BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

TRUYỀN DỮ LIỆU TCP TRÊN MẠNG WIMAX

NGÀNH: ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG
MÃ SỐ:
ĐOÀN THỊ HỒNG MINH

Người hướng dẫn khoa học: TS. ĐẶNG QUANG HIẾU

HÀ NỘI 2010


Truyền dữ liệu TCP trên mạng WiMAX

MỤC LỤC
Trang

MỤC LỤC ........................................................................................ i
DANH MỤC HÌNH ....................................................................... iv
DANH MỤC BẢNG ....................................................................... v
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT............................................................. vi
LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................ x
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX......... 1
1.1 Khái niệm cơ bản về WiMAX và chuẩn IEEE 802.16. ....................................1
1.2 Đặc điểm công nghệ WiMAX ..........................................................................3
1.2.1 Một số đặc điểm kỹ thuật chính .................................................................3

1.2.2 Các đặc tính nâng cao hiệu năng trong WiMAX......................................5
1.2.2.1 Phân tập phát .......................................................................................6
1.2.2.2 Sự tạo chùm.........................................................................................6
1.2.2.3 Ghép kênh không gian ........................................................................6
1.2.3 Tầng vật lý của WiMAX............................................................................7
1.2.2.1 Cấu hình kênh trong tầng vật lý ..........................................................7
1.2.2.2 Mã hóa và điều chế thích ứng trong WiMAX ....................................7
1.2.4 Tầng điều khiển truy cập phương tiện truyền MAC ..................................8
1.3 Mô hình triển khai và các ứng dụng của WiMAX............................................9
1.3.1 Mô hình triển khai hệ thống WiMAX........................................................9
1.3.2 Ứng dụng và triển vọng phát triển của WiMAX .....................................11
1.3.2.1 Truy nhập Internet tốc độ cao tại khu vực dân cư ............................11
1.3.2.2 Các doanh nghiệp vừa và nhỏ: ..........................................................11
1.3.2.3 Thay thế cho các Wi-Fi Hot Spot: ....................................................11
1.3.2.3 Cellular Backhaul..............................................................................12
1.3.2.4 Các dịch vụ khẩn cấp công cộng và các mạng cá nhân ....................12
1.3.3 So sánh WiMAX với Wi-Fi .....................................................................12
1.4 Nguyên lý thiết kế kiến trúc mạng WiMAX...................................................13
1.4.1 Nguyên lý thiết kế ....................................................................................13
1.4.2 Mô hình tham chiếu mạng .......................................................................14
1.4.2.1 Mô tả chức năng ASN.......................................................................15
1.4.2.2 Mô tả chức năng của CSN ................................................................18
1.4.2.3 Các điểm tham chiếu.........................................................................18
1.4.3 Phân tầng giao thức qua mạng WiMAX..................................................20

i


Truyền dữ liệu TCP trên mạng WiMAX


1.4.4 Phát hiện và chọn mạng ...........................................................................21
1.4.5 Cấp phát địa chỉ IP ...................................................................................22
1.5 Những ưu điểm và nhược điểm của WiMAX.................................................22
1.5.1 Ưu điểm....................................................................................................22
1.5.2 Nhược điểm..............................................................................................24
1.6 Kết luận chương ..............................................................................................25

CHƯƠNG 2 – TÌM HIỂU VỀ GIAO THỨC ĐIỀU KHIỂN
TRUYỀN DẪN TCP .................................................................... 27
2.1 Khái niệm về TCP...........................................................................................28
2.1.1 Mô hình tham chiếu TCP/IP ....................................................................28
2.1.1.1 Tầng Host to Network.......................................................................28
2.1.1.2 Tầng Internet .....................................................................................28
2.1.1.3 Tầng Truyền tải .................................................................................29
2.1.1.4 Tầng Ứng dụng .................................................................................29
2.1.2 Các dịch vụ TCP ......................................................................................30
2.1.3 Định dạng đoạn TCP................................................................................31
2.1.4 Thiết lập kết nối TCP ...............................................................................35
2.1.5 Đóng kết nối TCP ....................................................................................36
2.2 Nguyên lý cửa sổ trượt....................................................................................37
2.2.1 Giới thiệu về nguyên lý cửa sổ trượt........................................................37
2.2.2 Nguyên lý cửa sổ áp dụng cho TCP.........................................................40
2.3 Các giải thuật kiểm soát tắc nghẽn..................................................................41
2.3.1 Khởi động chậm ..........................................................................................42
2.3.2 Tránh tắc nghẽn...........................................................................................43
2.3.3 Truyền lại nhanh ..........................................................................................46
2.3.4 Khôi phục nhanh ..........................................................................................47
2.4 Kết luận chương ..............................................................................................48

CHƯƠNG 3 – TRUYỀN DỮ LIỆU TCP TRÊN MẠNG

WIMAX......................................................................................... 49
3.1 Giới thiệu mở đầu............................................................................................50
3.2 Sự ánh xạ lưu lượng TCP................................................................................50
3.2.1 Khái niệm lớp con hội tụ..........................................................................50
3.2.2 Sự đóng gói (Encapsulation)....................................................................51
3.2.3 Các kết nối và luồng dịch vụ....................................................................55

ii


Truyền dữ liệu TCP trên mạng WiMAX

3.2.4 Việc nén tiêu đề tải tin .............................................................................56
3.2.4.1 Các quy tắc PHS................................................................................58
3.2.4.2 Báo hiệu quy tắc PHS .......................................................................59
3.3 Sự phân loại gói ..............................................................................................60
3.4 Các lớp dịch vụ QoS .......................................................................................64
3.5 Các giải thuật lập lịch......................................................................................66
3.5.1 Xếp hàng FIFO.........................................................................................68
3.5.2 Xếp hàng theo độ ưu tiên .........................................................................68
3.5.3 Xếp hàng theo yêu cầu .............................................................................69
3.5.4 Xếp hàng công bằng trọng số (WFQ) ......................................................69
3.5.5 Xếp hàng công bằng trọng số dựa trên lớp ..............................................70
3.6 Kết luận chương ..............................................................................................70

