1
WiMAX di động: Tổng quan kỹ thuật - đánh giá hoạt động (phần 1)

Đỗ Ngọc Anh

1. MỞ ĐẦU
WiMAX di động (Mobile WiMAX) là giải pháp không dây băng rộng cho phép phủ
sóng mạng băng rộng không dây và cố định nhờ công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng
trên diện rộng với kiến trúc mạng linh hoạt. Giao diện WiMAX di động sử dụng công
nghệ OFDM để cải thiện hiệu suất đa đường
(multi-path) trong các môi trường không theo
tầm nhìn thẳng (NLOS). OFDMA thay đổi tỉ lệ (S-OFDMA) được giới thiệu trong phần bổ
sung IEEE 806.16e để hỗ trợ băng thông kênh tỉ lệ (co dãn) từ 1.25 đến 2 MHz. Nhóm kỹ
thuật di động (Mobile Technical Group) trong diễn đàn WiMAX Forum đang phát triển
tham số hệ thống cho WiMAX di động qua đó xác định các đặc tính bắt buộc và tuỳ chọn
của chuẩn IEEE - là chuẩn giao diện vô tuyến tương thích với WiMAX di động.
Tham số WiMAX di động cho các hệ thống di động được phép cấu hình trên cơ sở
một tập các đặc tính cơ bản để đảm bảo chức năng cơ bản nhất cho các thiết bị đầu cuối
(terminal) và các trạm gốc (base station). Đó là các cấu hình được tối ưu về dung lượng
hoặc được tối ưu về phủ sóng. Phiên bản WiMAX di động phiên bản 1 sẽ bao gồm các
bă
ng thông kênh 5, 7, 8.75 và 10 MHz dành cho các dải tần được cấp phép trên thế giới
như: 2.3 GHz, 2.5 GHz, 3.3 GHz và 3.5 GHz.
Các hệ thống WiMAX di động cung cấp khả năng mở rộng về cả công nghệ truy nhập vô
tuyến và kiến trúc mạng, do đó cung cấp khả năng linh động cao trong các lựa chọn phát
triển mạng và cung cấp dịch vụ. Một số các đặc điểm chính mà WiMAX di động hỗ trợ là:

Tốc độ dữ liệu cao: Các kỹ
thuật anten MIMO cùng với các nguyên lý chia nhỏ kênh
(sub-channelization) linh hoạt, mã hoá và điều chế nâng cao, tất cả làm cho công nghệ

WiMAX di động có khả năng hỗ trợ tốc độ dữ liệu đường xuống (DL) tối đa lên tới
63Mbps cho một sector và tốc độ dữ liệu đường lên (UL) tối đa lên tới 28Mbps cho một
sector trong một kênh 10MHz.
Chất lượng dịch vụ (QoS): Tiền đề cơ bản của kiến trúc MAC (Media Access Control)
trong IEEE 802.16 là QoS. Nó định nghĩ
a luồng dịch vụ (Service Flows) 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 (end-to-end) theo giao thức IP trên cơ sở QoS. Ngoài ra, các nguyên lý báo hiệu trên
cơ sở kênh chi nhỏ kênh (sub-channelization) 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 theo
khung (frame by frame).
Tính mềm dẻo: Tài nguyên phổ cho băng rộ
ng không dây được cấp phát khác nhau. Vì
vậy công nghệ WiMAX di động được thiết kế để có thể linh hoạt (mềm dẻo) để hoạt động
trong các kênh khác nhau từ 1.25 đến 20 MHz thoả mãn các yêu cầu trên toàn cầu.
Khả năng bảo mật: Các đặc tính khả năng bảo mật trong WiMAX di động là tốt nhất
trong lớp với sự xác thực trên theo EAP, mã hoá được xác thực theo AES-CCM, các
nguyên bảo vệ bản tin điều khiển theo CMAC và HMAC. Các xác thực cho một t
ập các
người dùng đang tồn tại bao gồm: thẻ SIM/USIM, các thẻ thông minh (Smart Card), các
chứng chỉ số (Digital Certificate), các nguyên lý Username/Password theo các phương
pháp EAP tương ứng cho kiểu nhận thực.
Khả năng di động: WiMAX di động hỗ trợ các nguyên lý chuyển giao tối ưu với trễ nhỏ
hơn 50 msec để đảm bảo các ứng dụng thời gian thực như VoIP với dịch vụ không bị suy
giảm. Các nguyên lý quản lý khoá linh động mà b
ảo mật được duy trì trong quá trình
chuyển giao.
2. Lớp vật lý
2.1. Cở sở OFDMA


