Thứ Tư, 15 tháng 2, 2012

WiMax - Công nghệ truy nhập mạng không dây băng rộng

WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Access) ra đời nhằm cung cấp một phương tiện truy cập Internet không dây tổng hợp có thể thay thế cho ADSL và WiFi. Hệ thống WiMax có khả năng cung cấp đường truyền với tốc độ lên đến 70Mb/s và với bán kính phủ sóng của một trạm anten phát lên đến 50 km. Mô hình phủ sóng của mạng WiMax tương tự như mạng điện thoại tế bào. Bên cạnh đó, WiMax cũng hoạt động mềm dẻo như WiFi khi truy cập mạng. Mỗi khi một máy tính muốn truy nhập mạng nó sẽ tự động kết nối đến trạm anten WiMax gần nhất.

 

ThS. Nguyễn Quốc Khương, TS. Nguyễn Văn Đức, ThS. Nguyễn Trung Kiên, KS. Nguyễn Thu Hà

Giới thiệu:

Chúng ta đã biết đến các công nghệ truy nhập Internet phổ biến hiện nay như quay số qua Modem thoại, ADSL, hay các đường thuê kênh riêng, hoặc sử dụng các hệ thống vô tuyến như điện thoại di động, hay mạng WiFi. Mỗi phương pháp truy cập mạng có đặc điểm riêng. Đối với Modem thoại thì tốc độ quá thấp, ADSL tốc độ có thể lên đến 8Mbit/s nhưng cần có đường dây kết nối, các đường thuê kênh riêng thì giá thành đắt mà không dễ dàng triển khai đối với các khu vực có địa hình phức tạp. Hệ thống thông tin di động hiện tại cung cấp tốc độ truyền 9,6Kbit/s quá thấp so với nhu cầu người sử dụng, ngay cả các mạng thế hệ sau GSM như GPRS (2.5G) cho phép truy cập ở tốc độ lên đến 171,2Kbit/s hay EDGE khoảng 300-400Kbit/s cũng chưa thể đủ đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng khi sử dụng các dịch vụ mạng Internet. ở hệ thống di động thế hệ tiếp theo 3G thì tốc độ truy cập Internet cũng không vượt quá 2Mb/s. Với mạng WiFi (chính là mạng LAN không dây) chỉ có thể áp dụng cho các máy tính trao đổi thông tin với khoảng cách ngắn. Với thực tế như vậy, WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Access) ra đời nhằm cung cấp một phương tiện truy cập Internet không dây tổng hợp có thể thay thế cho ADSL và WiFi. Hệ thống WiMax có khả năng cung cấp đường truyền với tốc độ lên đến 70Mb/s và với bán kính phủ sóng của một trạm anten phát lên đến 50 km. Mô hình phủ sóng của mạng WiMax tương tự như mạng điện thoại tế bào. Bên cạnh đó, WiMax cũng hoạt động mềm dẻo như WiFi khi truy cập mạng. Mỗi khi một máy tính muốn truy nhập mạng nó sẽ tự động kết nối đến trạm anten WiMax gần nhất.

WiMax hoạt động như thế nào?

Thực tế WiMax hoạt động tương tự WiFi nhưng ở tốc độ cao và khoảng cách lớn hơn rất nhiều cùng với một số lượng lớn người dùng. Một hệ thống WiMax gồm 2 phần:

Trạm phát: giống như các trạm BTS trong mạng thông tin di động với công suất lớn 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, theo cách mà WiFi vẫn dùng

Các trạm phát BTS được kết nối tới mạng Internet thông qua các đường truyền tốc độ cao dành riêng hoặc có thể được nối tới một BTS khác như một trạn trung chuyển bằng đường truyền thẳng (line of sight), và chính vì vậy WiMax có thể phủ sóng đến những vùng rất xa.




 

Hình 1: Mô hình truyền thông của WiMax


Các anten thu/phát có thể trao đổi thông tin với nhau qua các tia sóng truyền thẳng hoặc các tia phản xạ. Trong trường hợp truyền thẳng, các anten được đặt cố định trên các điểm cao, tín hiệu trong trường hợp này ổn định và tốc độ truyền có thể đạt tối đa. Băng tần sử dụng có thể dùng ở tần số cao đến 66GHz vì ở tần số này tín hiệu ít bị giao thoa với các kênh tín hiệu khác và băng thông sử dụng cũng lớn hơn. Đối với trường hợp tia phản xạ, WiMax sử dụng băng tần thấp hơn, 2-11GHz, tương tự như ở WiFi, ở tần số thấp tín hiệu dễ dàng vượt qua các vật cản, có thể phản xạ, nhiễu xạ, uốn cong, vòng qua các vật thể để đến đích.