KẾT LUẬN ................................................................................... 71
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................... 72

iii



Truyền dữ liệu TCP trên mạng WiMAX

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Mô hình triển khai mạng WiMAX..............................................................9
Hình 1.2: Mô hình tham chiếu mạng ........................................................................15
Hình 1.3: Biểu diễn logic kiến trúc đầu cuối mạng WiMAX ...................................21
Hình 2.1: Mô hình tham chiếu TCP/IP .....................................................................28
Hình 2.2: Đóng gói dữ liệu TCP vào IP datagram....................................................31
Hình 2.3: Tiêu đề TCP ..............................................................................................32
Hình 2.4: Thủ tục bắt tay 3 bước ..............................................................................35
Hình 2.5: Nguyên lý cửa sổ trượt..............................................................................37
Hình 2.6: TCP-Các gói tin ........................................................................................38
Hình 2.7: Nguyên lý cửa sổ trượt..............................................................................39
Hình 2.8: Nguyên lý cửa sổ áp dụng cho TCP..........................................................41
Hình 2.9: TCP khởi động chậm ................................................................................43
Hình 2.10: Hoạt động của khởi động chậm và tránh tắc nghẽn................................46
Hình 2.11: Hoạt động của phương pháp truyền lại nhanh ........................................47
Hình 3.1: Vị trí của lớp con hội tụ đặc trưng dịch vụ ...............................................51
Hình 3.2: Định dạng MAC SDU...............................................................................52
Hình 3.3: Sự đóng gói PDU Ethernet và IP PDU vào MAC SDU IEEE 802.16 ...52
Hình 3.4: Định dạng MAC PDU IEEE 802.16 .........................................................53
Hình 3.5: Cấu trúc khung DL và UL cho hệ thống TDD..........................................53
Hình 3.6: Quan hệ giữa SFID và CID.......................................................................55
Hình 3.7: Mô tả luồng dịch vụ và kết nối .................................................................56
Hình 3.8: Nén tiêu đề tải tin ở thực thể gửi...............................................................57
Hình 3.9: Cơ chế nén tiêu đề tải tin ở thực thể nhận.................................................57
Hình 3.10: Mô tả hoạt động của PHS. ......................................................................58
Hình 3.11: Thông điệp quản lý MAC DSC cho việc báo hiệu quy tắc PHS ............60
Hình 3.12: Sự phân loại và ánh xạ CID (từ BS tới SS).............................................63

Hình 3.13: Sự phân loại và ánh xạ CID (từ SS tới BS).............................................63

iv


Truyền dữ liệu TCP trên mạng WiMAX

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 Hoạt động chức năng của ASN trong các mô tả triển khai. ......................18
Bảng 1.2 Các điểm tham chiếu WiMAX ..................................................................20
Bảng 2.1: Các tùy chọn trong tiêu đề TCP ...............................................................34
Bảng 3.1: Một vài giá trị của trường hỗ trợ PHS ......................................................58
Bảng 3.2: Các tham số luồng dịch vụ bắt buộc.........................................................66

v


Truyền dữ liệu TCP trên mạng WiMAX

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Viết tắt

Tiếng Anh

Nghĩa Việt

AAS

advanced antenna systems


Các hệ thống Ăngten tiên tiến

ADC

analog-to-digital converter

Bộ chuyển đổi tương tự số

AMC

adaptive modulation and coding

Mã hoá và điều chế thích nghi

ASN

access services network

Mạng dịch vụ truy cập

ASN-GW ASN gateway

Cổng ASN

ASP

application service provider

Nhà cung cấp dịch vụ ứng dụng


BE

best effort

Dịch vụ nỗ lực tốt nhất

BEP

bit error probability

Xác suất lỗi bit

BER

bit error rate

Tỷ lệ lỗi bit

BS

base station

Trạm gốc (Trạm cơ sở)