2
Công nghệ ghép kênh phân chia tần số trực giao (OFDM) là một kỹ thuật ghép kênh, nó
chia nhỏ băng thông thành các tần số sóng mang con. Trong một hệ thống OFDM, luồng
dữ liệu đầu vào được chia thành các luồng con song song với tốc độ giảm (và như vậy
tăng khoảng thời gian của ký hiệu – symbol) và mỗi luồng con được được điều chế và
truyền trên một sóng mang con (sub-carrier) trực giao tách biệt. Khoảng thời gian cho mỗi
biểu trư
ng tăng sẽ cải thiện khả năng chống lại trễ lan truyền của OFDM. Hơn nữa, tiền tố
vòng - CP (cyclic prefix) có thể hoàn toàn loại bỏ nhiễu xuyên ký hiệu (ISI) miễn là thời
lượng CP lâu hơn trễ kênh lan truyền. CP chính là sự lặp lại phần dữ liễu gồm các mẫu
cuối của khối được gắn vào trước một tải tin. Chính CP chống lại nhiễu liên khối và làm
kênh quay vòng và cho phép cân bằng mi
ền tần số với độ phức tạp thấp. Tuy vậy, một hạn
chế của CP là nó được thêm vào trước tải tin làm giảm hiệu suất sử dụng băng thông. CP
không chỉ làm giảm hiệu suất băng thông, ảnh hưởng của CP cũng tương tự như hệ số roll-
off trong các hệ thống sóng mang đơn được lọc cosine nâng. Do OFDM có một phổ "tường
gạch" (đan xen) rất nhọn, mộ
t tỉ lệ lớn các băng thông kênh cấp phát có thể được sử dụng
cho truyền số liệu, giúp làm giảm suy hao hiệu suất do tiền tố vòng CP.
OFDM khai thác sự phân tập tần số của kênh đa đường bằng cách mã hoá và chèn
thông tin trên các sóng mang con trước khi truyền đi. Điều chế OFDM có thể thực hiện
được với biến đổi ngược Fourier nhanh - IFFT, phép biến đổi này cho phép một số lượng
lớn các sóng mang con (lên tới 2048) với độ ph
ức tạp thấp. Trong một hệ thống OFDM, tài
nguyên sẵn có trong miên thời gian chính là các symbol OFDM và trong miền tần số chính
là các sóng mang con. Tài nguyên về thời gian và tần số có thể được tổ chức thành các
kênh con (sub-channel) cấp phát cho người dùng. OFDMA là một nguyên lý đa truy cập/
ghép kênh cung cấp khả năng ghép kênh các luồng dữ liệu từ nhiều người dùng trên các
kênh con hướng xuống và đa truy nhập hướng lên nhờ các kênh con hướng lên.
2.2. Cấu trúc symbol OFDMA và kênh con hoá

Cấu trúc symbol OFDMA gồm 3 loại sóng mang con như Hình 4:
- Sóng mang con dữ
liệu (data) cho truyền dữ liệu
- Sóng mang con dẫn đường (pilot) cho mục đích ước lượng và đồng bộ
- Sóng mang con vô dụng (null) không để truyền dẫn; được sử dụng cho các băng bảo
vệ và các sóng mang DC.












