WiMAX Overview
&
Technology
1
Mục lục
1 Tổng quan về WiMAX ........................................................................ 7
1.1 Giới thiệu chung về WiMAX ............................................................................. 7
1.2 Sự đi lên từ Wifi đến WiMAX ........................................................................... 7
1.3 Hai mô hình ứng dụng WiMAX ......................................................................... 9
1.3.1 Mô hình ứng dụng cố định (Fixed WiMAX) ....................................................... 9
1.3.2 Mô hình ứng dụng WiMAX di động ................................................................. 10
2 Các chuẩn trong WiMAX .................................................................. 10
2.1 Chuẩn IEEE 802.16 - 2001 .............................................................................. 10
2.2 Chuẩn IEEE 802.16a ......................................................................................... 11
2.3 Chuẩn IEEE 802.16c - 2002 ............................................................................. 11
2.4 Chuẩn IEEE 802.16d - 2004 ............................................................................. 12
2.5 Chuẩn IEEE 802.16e – 2005 ........................................................................... 12
3 Đặc điểm chuẩn 802.16d và 802.16e cho WiMAX cố định và di động 12
3.1 Cấu trúc khung lớp PHY ................................................................................... 13
3.1.1 Cơ chế điều khiển ............................................................................................. 20
3.2 Lớp MAC ........................................................................................................... 22
3.2.1 Service-specific convergence sublayer .............................................................. 23
3.2.2 MAC common path sublayer_lớp con phần chung ............................................ 23
3.2.3 Lớp con bảo mật ............................................................................................... 30
3.3 So sánh và các phương thức nâng cấp từ chuẩn 802.16d và 802.16e ............. 35
3.3.1 So sánh ............................................................................................................. 35
3.3.2 Các phương thức nâng cấp ................................................................................ 35
4 Các kỹ thuật được sử dụng trong WiMAX ........................................ 36
4.1 Kỹ thuật điều chế số .......................................................................................... 36
4.1.1 Kỹ thuật điều chế pha QPSK ............................................................................. 36
4.1.2 Kỹ thuật điều chế biên độ cầu phương QAM .................................................... 38

Hình 3.11 Ghép MAC PDU..................................................................28
Hình 3.12 MAC PDU encryption.........................................................29
Hình 3.13 Mô hình lớp con bảo mật.....................................................31
Hình 3.14 Giao thức chứng thực...........................................................34
Hình 4.15 Điều chế QPSK....................................................................36
Hình 4.16 Bộ biến đổi nối tiếp song song.............................................37
Hình 4.17 Tổ hợp bit điều chế QPSK...................................................37
Hình 4.18 Sơ đồ khối điều chế QPSK..................................................38
Hình 4.19 Sơ đồ khối phương pháp điều chế M_QAM........................39
Hình 4.20 Kỹ thuật ghép kênh theo tần số trực giao.............................40
Hình 4.21 Cấu trúc của một ký hiệu OFDM.........................................41
Hình 4.22 Tiền tố vòng CP và hiện tượng đa đường ..........................43
Hình 4.23 Hai chế độ song công TDD và FDD....................................44
Hình 4.24 Cấu trúc sóng mang con OFDMA........................................46
Hình 4.25 Kênh con hóa trong OFDMA...............................................46
Hình 4.26 Sự tạo kênh trong mô hình FUSH........................................47
4
Hình 4.27 Cluster trong mô hình DL PUSH.........................................48
Hình 4.28 Tile trong mô hình UL PUSH.............................................48
Hình 4.29 Mô hình AMC......................................................................49
Hình 4.30 Nhóm các sóng mang con cho mỗi người dùng khác nhau. .50
Hình 4.31 Cấu trúc khung công nghệ đa truy nhâp OFDMA............51
Hình 4.32 Điều chế thích nghi và mã hóa dựa trên khoảng cách với BS53
Hình 4.33 Mô hình giao thức ARQ dừng và đợi...................................56
Hình 4.34 Mô hình giao thức ARQ lùi N..............................................57
Hình 4.35 Giao thức ARQ lùi N với gói tin bị lỗi.................................57
Hình 4.36 Giao thức ARQ lùi N với ACK bị lỗi..................................58
Hình 4.37 Cơ chế yêu cầu lặp lại khi lỗi xảy ra....................................60
Hình 4.38 Hỗ trợ QoS WiMAX di động...............................................62
Hình 4.39 Chuyển giao cứng HHO.......................................................65

rộng trên toàn cầu. Do đó các chuẩn 802.16 thường được biết đến với cái tên WiMAX.