Các đặc điểm của WiMax

WiMax đã được tiêu chuẩn hoá ở IEEE 802.16. Hệ thống này là hệ thống đa truy cập không dây sử dụng công nghệ OFDMA có các đặc điểm sau [1]:

Khoảng cách giữa trạm thu và phát có thể tới 50km.

Tốc độ truyền có thể thay đổi, tối đa 70Mbit/s.

Hoạt động trong cả hai môi trường truyền dẫn: đường truyền tầm nhìn thẳng LOS (Line of Sight) và đường truyền che khuất NLOS (Non line of sight).

Dải tần làm việc 2-11GHz và từ 10-66GHz hiện đã và đang được tiêu chuẩn hoá.

Trong WiMax hướng truyền tin được chia thành hai đường lên và xuống. Đường lên có tần số thấp hơn đường xuống và đều sử dụng công nghệ OFDM để truyền. OFDM trong WiMax sử dụng tổng cộng 2048 sóng mang, trong đó có 1536 sóng mang dành cho thông tin được chia thành 32 kênh con mỗi kênh con tương đương với 48 sóng mang. WiMax sử dụng điều chế nhiều mức thích ứng từ BPSK, QPSK đến 256-QAM kết hợp các phương pháp sửa lỗi dữ liệu như ngẫu nhiên hoá, với mã hoá sửa lỗi Reed Solomon, mã xoắn tỷ lệ mã từ 1/2 đến 7/8.

Độ rộng băng tần của WiMax từ 5MHz đến trên 20MHz được chia thành nhiều băng con 1,75MHz. Mỗi băng con này được chia nhỏ hơn nữa nhờ công nghệ OFDM, cho phép nhiều thuê bao có thể truy cập đồng thời một hay nhiều kênh một cách linh hoạt để đảm bảo tối ưu hiệu quả sử dụng băng tần. Công nghệ này được gọi là công nghệ đa truy nhập OFDMA (OFDM access).

Cho phép sử dụng cả hai công nghệ TDD (time division duplexing) và FDD (frequency division duplexing) cho việc phân chia truyền dẫn của hướng lên (uplink) và hướng xuống (downlink).

Về cấu trúc phân lớp, hệ thống WiMax được phân chia thành 4 lớp : Lớp con tiếp ứng (Convergence) làm nhiệp vụ giao diện giữa lớp đa truy nhập và các lớp trên, lớp đa truy nhập (MAC layer), lớp truyền dẫn (Transmission) và lớp vật lý (Physical). Các lớp này tương đương với hai lớp dưới của mô hình OSI và được tiêu chuẩn hoá để có thể giao tiếp với nhiều ứng dụng lớp trên như mô tả ở hình dưới đây.




 

Hình 2: Mô hình phân lớp trong hệ thống WiMax so sánh với OSI


Công nghệ OFDM cho việc truyền dẫn vô tuyến ở mạng WiMax

WiMax sử dụng công nghệ OFDM ở giao diện vô tuyến để truyền tải dữ liệu và cho phép các thuê bao truy nhập kênh. Cũng có nhiều công nghệ khác nhau ở giao diện này như FDM, CDMA. Tuy nhiên OFDM đã chứng tỏ là nó có những ưu việt hơn rất nhiều về tốc độ truyền, tỷ lệ lỗi bit, cũng như hiệu quả sử dụng phổ tần nên đã được IEEE chọn làm công nghệ truyền dẫn cho truyền thông vô tuyến băng rộng trong chuẩn IEEE 802.16e. Chú ý rằng môi trường truyền thông vô tuyến là một mỗi trường khắc nghiệt nhất trong truyền dẫn thông tin. Nó gây suy hao tín hiệu về biên độ cũng như suy hao lựa chọn tần số, kèm theo các hiệu ứng pha đinh đa đường. Sự suy hao này đặc biệt tăng nhanh theo khoảng cách và ở tần số cao, ngoài ra còn tùy thuộc vào địa hình là thành thị, đồng bằng hay miền núi mà sự suy giảm cũng khác nhau. Hình 3 và Bảng 1 ở dưới đây là nghiên cứu trên các hệ thống ISM tần số 2,4GHz và UNII tần số 5,4GHz minh hoạ sự suy giảm theo khoảng cách và trên các loại địa hình với các điều kiện truyền dẫn khác nhau.