CBR

constant bit rate

Tốc độ bít không đổi


CCI

cochannel interference

Nhiễu đồng kênh

CP

cyclic prefix

Tiền tố vòng

CRC

cyclic redundancy check

Mã kiểm tra dư thừa

DAC

digital-to-analog converter

Bộ chuyển đổi số tương tự

downlink

Đường xuống, hướng xuống

FDD


frequency division duplexing

Song công phân chia theo tần số

FFT

fast Fourier transform

Biến đổi Fourier nhanh

FM

frequency modulation

Điều chế tần số

FWA

fixed wireless access

Truy cập không dây cố định

GW

gateway

Cổng kết nối

DL


vi


Truyền dữ liệu TCP trên mạng WiMAX

Viết tắt

Tiếng Anh

Nghĩa Việt

intercarrier interference

Nhiễu liên sóng mang

IEEE

Institute of Electrical and
Electronics Engineers

Hiệp hội các kỹ sư điện và điện tử
thế giới

IFFT

inverse fast Fourier transform

Biến đổi Fourier nhanh ngược

inter-symbol interference


Nhiễu liên ký hiệu

LOS

line of sight

Tầm nhìn thẳng

MAC

media access control

Điều khiển truy cập phương tiện

MIMO

multiple input multiple output

Đa xuất đa nhập

MISO

multiple input/single output

Đa nhập đơn xuất

multilevel QAM

Điều chế QAM đa mức


MS

mobile station

Trạm di động

NAP

network access provider

Nhà cung cấp truy cập mạng

NLOS

non–line-of-sight

Không cần tầm nhìn thẳng

NRM

network reference model

Mô hình tham chiếu mạng

nrtPS

non–real-time polling service

Dịch vụ dò hỏi không cần thời gian

thực

NSP

network services provider

Nhà cung cấp dịch vụ mạng

NTP

network timing protocol

Giao thức định thời mạng

NWG

Network Working Group

Nhóm làm việc NWG

OFDM

orthogonal frequency division
multiplexing

Đa phân chia tần số trực giao

OFDMA

orthogonal frequency division

multiple access

Đa truy cập phân chia theo tần số
trực giao

PDF

probability density function

Hàm mật độ xác suất

P/S

parallel to serial

Bộ chuyển đổi song song nối tiếp

ICI

ISI

M-QAM

vii


Truyền dữ liệu TCP trên mạng WiMAX

Viết tắt


Tiếng Anh

Nghĩa Việt

quality of service

Chất lượng dịch vụ

QAM

quadrature amplitude
modulation

Điều chế QAM

QPSK

quadrature phase shift keying

Điều chế QPSK

RF

radio frequency

Tần số vô tuyến

RP

reference point


Điểm tham chiếu

RR

radio resource

Tài nguyên vô tuyến

rtPS

real-time polling service

Dịch vụ dò hỏi thời gian thực

SIMO

single input/multiple output

Đơn nhập đa xuất

SINR

signal-to-interference-plus-noise Tỷ số tín hiệu trên (giao thoa +
ratio
nhiễu)

QoS

SIR


signal-to-interference ratio

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

SISO

single input/single output

Đơn nhập đơn xuất

SLA

service-level agreement

Thoả thuận mức dịch vụ

SNR

signal-to-noise ratio

Tỷ số tín hiệu trên tạp nhiễu

S/P

serial to parallel

Bộ chuyển đổi nối tiếp song song

SS


subscriber station

Thuê bao

STBC

space/time block code

Mã hoá khối không gian – thời gian

TDD

time division duplexing

Song công phân chia theo thời gian

TDM

time division multiplexing

Đa phân chia theo thời gian

time division multiple access

Đa truy cập phân chia theo mã

unsolicited grant services

Các dịch vụ cấp tự động


uplink

Đường lên, hướng lên

wireless fidelity

Mạng không dây WiFi

TDMA
UGS
UL
Wi-Fi

viii


Truyền dữ liệu TCP trên mạng WiMAX

Viết tắt

Tiếng Anh

Nghĩa Việt

WiMAX

worldwide interoperability for
microwave access


Mạng không dây WiMAX

WMAN

wireless metropolitan area
network

Mạng đô thị không dây

ix


Truyền dữ liệu TCP trên mạng WiMAX

LỜI NÓI ĐẦU
Xu thế phát triển của viễn thông trên thế giới hiện nay mang tính chất hội
tụ, đáp ứng các nhu cầu thiết yếu và đòi hỏi của xã hội về tốc độ truyền dẫn,
độ chính xác và sự đa dạng hóa các dịch vụ. Để đáp ứng các yêu cầu đó,
nhiều công nghệ mới đã được nghiên cứu và ra đời như 3G, Wi-Fi, WiMAX.
Hiện nay công nghệ WiMAX đang là một trong những công nghệ được quan
tâm hàng đầu trên thế giới.
Công nghệ WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access)
là công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng dựa trên chuẩn IEEE 802.16 sử
dụng băng tần thấp hơn 66 GHz bao gồm các phiên bản yêu cầu tầm nhìn
thẳng và không yêu cầu tầm nhìn thẳng. Mạng truy cập vô tuyến băng thông
rộng sử dụng công nghệ WiMAX (gọi tắt là mạng WiMAX ) cung cấp các
dịch vụ đa phương tiện trên nền IP như điện thoại có hình ảnh, điện thoại di
động, truyền dữ liệu tốc độ cao, truyền hình theo yêu cầu. WiMAX cạnh tranh
với các công nghệ như ADSL và Cáp trong việc cung cấp sự truy nhập
Internet băng rộng đặc biệt là ở những nơi mà hai công nghệ không được sử

dụng hoặc giá thành quá cao. WiMAX cũng có thể trở thành một phần của
mạng đường trục băng rộng.
Các ứng dụng dựa trên TCP như duyệt web, thư điện tử và FTP là các ứng
dụng phổ biến nhất trong Internet. Do WiMAX có thể cung cấp sự truy nhập
Internet băng rộng nên việc nghiên cứu cách thức dữ liệu TCP được truyền
trên WiMAX là rất quan trọng. Xuất phát từ yêu cầu trên tác giả đã chọn đề
tài luận văn là “TRUYỀN DỮ LIỆU TCP TRÊN MẠNG WIMAX”
Nội dung của luận văn được tác giả trình bày trong ba chương theo cấu
trúc như sau:

x


Truyền dữ liệu TCP trên mạng WiMAX

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX – Trong chương
này tác giả chủ yếu đưa ra những đặc tính kỹ thuật của công nghệ WiMAX,
mô hình triển khai mạng WiMAX và những ứng dụng có thể triển khai
Chương 2: TÌM HIỂU VỀ GIAO THỨC LỚP TRUYỀN TẢI TCP –
Trong chương này tác giả sẽ trình bày những khái niệm cơ bản về giao thức
lớp truyền tải TCP, nguyên lý cửa sổ trượt và các giải thuật tránh tắc nghẽn
Chương 3: TRUYỀN DỮ LIỆU TCP TRÊN MẠNG WIMAX - Trong
chương này tác giả sẽ trình bày về cách thức dữ liệu TCP được ánh xạ trong
mạng WiMAX, sự phân loại gói, các lớp dịch vụ QoS và các giải thuật lập
lịch.
Ngoài ra luận văn còn có các phần: KẾT LUẬN SAU CÙNG - để nhận xét
chung về việc truyền dữ liệu TCP trên mạng WiMAX, ở đó cũng chỉ ra những
hướng nghiên cứu tiếp theo của tác giả; TÀI LIỆU THAM KHẢO – liệt kê
những tài liệu quan trọng giúp tác giả hoàn thành được luận văn này.
Luận văn được tác giả nghiêm túc nghiên cứu và hoàn thiện. Tuy nhiên do