Công nghệ truy nhập không dây đang được triển khai ứng dụng có triển vọng nhằm bổ
sung cho mạng thông tin di động. Mạng Wi-Fi chủ yếu phục vụ cho mạng cục bộ LAN,
còn WiMAX phục vụ chủ yếu cho mạng đô thị MAN (Metropolitan Area Network).
Mạng WiMAX cũng như mạng đô thị hữu tuyến (truyền dẫn qua cáp) như mạng DSL
đều được sử dụng để phục vụ các thuê bao trong vùng tới 50km.
1.2Sự đi lên từ Wifi đến WiMAX
Trên thực tế, trong thời gian qua, với sự ra đời của Wifi đã làm thay đổi cách thức trao
đổi thông tin của người sử dụng.Tuy nhiên, do Wifi là công nghệ được thiết kế hướng
tới các mạng LAN kh dây, chính vì vậy trong những trượng hợp cụ thể, khi áp dụng
công nghệ này cho mạng MAN, thì nó đã bộc lộ rất nhiều những hạn chế. Trước hết
Wifi được thiết kế cho mạng ít thuê bao,kênh truyền của nó cố định kích thước khoảng
20Mhz, do vậy rất kém linh hoạt. Bên cạnh đó, Wifi không hỗ trợ kiến trúc Mesh, một
7
kiến trúc đảm bảo sự liên thông tốt trong mạng đô thị.Hơn nữa, nếu ta truyền trong môi
trường tốt, ít nhiễu, tầm nhìn thẳng ( LOS ), dụng các Anten định hướng với công suất
đủ lớn thì Wifi cũng chỉ đạt tới khoảng cách vài km, rất hạn chế cho việc phủ song
trong một pham vi lớn…
Sự ra đời của Wimax đã khắc phục được những nhược điểm trên của Wifi. Hiện nay,
Wimax được xem là một giải pháp toàn diện của công nghệ không dây băng rộng trong
đô thị, ngoại ô và những vùng nông thôn xa xôi hẻo lánh… Wimax cho phép truyền
không dây các loại dữ liệu, hình ảnh, âm thanh nhanh hơn cả DSL hay cáp, và tất nhiên
là nhanh hơn nhiều lần các công nghệ không dây hiện hành như 802.11a hay 802.11b
mà không yêu cầu điều kiện truyền thẳng.
WiMAX là mạng không dây phủ sóng một vùng rộng lớn, thuận tiện cho việc triển khai
mạng nhanh, thuận lợi và có lợi ích kinh tế cao so với việc kéo cáp, đặc biệt là vùng có
địa hình phức tạp. Vì vậy, mạng truy nhập không dây băng rộng WiMAX sẽ đáp ứng
được các chương trình phổ cập Internet ở các vùng sâu, vùng xa, nơi có mật độ dân cư
thưa. Đối với các vùng mật độ dân cư vừa phải (ngoại vi các thành phố lớn nơi đòi hỏi
cung cấp đa dịch vụ với chất lượng được đảm bảo) thì việc triển khai WiMAX để cung

Tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004 cũng cho phép đặt anten trong nhà nhưng tất nhiên tín
hiệu thu không khỏe bằng anten ngoài trời. Băng tần công tác ( theo quy định và phân
bổ của quốc gia ) trong băng 2,5GHz hoặc 3,5GHz. Độ rộng băng tầng là 3,5MHz.
