Khái niệm chuẩn 802.16:
IEEE 802.16 là hệ thống tiêu chuẩn truy nhập không dây băng rộng (Broadband Wireless Access Standards) cung cấp đặc tả chính thức cho các mạng MANkhông dây băng rộng triển khai trên toàn cầu. Hệ thống này do nhóm làm việc IEEE 802.16, do IEEE thành lập năm 1999, nghiên cứu và đề xuất. Nhóm làm việc này là một đơn vị của hội đồng tiêu chuẩn LAN/MANIEEE 802.
Mặc dù gia đình 802.16 tiêu chuẩn chính thức được gọi là WirelessMAN trong IEEE, nó đã được thương mại hóa dưới cái tên " WiMAX "(từ" Worldwide Interoperability cho lò vi sóng truy cập ") của liên minh công nghiệp được gọi là diễn đàn WiMAX. Nhiệm vụ của diễn đàn là thúc đẩy và xác nhận tính tương thích và khả
năng tương tác của các sản phẩm băng rộng không dây dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.16.
Chuẩn 802.16 (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 hướng việc xây dựng một tiêu chuẩn cho phép kết nối giữa các hệ thống khác nhau.
“WiMAX” là từ viết tắt của Worldwide Interoperability for Microwave Access – Khả năng tương tác toàn cầu với truy nhập vi ba.
WiMAX là một công nghệ cho phép truy cập băng rộng vô tuyến đến đầu cuối (last mile) như một phương thức thay thế cho cáp và DSL
WIMAX cho phép kết nối băng rộng vô tuyến cố định, mang xách được, di động mà không cần thiết ở trong tầm nhìn thẳng(Line of sight) trực tiếp tới một trạm gốc. Đây là công nghệ truy nhập không dây đang được triển khai ứng dụng có triển vọng nhằm bổ sung cho mạng thông tin di động. Với công nghệ WiMax, một đường kết nối đủ sức cung cấp Internet đồng thời cho khoảng 1.000 hộ gia đình với tốc độ 1 Mbps.
Cũng như mạng DSL, WIMAX được sử dụng để phục vụ các thuê bao trong vùng tới 50km.
WiMAX có 2 phiên bản chính:
WIMAX cố định (Fixed WIMAX)
Với chuẩn 802.16-2004 được thông qua vào tháng 6-2004 .Tiêu chuẩn này gọi là “không dây cố định” vì :thiết bị thông tin làm việc với các anten đặt cố định tại nhà các thuê bao.
Anten đặt trên nóc nhà hoặc trên cột tháp tương tự như chảo thông tin vệ tinh.
WIMAX di động (Mobile WIMAX)
Với tiêu chuẩn 802.16e được thông qua trong năm 2005.Phục vụ kết nối mạng cho các thiết bị di động.
Làm việc trong băng tần thấp hơn 6GHz.
Đường truyền trong môi trường di động
Các đặc điểm kĩ thuật:
Mô hình hệ thống:
Mô hình hệ thống WiMax gồm 2 phần cơ bản:
Một trạm cơ bản WiMax: Bao gồm các thiết bị điện tử trong nhà(indoor elcetronic).
Một cột phát(WiMax tower): Bất kì node không dây nào nằm trong vùng bao phủ đều có thể truy cập tới internet.
Một trạm thu WiMax: Trạm thu hoặc anten nhỏ có thể chia làm 1 hộp chuẩn stand – alone hoặc 1 PCMCIA card (được sử dụng trong màn hình máy tính hoặc laptop của bạn).
Dải tần làm việc:
Dải tần làm việc của WiMax rất rộng :
Phiên bản đầu tiên WIMAX (IEEE 802.16) cho phép giải tần hoạt động từ 10 đến > 66 GHz.
Các băng tần cụ thể của WiMax đang tập trung xem xét và vận động cơ quan quản lý tần số các nước phân bổ cho WiMax là:
3600-3800MHz (băng 3.7GHz) 3400-3600MHz (băng 3.5GHz) 3300-3400MHz (băng 3.3GHz) 2500-2690MHz (băng 2.5GHz) 2300-2400MHz (băng 2.3GHz) 5725-5850MHz (băng5.8GHz) Cấu trúc phân lớp
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) 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.