WiMAX là một công nghệ khá mới mẻ nên luận văn có thể có thiếu sót. Rất
mong nhận được sự góp ý và chia sẻ của bạn đọc. Tác giả trân trọng lắng
nghe và xin chân thành cảm ơn.

xi


Chương 1: Tổng quan về công nghệ WiMAX

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ CÔNG
NGHỆ WIMAX
Nội dung:
) Khái niệm cơ bản về WiMAX và chuẩn IEEE 802.16.
) Nghiên cứu đặc điểm công nghệ WiMAX
) Nghiên cứu mô hình triển khai mạng WiMAX và các ứng dụng
) Nghiên cứu nguyên lý thiết kế kiến trúc mạng
) Đánh giá những ưu, nhược điểm của công nghệ WiMAX
) Kết luận chương.

1


Chương 1: Tổng quan về công nghệ WiMAX

1.1 Khái niệm cơ bản về WiMAX và chuẩn IEEE 802.16.
WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) là hệ thống
truyền thông số băng rộng không dây hoạt động với quy mô của các mạng đô
thị. WiMAX cung cấp truy nhập băng rộng với bán kính có thể lên tới 50 km
cho mỗi một trạm cố định và khoảng từ 5 đến 15 km cho mỗi trạm di động.
Vượt trội hơn hẳn so với chuẩn mạng cục bộ không dây WiFi/802.11 chỉ

khoảng từ 30 đến 100m, mà tốc độ truyền dữ liệu không hề thua kém tốc độ
truyền dữ liệu của Wi-Fi. Bản thân WiMAX là công nghệ hoạt động trên cả
hai dải băng tần đăng ký và không cần đăng ký.
Trên con đường phát triển của công nghệ, tiêu chí quan trọng đối với
WiMAX luôn được đảm bảo đó là tính liên tác của các công nghệ không dây,
để xây dựng lên môi trường làm việc di động thật sự. Dĩ nhiên WiMAX cũng
phải tuân theo tổ chức chuẩn của thế giới IEEE. Phân loại các chuẩn, tổ chức
IEEE đã phác thảo nên các hệ thống chuẩn không dây liên thông bao gồm:
IEEE 802.15 dành cho mạng cá nhân (PAN), IEEE 802.11 dành cho mạng
cục bộ (LAN), IEEE 802.16 dành cho mạng đô thị (MAN) và đề xuất IEEE
802.20 cho mạng diện rộng (WAN). Đối với chuẩn IEEE 802.16 - chuẩn mà
WiMAX tuân theo – là kết quả nghiên cứu và làm việc của nhóm IEEE
802.16.
Nhóm IEEE 802.16 được thành lập vào năm 1998 [trang 33, tài liệu 2] mục đích để phát triển chuẩn giao tiếp vô tuyến cho truy cập băng rộng không
dây. Mục tiêu ban đầu của nhóm là phát triển một hệ thống băng rộng không
dây dựa trên tầm nhìn thẳng (LOS) hoạt động trong dải tần 10-66 GHz.
Chuẩn IEEE 802.16 đầu tiên được hoàn thành vào tháng 12-2001 dựa trên
tầng vật lý đơn sóng mang và phương thức ghép kênh được sử dụng là ghép
kênh phân chia theo thời gian (TDM).

1


Chương 1: Tổng quan về công nghệ WiMAX

Cùng với sự phát triển và đòi hỏi của người sử dụng, nhóm IEEE 802.16
đã đưa ra chuẩn 802.16a là sự bổ sung cho chuẩn 802.16 ban đầu. Chuẩn này
cung cấp các ứng dụng không cần tầm nhìn thẳng (NLOS) trong dải 211GHz, sử dụng phương thức ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
(OFDM) và phương thức đa truy cập OFDMA. Một phiên bản nữa được công
bố vào năm 2004, gọi luôn là chuẩn IEEE 802.16-2004 thay thế tất cả các

phiên bản trước đó. Các giải pháp WiMAX dựa trên IEEE 802.16-2004 tập
trung vào các ứng dụng cố định và được gọi là WiMAX cố định (fixed
WiMAX). Vào tháng 12-2005 nhóm IEEE đã hoàn thiện chuẩn IEEE
802.16e-2005, là sự cải tiến và bổ sung cho chuẩn IEEE 802.16-2004, cụ thể
hỗ trợ thêm tính di động cho các ứng dụng xách tay, di động và được gọi là
WiMAX di động (mobile WiMAX). Ngày 13/5/2009 nhóm IEEE802.16 đã
hoàn thiện chuẩn IEEE 802.16-2009 quy định giao diện vô tuyến bao gồm lớp
MAC và lớp vật lý của hệ thống truy nhập băng rộng điểm – đa điểm (bao
gồm cả cố định và di động).
Do yêu cầu về khả năng liên tác toàn cầu nên cần thu hẹp phạm vi của
chuẩn và định nghĩa một tập các lựa chọn thiết kế cho việc triển khai. Diễn
đàn WiMAX thực hiện điều này bằng cách định nghĩa một số lượng hạn chế
các bản mô tả hệ thống (system profile) và các bản mô tả chứng thực
(certificate profile). Bản mô tả hệ thống định nghĩa một tập con các đặc điểm
bắt buộc hoặc tùy chọn cho tầng vật lý (PHY Layer) và tầng điều khiểu truy
cập phương tiện truyền (MAC layer) được diễn đàn WiMAX lựa chọn từ
chuẩn IEEE 802.16-2004 hoặc IEEE 802.16e-2005. Trạng thái bắt buộc hoặc
tùy chọn của một đặc điểm nào đó trong bản mô tả hệ thống WiMAX có thể
khác so với trong chuẩn gốc của IEEE. Hiện nay, diễn đàn WiMAX có hai
bản mô tả hệ thống khác nhau: một bản dựa trên IEEE 802.16-2004, gọi là
bản mô tả hệ thống cố định và một bản khác dựa trên IEEE 802.16e, được gọi