Trong mạng cố định, WiMAX thực hiện cách tiếp nối không dây đến các modem cáp,
đến các đôi dây thuê bao của mạch xDSL hoặc mạch Tx/Ex (truyền phát/chuyển mạch)
và mạch OC-x (truyền tải qua sóng quang). WiMAX cố định có thể phục vụ cho các
loại người dùng (user) như: các xí nghiệp, các khu dân cư nhỏ lẻ, mạng cáp truy nhập
WLAN công cộng nối tới mạng đô thị, các trạm gốc BS của mạng thông tin di động và
9
các mạch điều khiển trạm BS. Về cách phân bố theo địa lý, các user thì có thể phân tán
tại các địa phương như nông thôn và các vùng sâu vùng xa khó đưa mạng cáp hữu tuyến
đến đó.
Sơ đồ kết cấu mạng WiMAX được đưa ra trên hình 1.4. Trong mô hình này bộ phận vô
tuyến gồm các trạm gốc WiMAX BS (làm việc với anten đặt trên tháp cao) và các trạm
phụ SS (SubStation). Các trạm WiMAX BS nối với mạng đô thị MAN hoặc mạng
PSTN
1.3.2Mô hình ứng dụng WiMAX di động
Mô hình WiMAX di động sử dụng các thiết bị phù hợp với tiêu chuẩn IEEE 802.16e.
Tiêu chuẩn 802.16e bổ sung cho tiêu chuẩn 802.16-2004 hướng tới các user cá nhân di
động, làm việc trong băng tần thấp hơn 6GHz. Mạng lưới này phối hợp cùng WLAN,
mạng di động cellular 3G có thể tạo thành mạng di động có vùng phủ sóng rộng. Hy
vọng các nhà cung cấp viễn thông hiệp đồng cộng tác để thực hiện được mạng viễn
thông digital truy nhập không dây có phạm vi phủ sóng rộng thỏa mãn được các nhu cầu
đa dạng của thuê bao. Tiêu chuẩn IEEE 802.16e được thông qua trong năm 2005.
2 Các chuẩn trong WiMAX
2.1Chuẩn IEEE 802.16 - 2001
Chuẩn IEEE 802.16-2001 được hoàn thành vào tháng 10/2001 và được công bố vào
ngày 08/04/2002, định nghĩa đặc tả kỹ thuật giao diện không gian WirelessMAN™ cho
các mạng vùng đô thị. Việc hoàn thành chuẩn báo trước sự chấp nhận truy nhập không
dây băng rộng như một công cụ chủ yếu mới trong sự cố gắng liên kết các tòa nhà và cơ

những phổ như vậy tạo cơ hội để thu được nhiều khách hàng hơn với chi phí chấp nhận
được, mặc dù các tốc độ dữ liệu là không cao. Tuy nhiên, các dịch vụ sẽ hướng tới
những toà nhà riêng lẻ hay những xí nghiệp vừa và nhỏ.
2.3Chuẩn IEEE 802.16c - 2002
Chuẩn IEEE 802.16c được đưa ra vào tháng 9/2002. Chuẩn được nâng cấp lên từ chuẩn
802.16 – 2001. Bản cập nhật đã sửa một số lỗi và sự mâu thuẫn trong bản tiêu chuẩn
ban đầu và thêm vào một số profiles hệ thống chi tiết cho dẩi tần 10 – 66 GHz.
11
2.4Chuẩn IEEE 802.16d - 2004
Chuẩn IEEE 802.16-2004 được chính thức phê chuẩn ngày 24/07/2004 và được công bố
rộng rãi vào tháng 9/2004. IEEE 802.16 – 2004 thường được gọi với tên 802.16-REVd.
Chuẩn này được hình thành dựa trên sự tích hợp các chuẩn 802.16-2001, 802.16a,
802.16c. Chuẩn mới này đã được phát triển thành một tập các đặc tả hệ thống có tên là
IEEE 802.16-REVd, nhưng đủ toàn diện để phân loại như là một sự kế thừa hoàn chỉnh
chuẩn IEEE 802.16 ban đầu.