Các kênh con tích cực (dữ liệu và dẫn đường) được nhóm lại thành các tập con các sóng
mang con gọi là các kênh. OFDMA PHY hỗ trợ kênh con hoá ở cả hướng xuống – DL và
hướng lên – UL. Đơn vị
tài nguyên tần số thời gian tối thiểu là một khe bằng với 48 âm
điệu dữ liệu (các sóng mang con).
Có hai kiểu hoán vị các kiểu sóng mang con cho kênh con hoá; phân tập (diversity) và lân
cận (contiguous). Hoán vị phân tập kéo theo các sóng mang con ngẫu nhiên tạo thành các
kênh con. Nó cung cấp phân tập tần số và lấy trung bình nhiễu liên tế bào. Các hoán vị
phân tập gồm DL FUSC (Fully Used Sub-carrier – sóng mang con sử dụng hoàn toàn), DL
PUSC (Partially Used Sub-Carrier – sóng mang con sử dụng một phần) và UL PUSC và
Hình 1: Cấu trúc sóng mang con OFDMA
…


Sóng mang
con dữ liệu
Sóng mang
con DC
Sóng mang
con dẫn đường
Sóng mang con
giám sát
…

…


3
các hoán vị tuỳ chọn thêm vào. Với DL PUSC, mỗi cặp symbol OFDM, các sóng mang
con khả dụng được nhóm lại thành các cluster chứa 14 sóng mang con lân cận trên mỗi
khoảng thời gian của symbol, với cấp phát dữ liệu và dẫn đường trong mỗi cluster trong
các symbol chẵn và lẻ như mô tả trên Hình 1.













Một nguyên lý sắp xếp lại được sử dụng để tạo thành các nhóm cluster chẳng hạn mỗi
nhóm được tạo thành bởi các cluster được phân b
ố qua không gian các sóng mang con.
Mỗi kênh con trong một nhóm chứa hai cluster và được tạo bởi 48 sóng mang con và 8
sóng mang dẫn đường (pilot). Các sóng mang con dữ liệu trong mỗi nhóm được tiếp tục
hoán vị để tạo thành các kênh con trong phạm vi nhóm. Vì vậy, chỉ các vị trí dẫn đường
trong cluster là được biểu thị trong hình 2. Các sóng mang con dữ liệu trong cluster được
phân bổ cho nhiều kênh con.
Cấu trúc cluster cho DL, một cấu trúc lát (tile) được định nghĩa cho UL PUSC có định
dạng như Hình 3.












Không gian sóng mang con khả dụng sẽ được phân chia thành các lát (tile) và 6 lát, được
chọn từ toàn bộ phổ theo nguyên lý hoán vị/ sắp xếp lại, và được nhóm lại với nhau tạo
thành khe (slot). Một slot gồm 48 sóng mang con dữ liệu và 24 sóng mang cón dẫn đường
trong 3 symbol OFDM. Hoán vị lân cận nhóm một khối các sóng mang lân cận tạo thành
một kênh con. Các hoán vị lân cận gồm AMC hướng DL và AMC hướng UL có cùng cấu
trúc. Trong một symbol có 9 sóng mang con lân cận (gọi là bin), với 8 trong số đó được ấn
định cho dữ liệu (data) và 1

được ấn định cho dẫn đường (pilot). Một slot trong AMC được
định nghĩa như một tập các bin của kiểu (NxM =6), trong đó N là số các bin lân cận và M
là số các symbol cận. Do vậy các tổ hợp cho phép là [(6 bins, 1 symbol)
2.3. Scalable OFDMA
Chế độ OFDM cho mạng không dây diện rộng (Wireless MAN) theo chuẩn IEEE 802.16e-
2005 dựa trên kỹ thuật S-OFDMA (Scalable OFDMA). S-OFDMA hỗ trợ nhiều dải băng
thông khác nhau để xác định hoạt động nhu cầu cấp phát phổ khác nhau và các yêu cầu mô
hình sử dụng. Khả nă
ng tỉ lệ được hộ trợ nhờ điều chỉnh kích thước FFT trong khi vẫn giữ
Hình 2: Tần số DL gồm nhiều kênh con
Các ký hiệu chãn
Các ký hiệu lẻ
Sóng mang con dữ liệu