2


Chương 1: Tổng quan về công nghệ WiMAX

là bản mô tả hệ thống di động. Bản mô tả chứng thực là sự thuyết minh cụ thể
cho bản mô tả hệ thống trong đó quy định tần số hoạt động, băng thông kênh
và chế độ ghép song công.


1.2 Đặc điểm công nghệ WiMAX
Bất cứ một công nghệ nào ra đời, muốn khẳng định được thế mạnh và vị
trí của mình, chắc chắn phải song hành theo những đặc điểm công nghệ nổi
bật của riêng nó, WiMAX cũng thế. WiMAX muốn chứng minh về khả năng
truy cập băng rộng không dây quy mô lớn, đảm bảo được hiệu năng, độ tin
cậy và chất lượng dịch vụ của hệ thống đối với người sử dụng; do đó đã có
những xác định ngay từ ban đầu về đặc điểm kỹ thuật của công nghệ để có thể
đáp ứng được đòi hỏi này. Vậy đặc điểm công nghệ của WiMAX là những gì,
mục tiếp theo đây tác giả muốn giới thiệu một số đặc điểm kỹ thuật chính,
một số yếu tố cải thiện hiệu năng, khái quát sơ lược về tầng vật lý (PHY) và
cuối cùng là tầng điều khiển truy cập phương tiện truyền (MAC).
1.2.1 Một số đặc điểm kỹ thuật chính
• Tầng vật lý dựa trên OFDM: Tầng vật lý của WiMAX (PHY) dựa
trên ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM), đây là một mô
hình kháng cự tốt với trễ đa đường và cho phép WiMAX hoạt động
trong các điều kiện không cần tầm nhìn thẳng (NLOS), [trang 37, tài
liệu 2].
• Tốc độ dữ liệu cao: WiMAX có khả năng hỗ trợ tốc độ dữ liệu rất cao,
tối đa có thể đạt đến 70Mbps.
• Hỗ trợ chế độ Scalable OFDMA: Ở chế độ này kích thước FFT co
dãn theo băng thông kênh truyền. Ví dụ: Nếu băng thông kênh truyền là
1.25MHz, 5MHz, 10MHz thì kích thước FFT tương ứng là 128, 512,

3


Chương 1: Tổng quan về công nghệ WiMAX

1048. Do đó, số sóng mang con và số kênh con co dãn theo băng thông

và khoảng cách giữa các sóng mang con không phụ thuộc vào băng
thông kênh truyền, tốc độ trên mỗi kênh con là không đổi. Sự co dãn
này được thực hiện linh động để hỗ trợ người dùng chuyển vùng giữa
các mạng khác nhau có sự cấp phát băng thông khác nhau.
• Mã hóa và điều chế thích ứng (AMC): WiMAX hỗ trợ nhiều mô hình
điều chế và mô hình mã hóa sửa lỗi trước và cho phép thay đổi mô hình
từ người dùng này sang người dùng khác hoặc từ khung này sang
khung khác, dựa trên các điều kiện kênh truyền. AMC là một cơ chế
hiệu quả để tối đa hóa thông lượng trên kênh truyền biến đổi theo thời
gian.
• Hỗ trợ cơ chế truyền lại ở tầng liên kết: Đối với các kết nối yêu cầu
độ tin cậy cao, WiMAX hỗ trợ các yêu cầu truyền lại tự động (ARQ)
tại tầng liên kết. Các kết nối cho phép ARQ sẽ yêu cầu máy thu phải
gửi lại báo nhận (ACK) mỗi khi nhận được gói. Các gói không được
báo nhận được coi là đã bị mất và được truyền lại. WiMAX cũng hỗ trợ
tùy chọn H-ARQ (là phép lai hiệu quả giữa FEC và ARQ).
• Hỗ trợ cho TDD và FDD: IEEE 802.16-2004 và IEEE 802.16e hỗ trợ
cả TDD và FDD cho phép triển khai hệ thống với giá thành thấp. Tuy
nhiên, TDD được triển khai rộng rãi hơn bởi những ưu điểm sau:
ƒ Mềm dẻo trong việc chọn tỷ số tốc độ dữ liệu giữa hướng lên và
hướng xuống
ƒ Có khả năng tận dụng tính thuận nghịch của kênh truyền
ƒ Không cần sử dụng cặp tần số
ƒ Việc thiết kế bộ thu phát ít phức tạp hơn.
Tất cả các mô tả WiMAX ban đầu đều sử dụng TDD, trừ bản mô tả
WiMAX cố định trong dải tần 2.5GHz.