Mô hình phân lớp trong hệ thống WiMax so sánh với OSI
o Lớp vật lý PHY (physical layer):
10 – 66 GHz: Dùng trong thiết kế đặc tả PHY (truyền “line-of-sight” . Do kiến trúc “điểm- nhiều điểm” NÊN về cơ bản, truyền một tín hiệu TDM với những trạm thuê bao riêng lẻ được định vị những khe thời gian theo chu kỳ.
2–11 GHz: Lớp vật lý 2–11 GHz được thiết kế do nhu cầu theo hướng hoạt động NLOS (non-line-of- sight). Vì các ứng dụng mang tính dân cư NÊN sự truyền phải
được thực hiện theo nhiều đường. Hơn nữa, những ăngten gắn ngoài trời thường đắt do cả chi phí phần cứng và cài đặt cao
Vì cường độ của tín hiệu suy giảm theo khoảng cách từ máy trạm đến trạm gốc, nên tỉ số tín hiệu/nhiễu cũng giảm theo khoảng cách, do đó giao thức 802.16 sử dụng 3 phương thức điiều chế tín hiệu khác nhau tùy thuộc vào khoảng cách từ các thuê bao đến trạm gốc.
Đối với các thuê bao gần: sử dụng điều chế QAM 64 với 6bit/baud.
Đối với các thuê bao tầm trung : sử dụng điều chế QAM-16, với 4bit/baud. Đồi với các thuê bao xa : sử dụng điếu chế QPSK với 2 bit /baud.
Đối với tín hiệu thoại, đường lên và đường xuống của kênh dữ liệu đối xứng với nhau, nhưng đối với dữ liệu (như internet) thì kênh đường xuống có băng thông lớn hơn so với đường lên. Vì vậy, chuẩn 802.16 cung cấp 2 phương thức phân chia băng thông là ghép kênh phân chia theo tần số (FDM) và ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM) .
Ghép kênh theo thời gian
Một đăc điểm đáng chú ý nữa của lớp vật lý là khả năng đóng gói nhiều khung dữ liệu MAC vào trong cùng một môi trường truyền vật lý. Đặc điểm này cho phép nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần bằng cách giảm số byte mào đầu và phần đầu của lớp vật lý.
o Giao thức lớp MAC 802.16:
MAC(Media Access Control) được thiết kế đặc biệt cho môi trường truy cập không dây điểm tới đa điểm (point-to-multipoint PMP).
Nó hỗ trợ cho các lớp cao hơn và giao thức giao vận như ATM, Ethernet hay Internet Protocol IP và cũng được thiết kế sao cho có khả năng phù hợp với các giao thức trong tương lai.
Khung Mac chiếm một số nguyên lần khe thời gian của lớp vật lý. Mỗi khung có các khung con dành cho kênh dữ liệu xuống và lên. Khung dữ liệu chiều xuống còn chứa các thông số cảu hệ thống để thông báo cho các trạm gốc mới biết khi chúng đến trạm.
MAC có tốc độ bit rất cao lên đến 268 mbps mỗi chiều.Giữa PHY và MAC là một lớp con hội tụ truyền. Lớp này thực hiện sự biến đổi các PDU (protocol data units) giữa 2 lớp.
Mô hình giao thức lớp Mac
MAC bao gồm những lớp con quy tụ chuyên biệt về dịch vụ giao diện với những lớp cao hơn, phía trên lớp con phần chung (common part) MAC nòng cốt
thực hiện những chức năng MAC chủ yếu. Bên dưới lớp con phần chung là lớp con bảo mật (security sublayer).
Kênh dữ liệu chiều xuống là kênh dữ liệu thẳng, các trạm gốc chỉ cần dặt khung dữ liệu vào kênh đẻ truyền. Kênh dữ liệu chiều lên phức tạp hơn vì sẽ có nhiều đối tượng sử dụng tranh chấp để giành quyền truy cập.Việc phân bố kênh truyền cho chúng gắn liền với vấn đề chất lượng dịch vụ. Giao thức lớp MAC 802.16 định nghìa cho 4 dịch vụ sau:
Dịch vụ có tốc độ bit không đổi.
Dịch vụ có tốc độ bit biến đổi theo thời gian thực. Dịch vụ có tốc độ bit biến đổi thời gian không thực. Dịch vụ best-efforts.