Chuẩn 802.16d hỗ trợ cả 2 dải tần số, cho phép kết nối thực hiện ở các môi trường khác
nhau :
• Băng tần 10 – 66 Ghz : với băng tần này thường được dung trong môi trường
tầm nhìn thẳng ( LOS ). Độ rộng kênh được khuyến nghị cho dải tần này là 25
đến 28 MHz. Nó cung cấp khả năng hỗ trợ tốt trong những ứng dụng mô hình
điểm – đa điểm.
• Băng tần 2 – 11 GHz : với băng tần này thường được dung trong môi trường
không trong tầm nhìn thẳng ( NLOS ).Nó cung cấp khả năng hỗ trợ tốt trong
những ứng dụng mô hình Mesh.
2.5Chuẩn IEEE 802.16e – 2005
Chuẩn 802.16e - 2005 được tổ chức IEEE đưa ra vào tháng 11 - 2005. Đây là phiên bản
phát triển dựa trên việc nâng cấp chuẩn 802.16 - 2004 nhằm hỗ trợ thêm cho các dịch vụ
di động. Chuẩn này sử dụng kỹ thuật đa truy nhập SOFDMA ( Scalable Orthogonal
Frequency Division Multiplexing Access ), kỹ thuật điều chế đa sóng mang sử dụng
kênh phụ. Băng tần được khuyến cáo dành cho chuẩn là < 6Ghz để phục vụ cho các ứng

tin DL_MAP sẽ là MAC_PDU đầu tiên trong burst ngay sau FCH. Một bản tin
UL_MAP sẽ nằm ngay sau bản tin DL_MAP (nếu như nó được truyền) hoặc là DLFP
(nếu nhu bản tin DL_MAP không được truyền). Nếu bản tin UCD và DCD được truyền
trong khung nó sẽ đi ngay sau bản tin DL_MAP và UL_MAP. Mặc dù burst # 1 bao
gồm các bản tin điều khiển MAC broadcast nhưng nó không cần thiết phải sử dụng
phương pháp điều chế và mã hóa hiệu quả. Phương pháp điều chế mã hóa hiệu quả có
thể sử dụng nếu nó được hỗ trợ và áp dụng cho tất cả các SS của một BS. Một FCH
được theo sau bởi một hoặc nhiều downlink burst.
Mỗi một downlink burst bao gồm một số nguyên các OFDM symbol. Vị trí và các
profile của downlink burst đầu tiên được xác định trong downlink frame prefix (DLFP).
Vị trí và cấu trúc của (profile) của số lượng burst theo sau cũng có thể sẽ được xác định
13
trong DLFP. Tối thiểu một DL_MAP đầy đủ phải được broadcast trong burst# 1. (thông
tin trong bảng 342)
Vị trí và profile của các burst khác được xác định trong DL_MAP
Hình 3.2 Cấu trúc khung OFDM dành cho truyền TDD
14
Hình 3.3 Cấu trúc khung OFDM dành cho truyền FDD
15
Sau đây là các thông số định dạng của DLFP:
Cú pháp Kích thước Note
DL_frame_prefix_format(){
Base_station_ID 4 bits 4LBS của BS_ID.
Burst được xác định
bởi DLFP sẽ không
được giải mã nếu
những bit này không
phù hợp với những bit
của BS mà nó đã được
đăng ký

. Bên truyền sẽ mang tất cả các byte trong DLFP ngoại
trừ thông tin được lưu cho HCS và chia chúng cho hàm
)(xg
và sử dụng số dư như là
một mã HCS. Tại bên nhận, phép chia DLFP cho
)(xg
sẽ số dư bằng 0 nếu thông tin
thu được là chính xác.