4



Chương 1: Tổng quan về công nghệ WiMAX

• Đa truy cập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA): Những
người dùng khác nhau được cấp phát những tập con các sóng mang con
OFDM khác nhau. OFDMA tận dụng tốt sự phân tập tần số và phân tập
đa người dùng, cải thiện đáng kể công suất và hiệu năng của hệ thống.
• Cấp phát kênh cho mỗi người dùng linh động và mềm dẻo: Sự cấp
phát tài nguyên ở cả hướng lên và hướng xuống được điều khiển bởi
một bộ lập lịch ở trạm gốc. Dung lượng (capacity) được chia sẻ giữa
nhiều người dùng dựa trên nhu cầu, sử dụng mô hình TDD. Khi sử
dụng chế độ OFDMA-PHY, sự ghép kênh được thực hiện thêm ở miền
tần số, bằng cách cấp phát các tập con các sóng mang con OFDM khác
nhau cho các người dùng khác nhau. Tài nguyên cũng có thể được cấp
phát trong miền không gian khi sử dụng các hệ thống anten tiên tiến.
•

Hỗ trợ chất lượng dịch vụ: Tầng MAC của WiMAX có kiến trúc
hướng kết nối, được thiết kế để hỗ trợ nhiều kiểu ứng dụng, bao gồm
thoại và các dịch vụ đa phương tiện. Hệ thống hỗ trợ các luồng lưu
lượng tốc độ bít cố định và thay đổi; theo thời gian thực và không theo
thời gian thực, ngoài ra còn có dịch vụ lưu lượng dữ liệu nỗ lực cao tốt
nhất (best-effort). Tầng MAC của WiMAX có khả năng hỗ trợ một
lượng lớn người dùng, với nhiều kết nối trên đầu cuối, mỗi kết nối có
một yêu cầu chất lượng dịch vụ riêng.

Ngoài ra còn một số các đặc tính như: bảo mật cao, hỗ trợ tính di động,
kiến trúc dựa trên IP.
1.2.2 Các đặc tính nâng cao hiệu năng trong WiMAX
Chuẩn WiMAX hỗ trợ thêm việc triển khai hệ thống anten tiên tiến (AAS)
để cải thiện hiệu năng. AAS đề cập tới giải pháp đa anten, bao gồm phân tập

phát, tạo chùm, ghép kênh theo không gian, [trang 25, tài liệu 7].

5


Chương 1: Tổng quan về công nghệ WiMAX

1.2.2.1 Phân tập phát
WiMAX định nghĩa nhiều mô hình mã hóa khối không gian-thời gian
được sử dụng để cung cấp sự phân tập phát (Transmit diversity) ở hướng
xuống, [trang 55, tài liệu 2]. Đối với phân tập phát có thể có hai hoặc nhiều
anten phát và một hoặc nhiều anten thu. Mã hóa khối không gian-thời gian
(STBC) được sử dụng cho trường hợp 2x1 anten được gọi là mã Alamouti.
Mã hóa khối không gian-thời gian Alamouti dễ dàng triển khai và cho độ lợi
phân tập giống với trường hợp phân tập thu 1x2. Phân tập phát có ưu điểm là
chuyển sự phức tạp về phía trạm gốc và do đó giúp giá thành của MS thấp.
1.2.2.2 Sự tạo chùm
Nhiều anten trong WiMAX cũng được dùng để phát cùng một tín hiệu với
trọng lượng xấp xỉ nhau cho mỗi phần tử anten để tập trung chùm
(beamforming) được phát theo hướng máy thu và tránh được nhiễu, do đó cải
thiện được SINR thu được. Việc tạo chùm đem lại sự cải thiện đáng kể về
phạm vi phủ sóng, công suất phục vụ các kết nối và độ tin cậy. Để thực hiện
việc tạo chùm ở bên truyền, máy phát phải có thông tin chính xác về kênh
truyền. WiMAX hỗ trợ việc tạo chùm ở cả hướng lên và hướng xuống. Đối
với hướng lên thường là dạng tạo chùm bên nhận.
1.2.2.3 Ghép kênh không gian
Trong đó nhiều luồng độc lập được phát thông qua nhiều anten. Nếu máy
thu có nhiều anten thì các luồng này được chia ra sử dụng tiến trình không
gian-thời gian. Thay vì tăng sự phân tập, đa anten trong trường hợp này được
sử dụng để tăng tốc độ dữ liệu hay công suất của hệ thống. Không giống như

phân tập phát và việc tạo chùm, ghép kênh không gian (Spatial multiplexing)
chỉ làm việc dưới các trạng thái kênh truyền tốt.

6


Chương 1: Tổng quan về công nghệ WiMAX

1.2.3 Tầng vật lý của WiMAX
Tầng vật lý WiMAX dựa trên ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
(OFDM). OFDM là một mô hình đơn giản và hiệu quả cho việc truyền dẫn dữ
liệu tốc độ cao trong môi trường vô tuyến đa đường hoặc không có tầm nhìn
thẳng.
1.2.2.1 Cấu hình kênh trong tầng vật lý
Các sóng mang con được chia thành các nhóm, mỗi nhóm được gọi là một
kênh con (kênh lưu lượng). Việc nhóm các sóng mang con vào một kênh con
được gọi là sự cấu hình kênh. Các kênh con có thể được tạo thành bằng cách
nhóm các sóng mang con liền kề hoặc nhóm ngẫu nhiên các sóng mang con
trên phổ tần số. Việc nhóm ngẫu nhiên các sóng mang con đem lại sự phân
tập về tần số, sự phân tập này đặc biệt hữu ích cho các ứng dụng di động.
Cấu hình kênh dựa trên các sóng mang con liền kề trong WiMAX được
gọi là mã hóa và điều chế thích ứng dải (AMC band). Mặc dù bị mất đi sự
phân tập về tần số nhưng AMC dải cho phép các nhà thiết kế hệ thống tận
dụng sự phân tập người dùng và việc cấp phát các kênh con cho các người
dùng dựa trên đáp ứng tần số của họ. Sự phân tập đa người dùng có thể cung
cấp lợi ích đáng kể trong tổng dung lượng hệ thống, nếu hệ thống cung cấp
cho mỗi người dùng một kênh con làm tối đa SINR nhận được. Nhìn chung
mô hình kênh con được tạo thành từ các sóng mang con liền kề phù hợp hơn
với các ứng dụng cố định và các ứng dụng có tính di động thấp.
1.2.2.2 Mã hóa và điều chế thích ứng trong WiMAX