Sóng mang con điều khiển
Ký hiệu 0
Sóng mang con dữ liệu Sóng mang con điều khiển
Ký hiệu 1
Ký hiệu 2
Hình 3: Cấu trúc tile cho đường lên UL PUSC

4
nguyên độ rộng băng tần sóng mang con là 10.94 KHz. Do vậy băng thông sóng mang con
theo đơn vị tài nguyên và độ dài của symbol là cố định, ảnh hưởng ở các lớp cao hơn cũng
được tối thiểu hoá khi lấy tỉ lệ băng thông. Các tham số S-OFDMA được liệt kê trong
Bảng 1. Các băng thông hệ thống cho hai hồ sơ mà nhóm kỹ thuật WiMAX Forum đưa ra
lần đầu (Release-1) là 5 và 10 MHz.
Bảng 1: Các tham số tỉ lệ OFDMA
Tham số Giá trị
Băng thông kênh hệ thống (MHz) 1.25

5 10 20
Tần số lấy mẫu (F
p
ở MHz) 1.4 5.6 11.2 22.4
Kích thước FFT (N
FFT
) 128 512 1024 2048
Số kênh con (sub-channels) 2
8 16 32
Độ rộng tần số sóng mang con 10.94 Khz
Khoảng thời gian symbol (T
b
=1/f) 91.4 ms
Khoảng thời gian bảo vệ (T
g
=T
b
/8) 11.4 ms
Khoảng biểu trưng OFDMA (T
s
=T
b
+T
g
) 102.9 ms
Số biểu trưng OFDMA (Khung 5 ms) 48
2.4. Cấu trúc khung TDD
Chuẩn 802.16e hỗ trợ TDD và FDD bán song công; tuy nhiên phê chuẩn WiMAX di động
đưa ra lần đầu tiên chỉ có TDD. Với những phát hành sắp tới, WiMAX Forum sẽ đề cập
đến FDD cho các thị trường xác định – nơi mà các yêu cầu ổn định phổ cục bộ sẽ hoặc kế

thừa TDD hoặc sẽ triển khai FDD. Đối với các vấn đề nhiễu, TDD không yêu cầu sự đồng
bộ hệ thống ở diện rộ
ng; trái lại TDD sẽ ưu tiên chế độ song công bởi các lý do:

- TDD cho phép điều chỉnh tỉ lệ DL/UL (đường xuống/đường lên) để hỗ trợ hiệu quả lưu
lượng không đối xứng giữa đường xuống và đường lên (với FDD thì tỉ lệ đường xuống và
lên là không đổi và thường là bằng băng thông của đường xuống và đường lên).
- TDD đảm bảo sự trao đổi kênh để: hỗ trợ khả
năng điều chỉnh đường truyền, MIMO và
các công nghệ anten vòng kín cao cấp khác.
- Không như FDD yêu cầu một cặp kênh, TDD chỉ yêu cầu một kênh đơn cho cả đường lên
và đường xuống đem lại khả năng điều chỉnh linh động sự cấp phát tần số toàn cục.
- Các thiết kế bộ thu phát để triển khai TDD cũng ít phức tạp và ít tốn kém hơn.
Hình 7 minh hoạ cấu trúc khung OFDM ở chế độ
TDD. Mỗi khung được chia thành các
khung con hướng xuống (DL) và hướng lên (UL) bởi bộ Phát/Thu và Thu/Phát (TTG và
RTG) để tránh xung đột giữa hướng DL và UL. Trong một khung, thông tin điều khiển
dùng để đảm bảo hoạt động hệ thống được tối ưu:
- Phần đầu khung (Preamble): Là symbol OFDM đầu tiên của khung dùng để đồng bộ.
- Tiêu đề điều khiển khung (FCH): FCH nằm sau phần mở đầu khung. Nó cho biết thông
tin cấu hình khung như độ dài bản tin MAP, nguyên lý mã hoá và các kênh con khả d
ụng.
- DL-MAP và UL-MAP: DL-MAP và UL-MAP cho biết cấp phát kênh con và các thông
tin điều khiển khác lần lượt cho các khung con DL và UL.
- Sắp xếp UL: Kênh con sắp xếp cho UL được cấp phát cho trạm di động (MS) để thực
hiện điều chỉnh: thời gian vòng kín, tần số và công suất cung như yêu cầu băng thông.
- UL CQICH: Kênh UL CQICH cấp phát cho MS để phản hồi trạng thái kênh.
- UL ACK: Kênh UL ACK cấp cho MS để xác nhận phản hồi DL HARQ.