 

Hình 3: Suy giảm tín hiệu theo khoảng cách [2]



























Mô tảMức độ suy giảm
Khu vực trung tâm thành phố nhiều nhà cao tầng20dB thay đổi từ phố này tới phố khác
Khu vực ngoại ô ít nhà cao tầngtăng 10dB tín hiệu so với vùng trung tâm
Khu nông thôntăng 20dB tín hiệu so với vùng ngoại ô
Khu vực địa hình không đều và vùng nhiều cây cốicông suất tín hiệu thay đổi từ 3-12dB


Bảng 1: Sự suy giảm tín hiệu trong môi trường vô tuyến [3]


Trong môi trường truyền dẫn đa đường, nhiễu xuyên ký tự (ISI) gây bởi tín hiệu phản xạ có thời gian trễ khác nhau từ các hướng khác nhau từ phát đến thu là điều không thể tránh khỏi. ảnh hưởng này sẽ làm biến dạng hoàn toàn mẫu tín hiệu khiến bên thu không thể khôi phục lại được tín hiệu gốc ban đầu. Các kỹ thuật sử dụng trải phổ trực tiếp DS-CDMA như trong chuẩn 802.11b rất dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu đa đường vì thời gian trễ có thể vượt quá khoảng thời gian của một ký tự. OFDM sử dụng kỹ thuật truyền song song nhiều băng tần con nên kéo dài thời gian truyền một ký tự lên nhiều lần. Ngoài ra, OFDM còn chèn thêm một khoảng bảo vệ (guard interval - GI), thường lớn hơn thời gian trễ tối đa của kênh truyền, giữa hai ký tự nên nhiễu ISI có thể bị loại bỏ hoàn toàn.

Nhiễu lựa chọn tần số cũng là một vấn đề gây ảnh hưởng lớn đến chất lượng truyền thông tín hiệu. Tuy nhiên, OFDM cũng mềm dẻo hơn CDMA khi giải quyết vấn đề này. OFDM có thể khôi phục lại kênh truyền thông qua tín hiệu dẫn đường (Pilot) được truyền đi cùng với dòng tín hiệu thông tin. Ngoài ra, đối với các kênh con suy giảm nghiêm trọng về tần số thì OFDM còn có một lựa chọn nữa để giảm tỷ lệ lỗi bit là giảm bớt số bít mã hoá cho một tín hiệu điều chế tại kênh tần số đó.

Mặc dù vậy, OFDM không phải không có nhược điểm, đó là nó đòi hỏi khắt khe về vấn đề đồng bộ vì sự sai lệch về tần số, ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler khi di chuyển và lệch pha sẽ gây ra nhiễu giao thoa tần số (Intercarrier interference - ICI) mà kết quả là phá bỏ sự trực giao giữa các tần số sóng mang và làm tăng tỷ số bít lỗi (BER). Tuy nhiên OFDM cũng có thể giảm bớt sự phức tạp của vấn đề đồng bộ thông qua khoảng bảo vệ (GI). Sử dụng chuỗi bảo vệ (GI) cho phép OFDM có thể điều chỉnh tần số thích hợp mặc dù việc thêm GI cũng đồng nghĩa với việc giảm hiệu quả sử dụng phổ tần số. Ngoài ra OFDM chịu ảnh hưởng của nhiễu xung, có nghĩa là một xung tín hiệu nhiễu có thể tác động xấu đến một chùm tín hiệu thay vì một số ký tự như trong CDMA và điều này làm tăng tỷ lệ lỗi bit của OFDM so với CDMA.

Công nghệ truy nhập kênh (OFDMA) cho mạng WiMax

Hoạt động truy nhập kênh ở lớp MAC của WiMax hoàn toàn khác so với WiFi. WiMax hỗ trợ phương pháp truyền song công FDD và TDD sử dụng kỹ thuật truy nhập TDMA/OFDMA. Ưu điểm của phương pháp này là nó cho phép linh động thay đổi độ rộng băng tần lên hoặc xuống, dẫn đến có thể thay đổi tốc độ phát (Upload) hoặc thu (Download) dữ liệu chứ không phải là cố định như trong ASDL hay CDMA. Trong WiFi tất cả các trạm truy nhập một cách ngẫu nhiên đến điểm truy cập (Access point - AP), chính vì vậy khoảng cách khác nhau từ mỗi nút đến AP sẽ làm giảm thông lượng mạng. Ngược lại, ở lớp MAC của 802.16, lịch trình hoạt động cho mỗi thuê bao được định trước, do vậy các trạm chỉ có duy nhất một lần cạnh tranh kênh truyền dẫn là thời điểm gia nhập mạng. Sau thời điểm này, mỗi trạm được trạm phát gốc gắn cho một khe thời gian. Khe thời gian có thể mở rộng hay co hẹp lại trong quá trình truyền dẫn. ưu điểm của việc đặt lịch trình là chế độ truyền dẫn vẫn hoạt động ổn định trong trường hợp quá tải và số lượng thuê bao đăng ký vượt quá cho phép, và nó cũng có thể tăng được hiệu quả sử dụng băng tần. Việc sử dụng thuật toán lịch trình còn cho phép trạm phát gốc điều khiển chất lượng dịch vụ (Quality of Service -QoS) bằng việc cân bằng nhu cầu truyền thông giữa các thuê bao.