Cấu trúc khung PMP trong WiMAX di động
Trong hệ thống sử dụng TDD và FDD bán song công, các trạm thuê bao chấp nhận phải
được tạo bởi khoảng hở truyền dẫn giữa các trạm thuê bao thu/phát SSRTG (
Subscriber Station Receive/Transmit Transition Gap ) và khoảng hở truyền dẫn giữa
các trạm thuê bao phát/thu SSTTG ( Subscriber Station Transmit/Receive Transition
Gap ). Trạm gốc sẽ không thể truyền thông tin đường xuống tới một trạm muộn hơn
thời gian SSRTG và trễ vòng lặp RTD ( Round Trip Delay ) trước khi bắt đầu việc lập
lịch cấp phát đường lên đầu tiên của nó. Thêm vào đó, trạm thuê bao không những
được phép để thu nhận mào đầu đường xuống ( preamble downlink ) cho mỗi khung
mà nó còn chứa đựng dữ liệu DL trong đó, bảo đảm cho các khoảng được chỉ định ở
trên không được chồng lấp vào phần mào đầu. Các thông số SSRTG và SSTTG được
cung cấp bởi BS và SS dựa trên những yêu cầu trong quá trình đi vào mạng
Hình sau minh họa cấu trúc khung OFDM ở chế độ TDD.Mỗi khung được chia ra
thành các khung lên và khung xuống bởi bộ Phát / Thu và Thu / Phát để tránh đụng độ
giữa đường lên và đường xuống. Trong một khung, các thông tin điều khiển đi theo để
đảm bảo hệ thống hoạt động tối ưu :
- Phần đầu khung ( Preamble ) : Phần mào đầu, được sử dụng cho đồng bộ, là symbol
OFDM đầu tiên của khung.
- Tiêu đề điểu khiển khung FCH ( Frame Control Head ) : FCH nằm sau phần mào đầu
khung. Nó cung cấp thông tin cấu hình khung như độ dài bản tin MAP, nguyên lý mã
hóa và các kênh con hữu dụng.
- DL-MAP và UL-MAP : DL-MAP và UL-MAP cung cấp sự cấp phát kênh con và các

Hình 3.5 Minh họa khung OFDMA với cấu trúc đa vùng
Những giới hạn dưới đây được ứng dụng cho cấp phát đường xuống
a) Số lượng tối đa cho các vùng đường xuống là 8 trong một khung con đường
xuống
b) Đối với mỗi SS, số lượng tối đa các burst được giải mã trong một khung con
đường xuống là 64. Nó bao gồm tất cả các burst không có CID hoặc CID trùng với CID
của SS.
c) Đối với mỗi SS, số lượng tối đa các burst truyền một cách đồng thời và trực
tiếp tới MS được giới hạn bởi các giá trị lý thuyết trong Max_Num_TLV ( bao gồm tất
cả các burst không có CID hoặc có CID trùng với CID của MS ). Các burst truyền đồng
thời là những burst chia sẻ những ký hiệu OFDMA giống nhau. Trước khi MS hoàn
19
thành việc trao đổi với BS sẽ truyền dữ liệu tới MS đồng thời trong burst dữ liệu đầu
tiên của mỗi ký hiệu.
Nếu BS cấp phát nhiều dữ liệu burst hay zone hơn thì sau đó SS sẽ được yêu cầu giải
mã các burst/zone đầu tiên trước khi đạt tới giới hạn.
3.1.1Cơ chế điều khiển
Đồng bộ mạng
Để TDD và FDD có thể nhận biêt, nó sẽ đề nghị (không yêu cầu) tất cả các BS đồng bộ
hóa về thời gian theo một tín hiệu thời gian chung. Nếu như mất tín hiệu thời gian, BS
vẫn tiếp tục hoạt động và tự động đồng bộ hóa lại theo theo tín hiệu thời gian của mạng
khi nó được phục hồi. frequency references nhận được từ timing reference có thể được
sử dụng để điều khiển độ chính xác tần số của BS với điều kiện là chúng đáp ứng
những yêu cầu về chính xác tần số theo 8.3.12. Điều này áp dụng trong điều kiện hoạt
động bình thường trong quá trình mất timing reference.
Ranging
Có hai loại quá trình ranging: initial ranging (ranging ban đầu) và periodic ranging
(ranging chu kỳ). Initial ranging (đồng bộ thô) và power diễn ra trong hai pha: thứ nhất
là lúc đăng ký và lúc mất đồng bộ hóa, thứ hai là trong quá trình truyền dựa trên một
chu kỳ. Initial ranging sử dụng

được tăng tương ứng. Tuy nhiên mức công suất được truyền sẽ không đạt đến mức tối
đa. SS sẽ thông báo công suất tối đa cho phép và công suất truyền bình thường.