WiMAX hỗ trợ nhiều mô hình điều chế và mã hóa đồng thời cho phép
thay đổi mô hình từ cụm này sang cụm khác trên mỗi liên kết, tùy theo điều
kiện kênh truyền. Máy di động cung cấp cho trạm gốc sự phản hồi về chất
lượng kênh truyền hướng xuống sử dụng chỉ thị chất lượng kênh truyền. Đối

7


Chương 1: Tổng quan về công nghệ WiMAX

với hướng lên trạm gốc có thể ước lượng chất lượng kênh truyền dựa trên chất
lượng tín hiệu nhận được. Bộ lập lịch của trạm gốc sẽ tính toán chất lượng
kênh truyền hướng lên và hướng xuống của từng người dùng và ấn định một
mô hình điều chế và mã hóa có thể tối đa hóa dung lượng với một tỷ số tín
hiệu trên tạp âm xác định. Mã hóa và điều chế thích ứng giúp tăng đáng kể
dung lượng toàn hệ thống và nó cho phép sự dung hòa theo thời gian thực
giữa thông lượng và độ mạnh trên mỗi liên kết.
1.2.4 Tầng điều khiển truy cập phương tiện truyền MAC
Nhiệm vụ chính của tầng MAC WiMAX là cung cấp một giao diện giữa
các tầng truyền vận phía trên và tầng vật lý. Tầng MAC nhận các gói từ các
tầng cao hơn-các gói này được gọi là đơn vị dữ liệu dịch vụ MAC (MSDU)
và tổ chức chúng thành đơn vị dữ liệu giao thức MAC (MPDU) cho sự truyền
dẫn trong không gian. Đối với truyền dẫn bên thu thì tầng MAC thực hiện
ngược lại. Thiết kế tầng MAC của chuẩn IEEE 802.16-2004 và IEEE 802.16e
bao gồm một tầng con hội tụ, có thể giao tiếp với nhiều giao thức tầng trên
như ATM, thoại TDM, Ethernet, IP và những giao thức trong tương lai. Hiện
tại diễn đàn WiMAX chỉ hỗ trợ IP và Ethernet.
Tầng MAC của WiMAX được thiết kế từ dưới lên để có thể đảm bảo tốc
độ bít là lớn nhất. MAC sử dụng MPDU có chiều dài thay đổi và đem lại sự
mềm dẻo cho phép truyền dẫn hiệu quả. Ví dụ: nhiều MPDU có chiều dài

giống hoặc khác nhau có thể được tập hợp vào một cụm xác định để tiết kiệm
thời gian tính toán trung gian. Tương tự như vậy, nhiều MSDU từ cùng một
dịch vụ tầng cao hơn được nối với nhau vào một MPDU để tiết kiệm thời gian
tính toán tiêu đề tầng MAC. Ngược lại một MSDU lớn có thể được phân
mảnh thành các MSDU nhỏ hơn và được gửi trên nhiều khung.

8


Chương 1: Tổng quan về công nghệ WiMAX

1.3 Mô hình triển khai và các ứng dụng của WiMAX
1.3.1 Mô hình triển khai hệ thống WiMAX
WiMAX được thiết kế để khắc phục những khó khăn gắn với các giải pháp
có dây và không dây truyền thống. Một mạng WiMAX bao gồm nhiều trạm
gốc và anten kết hợp giao tiếp bằng vô tuyến với một lượng lớn các thiết bị
khách hàng hoặc các trạm thuê bao.
WiMAX hoạt động gần giống với WLAN. Tuy nhiên WiMAX loại bỏ
được sự hạn chế về phạm vi và dung lượng của WLAN bởi nó được thiết kế
để làm việc trong phạm vi lên tới 50km và tạo thành mạng đô thị không dây
(WMAN). WiMAX MAN được thể hiện dưới dạng giản đồ tương tự như cấu
trúc điểm-đa điểm của mạng tế bào.
Hình 1.1 mô tả một hệ thống WiMAX :

Hình 1.1: Mô hình triển khai mạng WiMAX

9


Chương 1: Tổng quan về công nghệ WiMAX


Một hệ thống WiMax gồm có hai phần:
™ Trạm phát: giống như các trạm BTS trong mạng thông tin di động
với công suất có thể phủ sóng một vùng rộng tới 8000km2.
™ Trạm thu: Có thể là các anten nhỏ như các card mạng cắm vào hoặc
được thiết lập sẵn trên mainboard bên trong các máy tính giống như
cách mà WLAN vẫn dùng.
Một trạm gốc WiMAX kết nối với mạng công cộng sử dụng sợi quang,
cáp, đường truyền vi ba hoặc bất kỳ kết nối điểm-điểm tốc độ cao khác được
gọi là một đường backhaul. Các trạm gốc WiMAX có thể được kết nối có dây
trực tiếp với mạng Internet hoặc sử dụng đường truyền WiMAX tới các trạm
gốc WiMAX đã được kết nối. Trong trường hợp mạng mesh, đường truyền
điểm-đa điểm tới các trạm gốc khác cũng được sử dụng làm đường backhaul
Mỗi trạm gốc phục vụ các trạm thuê bao (còn được gọi là thiết bị thuê bao
CPE) sử dụng các liên kết điểm-đa điểm LOS hoặc NLOS gọi là “last mile”.
Trạm gốc cung cấp vùng phủ sóng trên một diện tích gọi là cell. Bán kính cực
đại của cell theo lý thuyết là 50km (tùy theo dải tần được chọn). Tuy nhiên, sự
triển khai thông thường sử dụng các cell có bán kính từ 3-10 km. Về lý tưởng,
WiMAX sẽ sử dụng các anten điểm-đa điểm NLOS để kết nối các thuê bao
hộ dân và doanh nghiệp với trạm gốc.
Đối với các mạng di động tế bào truyền thống, các anten trạm gốc có thể là
đơn hướng, tạo ra dạng cell tròn, hoặc là anten có hướng để tạo ra các dải
tuyến tính hoặc các hình dạng cung cho việc sử dụng điểm-điểm hoặc cho
việc tăng dung lượng mạng bằng cách phân chia một cách hiệu quả các cell
lớn thành một vài cell nhỏ hơn.