Tất cả các dịch vụ của giao thức 802.16 đều là dịch vụ hướng kết nối và mỗi kết nối sẽ sử dụng một trong những dịch vụ tren ngay khi kết nối được thiết lập. Nó khác với giao thức 802.11 hoăc ethernet là các giao thức không có kết nối ở lớp MAC.
Dịch vụ có tốc độ không đổi được sử dụng đẻ truyền dữ liệu thoại không nén như trên kênh truyền T1. Dịch vụ vày phải gủi đi các dữ liệu thăm dò trong khoảng thời gian được quy định trước. Nó dành cho mỗi kết nối một số khe thời gian nhất định, khi băng thông được phân bố, các khe thời gian này tự động thiết lập mà không cần đợi yêu cầu.
Dịch vụ có tốc độ bit thay đổi theo thời gian thực: được sử dụng cho dữ liệu đa phương tiện bà các ứng dụng thời gian thực khác mà nhu cầu về băng thông có thể thay đổi trong từng khoảng thời gian. Việc này được các trạm gốc thực hiện bằng cách xác định nhu cầu băng thông cần thiết của các thuê bao trong từng khoảng thời gian nhất định.
Dịch vụ có tốc độ bit biến đổi thời gian không thực: được sử dụng trong trường hợp tải có dung lượng lớn, không cần thời gian thực. Đối với dịch vụ này, trạm gốc cũng sẽ hỏi các thuê bao ở từng khoảng thời gian nhưng không cần thiết phải chặt chẽ.
Dịch vụ Best-efforts: dịch vụ này dành cho các loại dữ liệu khác ngoài các loại dữ liệu trên. Các thuê bao phải tranh chấp băng thông với các thuê bao khác.Yêu cầu về sử dụng băng thông sẽ được gửi lên kênh dữ liệu chiều lên để tiến hành tranh chấp.Nếu yêu cầu không được chấp nhân thì thuê bao sẽ nhận được thông báo từ kênh dữ liệu chiều xuống kế tiếp. Nếu yêu cầu không được chấp nhận, thuê bao sẽ tiếp tục gửi yêu cầu. Để hạn chế tối đa xung đột, dịch vụ này sử dụng thuật toán quay về theo hàm mũ nhị phân.
Tiêu chuẩn này định nghĩa 2 phương thức phân bố kênh truyền: theo trạm và theo kết nối.
Đối với trường hợp phân bố theo trạm, các trạm thuê bao tập hợp các yêu cầu của người dùng và sau đó gửi yêu cầu chung cho tất cả người dùng. Khi chiếm được băng thông, nó sẽ phân chia băng thông cho các người dùng.
Đối với trường hợp phân bố theo kết nối: các trạm gốc sẽ quản lý trực tiếp các kết nối.
Những lớp con quy tụ chuyên biệt về dịch vụ
Tiến hành chuyển đổi các gói tin từ các định dạng của mạng khác thành các gói tin phù hợp với định dạng IEEE 802.16.
Lớp này nằm trên đỉnh của MAC, thực hiện nhận các PDU từ các lớp cao hon, phân lớp dịch vụ các PDU đó và phân phối xuống lớp con phần chung.
Lớp con phần chung (common part sublayer)
o Cung cấp các chức năng chính của MAC bao gồm: chức năng truy nhập
phân bố băng thông thiết lập
quản lí kết nối
Sự trao đổi thông tin giữa các trạm gốc (Base Station - BS) và trạm thuê bao (Subcriber Station - SS) trong một vùng địa lí theo các kiến trúc: Điểm – Điểm (Point to Point), Điểm – Đa điểm (Point to MultiPoint) và kiến trúc kết hợp (Mesh).
Mô hình Point-to-MultiPoint
Mô hình kết nối dạng Mesh
Lớp con bảo mật (security sublayer)
Cung cấp các cơ chế chứng thực, trao đổi khóa và mã hóa. Lớp con bảo mật cung cấp cơ chế điều khiển. Truy nhập tin cậy, đảm bảo an toàn dữ liệu trên đường truyền, khắc phục việc truy cập trái phép các dịch vụ bằng việc mã hóa các luồng dịch vụ.