5



















2.5. Các đặc tính lớp PHY cao cấp khác
WiMAX di động đã đưa ra các kỹ thuật: AMC - điều chế thích nghi và mã hoá, HARQ –

Yêu cầu lặp lại tự động lại kiểu kết hợp, CQICH - Phản hồi kênh nhanh để nâng cao khả
năng phủ sóng, dung lượng cho WiMAX trong các ứng dụng di động.
Trong WiMAX di động ở đường xuống, bắt buộc phải có các hỗ trợ
điều chế QPSK,
16QAM và 64QAM, còn ở đường lên, 64QAM là tuỳ chọn. Cả mã hoá vòng và mã hoá
Turbo vòng với tốc độ mã thay đổi và mã lặp cũng được hỗ trợ. Ngoài ra, mã khối Turbo
và mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp (LDPC) cũng được hỗ trợ tuỳ chọn. Bảng 2 tổng kết
các nguyên lý mã hoá và điều chế hỗ trợ trong WiMAX di động (điều chế và mã hoá
hướng lên tuỳ chọn được in nghiêng).

Bảng 2: Các k
ỹ thuật mã hoá và điều chế được hỗ trợ

Hướng xuống – DL Hướng lên – UL
Điều chế
QPSK, 16QAM,
64QAM
QPSK, 16QAM,
64QAM
CC 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 1/2, 2/3, 5/6
CTC 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 1/2, 2/3, 5/6
Tốc độ
mã
Mã lặp x2, x4, x6 x2, x4, x6

Sự tổ hợp các kỹ thuật điều chế và các tốc độ mã đem lại sự tinh phân giải tốc độ dữ liệu
như minh hoạ trong Bảng 3 (với độ rộng các kênh là 5 và 10 MHz với các kênh con
PUSC). Độ dài khung là 5 ms. Mỗi khung có 48 biểu trưng OFDM gồm 44 biểu trưng
OFDM sẵn sàng để truyền dữ liệu. Các giá trị được đánh dấu màu là để chỉ các tốc độ cho
kỹ thuật 64QAM tuỳ

chọn ở đường lên.





Hình 4: Cấu trúc khung WiMAX OFDMA
FCH
Số ký hiệu OFDM
Truyền chuỗi DL #2
Lệnh viết ký hiệu được mã hóa
Số kênh con theo lôgíc
UL
MAP
DL
MAP
UL
MAP
Mở đầu
1






8-1
8
8+1











N
Truyền chuỗi DL #7
Truyền chuỗi DL #4
Truyền
chuỗi DL #5
Truyền
chuỗi DL #1
T. chuỗi DL #3
Truyền chuỗi DL #6
ACK-CH
Sắp xếp
theo thứ
tự
Truyền chuỗi 1
Truyền chuỗi 2
Truyền chuỗi 3
Truyền chuỗi 4
Truyền chuỗi 5
Thông tin phản hồi
nhanh (CQICH)
0 1 3 5 7 9 … … N-1 0 … … … M-1

Khung con đường xuống Khung con đường lên
Ngăn ngừa