

- Mang xách được (portable): thiết bị của người sử dụng luôn luôn kết nối với mạng khi người sử dụng di chuyển với tốc độ đi bộ trong vùng phủ sóng của mạng. Khả năng chuyển vùng hạn chế có thể thực hiện được khi người sử dụng di chuyển từ vùng phủ của ô này sang ô khác trong cùng mạng.

- Di động hạn chế: thiết bị người sử dụng có thể kết nối với mạng với các ứng dụng phi thời gian thực trong khi di chuyển với tốc độ ô tô trong vùng phủ sóng của mạng. Chức năng chuyển vùng giữa các sector và các trạm gốc cho phép việc kết nối được liên tục đối với các ứng dụng phi thời gian thực.

- Di động: thiết bị luôn được kết nối khi người sử dụng di chuyển với tốc độ cao trong vùng phủ sóng của mạng. Chức năng chuyển vùng cho phép dịch vụ được liên tục với mọi ứng dụng.