Nhằm:
Đảm bảo được sự đồng bộ với bên thu, đồng hồ bên thu sẽ dễ dàng được khôi phụ hơn, qua đó sự giải điều cũng dễ hơn
Đối với các thiết bị mà không có được bộ giải điều chế ngẫu nhiên thì các tín hiệu này giống như các tín hiệu nhiễu, tạp âm (xác suất bit 1 và 0 là ngang nhau), nó sẽ không thu nhận được.
Họ các chuẩn 802.16:
Chuẩn IEEE 802.16-2001:
Chuẩn này được xây dựng từ tháng 9/2001 và được IEEE thông qua vào tháng 12/2001.802.16-2001 xác định giao diện vô tuyến gồm lớp MAC và PHY của hệ thống truy nhập vô tuyến cố định điểm – điểm đa điểm với những mục đích:
Cho phép triển khai nhanh chóng và rộng rãi các hệ thống truy nhập vô tuyến băng rộng với chi phí hiệu quả
Đảm bảo khả năng tương thích giữa các thiết bị truy nhập vô tuyến băng rộng của các hãng khác nhau.
Tăng tốc quá trình thương mại hóa, phổ cập truy nhập vô tuyến băng rộng, đưa ra các giải pháp thay thế cho truy nhập băng rộng hữu tuyến.
Dải tần từ 10 -60 GHz kênh vật lý thường là 25/28 MHz, đường truyền LOS. Phương pháp điều chế là QPSK, 16/64QAM. Tầm hoạt động từ 2-7km
Chuẩn IEEE 802.16a – 2003:
Được thông qua tháng 1/2003 phiên bản này được bổ sung cho thiếu sót của bản 802.16-2001 với việc bổ sung thêm dải tần số từ 2-11 .Giúp cho việc truyền sóng trong môi trường có vật cản và bị che khuất dễ dàng hơn, bổ sung các kĩ thuật cho lớp vật lý giúp tối ưu kênh truyền theo băng tần của ứng dụng.
Tiêu chuẩn này quy định các giao diện không cố định (stationary) điểm-tới-đa điểm truy cập không dây băng thông rộng hệ thống cung cấp nhiều dịch vụ. Các lớp kiểm soát truy cập trung bình có khả năng hỗ trợ nhiều lớp vật chất kỹ thuật tối ưu hóa cho các dải tần số của ứng dụng. Tiêu chuẩn này bao gồm một đặc tả lớp vật lý đặc biệt áp dụng đối với các hệ điều hành từ 10 đến 66 GHz.
Chuẩn IEEE 802.16c – 2002
Được chấp nhận vào tháng 12/2002 .Đây là bản sửa lỗi chuẩn của bản 802.16-11. Chuẩn này định nghĩa thêm các profile mới cho dải băng tần từ 10-66GHz với mục đích cải tiến thao tác giữa các phần(interoperability)
Chuẩn IEEE 802.16 – 2004.
Được thông qua tháng 6/2004 chuẩn này sử dụng băng tần có bản quyền từ 2- 11GHz. Đây là băng tần được thu hút nhiều quan tâm nhất vì tín hiệu truyền có thể vượt được các chướng ngại trên đường truyền. 802.16a còn thích ứng cho việc triển khai mạng mesh mà trong đó một thiết bị cuối có thể liên lạc với BS thông qua một thiết bị cuối khác. Với đặc tính này, vùng phủ sóng của 802.16a BS sẽ được mở rộng.
Chuẩn này tập trung vào các ứng dụng cố định và lưu trú .Hai kĩ thuật được hỗ trợ điều chế sóng mang :
OFDM với 256 sóng mang OFDMA với 2048 sóng mang.
Chuẩn 802.16e: Tối ưu hoá cho các kênh vô tuyến di động, phiên bản này dựa trên sự hiệu chỉnh 802.16e và hỗ trợ chuyển vị (handoff) và chuyển vùng (roaming). Nó sử dụng Truy nhập ghép kênh phân chia theo tần số trực giao có thể mở rộng thang độ (SOFDMA – Scalable Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access), một kỹ thuật điều chế đa sóng mang có sử dụng tạo kênh phụ (sub-channelization). Các nhà cung cấp dịch vụ đang triển khai 802.16e cũng có thể sử dụng mạng này để cung cấp dịch vụ cố định.