Để làm được điều này, hệ thống WiMax thực hiện việc mã hoá và điều chế thích nghi (AMC-Adaptation Modulation and Coding) để tối ưu hoá băng thông tuỳ thuộc vào điều kiện của kênh truyền. Đối với kênh truyền tốt (có nghĩa là tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR cao) có thể điều chế ở 64-QAM. Nơi kênh ở chất lượng thấp hơn thì giảm dần mức điều chế xuống đến QPSK.

Các kết quả nghiên cứu đã chứng minh được tính ưu việt của WiMax so với WCDMA như Bảng 2.

Bảng 2: So sánh một số tham số giữa OFDM và CDMA [2]



































Công nghệSố lượng thuê bao trong một trạm phủ sóngThông lượng trung bình của mạng (Mbit/s)Thông lượng trung bình của một thuê bao (kbit/s)Trễ truyền dân trung bình của một gói (s)
OFDM404,4518022,33
WCDMA (MMSE)403,8311703,56
WCDMA (Rake)403,034908,54


Kỹ thuật điều chế và mã hoá thích nghi là một trong những ưu việt của OFDM vì nó cho phép tối ưu hoá mức điều chế trên mỗi kênh con dựa trên chất lượng tín hiệu (tỷ lệ SNR) và chất lượng kênh truyền dẫn. Trong công nghệ đa truy nhập OFDMA, các thuê bao được phân chia tài nguyên vô tuyến thông qua việc truy nhập vào các sóng mang phụ khác nhau. Hình 4 chỉ ra cho ta thấy làm thế nào để kênh con được lựa chọn dựa trên mức độ chất lượng tính hiệu nhận được.




 

Hình 4: Lựa chọn kênh thích hợp cho mỗi user [2]


Ứng dụng và triển vọng phát triển của WiMax

Phủ sóng trong phạm vi rộng, tốc độ truyền tin lớn, hỗ trợ đồng thời nhiều thuê bao và cung cấp các dịnh vụ như VoIP, Video mà ngay cả ADSL hiện tại cũng chưa đáp ứng được là những đặc tính ưu việt cơ bản của WiMax. Các đường ADSL ở những khu vực mà trước đây đường dây chưa tới được thì nay đã có thể truy cập được Internet. Các công ty với nhiều chi nhánh trong thành phố có thể không cần lắp đặt mạng LAN của riêng mình là chỉ cẩn đặt một trạm phát BTS phủ sóng trong cả khu vực hoặc đăng ký thuê bao hàng tháng tới công ty cung cấp dịch vụ. Để truy cập tới mạng, mỗi thuê bao được cung cấp một mã số riêng và được hạn chế bởi quyền truy cập theo tháng hay theo khối lượng thông tin mà bạn nhận được từ mạng.

Bên cạnh đó, hệ thống WiMax sẽ giúp cho các nhà khai thác di động không còn phải phụ thuộc vào các đường truyền phải đi thuê của các nhà khai thác mạng hữu tuyến, cũng là đối thủ cạnh tranh của họ. Hầu hết hiện nay đường truyền dẫn giữa BSC và MSC hay giữa các MSC chủ yếu được thực hiện bằng các đường truyền dẫn cáp quang, hoặc các tuyến viba điểm-điểm. Phương pháp thay thế này có thể giúp các nhà khai thác dịch vụ thông tin di đông 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. Ngoài ra, WiMax với khả năng phủ sóng rộng, khắp mọi ngõ ngách ở thành thị cũng như nông thôn, sẽ là một công cụ hỗ trợ đắc lực trong các lực lượng công an, lực lượng 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.

Hiện tại có nhiều thành phố trên thế giới như Mỹ, Nhật, Trung Quốc, Hàn Quốc v.v. đã có kế hoạch triển khai WiMax, và ngay cả Microsoft cũng quan tâm và coi WiMax như là một tiêu chuẩn và sẽ tích hợp vào trong các phần mềm của mình vào mạng. Dự đoán các sản phẩm tích hợp WiMax với máy tính cũng sẽ được cho ra mắt thị trường vào cuối năm 2005.

Tài liệu tham khảo

[1]. IEEE 802.16a-2003: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems

[2]. A Technical Overview and Comparison of WiMAX and 3G Technologies, December 2004 – Intel- Technical White Paper.

[3]. http://www.skydsp.com/publications/4thythesis/index.htm

[4]. http://www.wimaxforum.org

0 nhận xét:

Đăng nhận xét