10


Chương 1: Tổng quan về công nghệ WiMAX


1.3.2 Ứng dụng và triển vọng phát triển của WiMAX
1.3.2.1 Truy nhập Internet tốc độ cao tại khu vực dân cư
Hiện nay thị trường của loại hình dịch vụ này chủ yếu phụ thuộc vào các
hệ thống DSL hoặc cáp. Tuy nhiên, ở một số vùng những hệ thống này không
triển khai được hoặc giá dịch vụ quá cao hoặc không đáp ứng được mong đợi
của khách hàng về chất lượng dịch vụ, độ tin cậy. Trong nhiều vùng nông
thôn, chủ yếu các thuê bao phải sử dụng các dịch vụ dial-up tốc độ thấp. Ở
những nước đang phát triển như Việt Nam, nhiều khu vực chưa có đường truy
cập Internet. Những phân tích cho thấy rằng công nghệ WiMAX sẽ giúp các
nhà cung cấp thu được lợi nhuận từ khu vực thị trường này và có thể kinh
doanh khai thác dịch vụ truy nhập băng rộng trên nhiều khu vực có điều kiện
địa lý khác nhau.
1.3.2.2 Các doanh nghiệp vừa và nhỏ:
Thị trường này là các doanh nghiệp có quy mô nhỏ và vừa, thường nằm ở
những khu vực nông thôn với mật độ thuê bao thấp. Công nghệ WiMAX có
thể đáp ứng hiệu quả nhu cầu của các doanh nghiệp vừa và nhỏ tại những khu
vực có mật độ thuê bao thấp và cũng có thể cung cấp một giải pháp thay thế
hiệu quả cho các hệ thống DSL hoặc đường leased line tại khu vực thành thị.
1.3.2.3 Thay thế cho các Wi-Fi Hot Spot:
WiFi Hot Spot đã và đang được triển khai rất rộng rãi với tốc độ phát triển
rất nhanh. Tuy nhiên, hiện nay vấn đề làm giảm tốc độ phát triển của WiFi
Hot spot là dung lượng và giá thành. WiMAX là một giải pháp thay thế hữu
hiệu để giải quyết vấn đề này. Không chỉ có khả năng di chuyển, WiMAX
còn có thể phủ sóng tại những khu vực trống giữa những vùng phủ sóng của
Wi-Fi.

11



Chương 1: Tổng quan về công nghệ WiMAX

1.3.2.3 Cellular Backhaul
Hiện nay hầu hết đường truyền dẫn giữa BSC và MSC hay giữa các MSC
chủ yếu được thực hiện bằng các đường truyền dẫn T1, những đường truyền
dẫn này thường được thuê lại từ các nhà khai thác quản lý hệ thống hữu
tuyến. Với công nghệ WiMAX các nhà khai thác di động sẽ không còn phải
phụ thuộc vào các đường truyền đi thuê của các nhà khai thác mạng hữu
tuyến, cũng là đối thủ cạnh tranh của họ. Nhiều khu vực thay vì các đường
truyền hữu tuyến, các nhà khai thác di động sử dụng những đường truyền viba
điểm-điểm để kết nối BSC với MSC. Tuy nhiên WiMAX có thể đưa giải pháp
truyền dẫn hiệu quả có kinh tế cao thay thế các tuyến viba này, không những
thế còn tăng dung lượng cho mạng backhaul. Phương pháp thay thế này có thể
giúp các nhà khai thác dịch vụ thông tin di động tăng dung lượng để triển khai
các dịch vụ mới với phạm vi phủ sóng rộng mà không làm ảnh hưởng đến
mạng hiện tại.
1.3.2.4 Các dịch vụ khẩn cấp công cộng và các mạng cá nhân
Hỗ trợ các dịch vụ di động với vùng phủ sóng khắp mọi ngõ ngách trong
khu vực thành thị, WiMAX như là một công cụ hỗ trợ đắc lực trong các lực
lượng công an, lính cứu hoả hay các tổ chức cứu hộ khác có thể duy trì thông
tin liên lạc trong nhiều điều thời tiết, địa hình khác nhau. Những mạng cá
nhân tại các khu công nghiệp, trường đại học, … cũng là một trong những thị
trường tiềm năng cho WiMAX.
1.3.3 So sánh WiMAX với Wi-Fi
WiMAX hoạt động với nguyên lý chung giống Wi-Fi. Kết nối Wi-Fi tốt
nhất có thể truyền với tốc độ lên tới 54Mbps dưới điều kiện kênh truyền tối
ưu. WiMAX có khả năng xử lý lên tới 70Mbps. Một luồng 70Mbps được chia
cho hơn chục doanh nghiệp hoặc vài trăm hộ người dùng, nó cung cấp tốc độ
tương đương với tốc độ truyền của modem cáp cho mỗi người dùng.


12