SS sẽ thông báo công suất tối đa cho phép và công suất truyền hiện thời. nhưng thông
số này có thể được sử dụng bởi BS để phục vụ cho việc lựa chọn mã hóa ,điều chế và
để phân phối kênh phụ. Thuật toán là do nhà sản xuất đưa ra. Các thông số này được
thông báo trong bản tin SBC-REQ. Công suất truyền hiện thời cũng sẽ được thông báo
trong bản tin REP-RSP nếu như cờ thích hợp được thiết lâp.
Công suất truyền hiện thời là công suất của burst mà mang bản tin. Công suất tối đa cho
phép được quy đinh cho các mức điều chế BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM. Thông số
công suất hiện thời và công suất tối đa có đơn vị là dbm. Các thông số này dao động với
bước nhảy 0.5dbm trong phạm vi từ -64dbm (mã hóa 0x00) đến 63.5dbm (mã hóa
0xFF). Các giả trị ở ngoài khoảng này sẽ được gán cho giá trị trong khoảng mà gần
nhất. Những SS không hỗ trợ điều chế 64QAM sẽ thông báo giá trị 0x00 trong trường
công suất lớn nhất dành cho điều chế 64QAM.
21
3.2Lớp MAC
Cũng giống như các bộ phận khác của họ 802 của IEEE, mô hình tham chiếu chuẩn
802.16e của WiMAX di động chỉ tập trung vào hai lớp : lớp liên kết dữ liệu ( Datalink
Layer ) và lớp vật lý ( Physical Layer ) trong mô hình OSI.
Hình 3.6 Mô hình lớp PHY và MAC
Trong những công bố đầu tiên của chuẩn IEEE 802.16 chỉ ra rằng nó hoạt động trong
tầm nhìn thẳng LOS ở băng tần cao trong dải tần số từ 10GHz đến 66GHz. Nhưng đã
được sửa đổi và chỉ ra ở trong chuẩn IEEE 802.16e, thiết kế cho các hệ thống hoạt động
ở dải tần từ 2 GHz đến 6 GHz. Ý nghĩa quan trọng của sự khác nhau giữa hai băng tần
trên đó là khả năng hỗ trợ trong tầm nhìn không thẳng NLOS và ở tần số thấp khi mà
các thiết bị không thể thực hiện được ở tần số cao. Lớp MAC mô tả trong 802.16e bao
gồm 3 lớp con : lớp con hội tụ chuyên biệt dịch vụ ( Service Specific Convergence
Sublayer ), lớp con MAC phần chung ( MAC Common Part Sublayer ) và lớp con bảo
mật ( Privacy Sublayer ).
22

REP-REQ Channel measurement Report Request Basic
Bảng 3.2 Một số bản tin sử dụng kết nối cơ sở
23
Kết nối quản lý sơ cấp được sử dụng để truyền những ban tin quản lý MAC dài hơn và
có độ trễ lớn hơn như:
Message
name
Message description Connection
REG-REQ Registration Request Primary
Management
REG-RSP Registration Response Primary
Management
PKM-REQ Privacy Key Management
Request
Primary
Management
PKM-RSP Privacy Key Management
Response
Primary
Management
Bảng 3.3 Một số bản tin sử dụng kết nối quản lý sơ cấp
Cuối cùng là kết nối quản lý thứ cấp được sử dụng boi BS và SS để truyền những bản
tin quản lý dựa trên cơ sở các chuẩn như DHCP, TFTP, SNMP. Bản tin mang trong kết
nối thứ cấp có thể được đóng gói (packed) hoặc phân mảnh (fragmented). Với các cấu
hình lớp PHY là SCa, OFDM, OFDMA bản tin quản lý có thêm CRC. Kết nối quản lý
thứ cấp chỉ dành cho quản lý SS.
CID cho các kết nối được đưa vào trong bản tin RNG-RSP và REG-RSP. Các giao tiếp
bản tin cung cấp 3 giá trị CID. Các giá trị CID giống nhau được cung cấp cho cả hai
hướng (uplink và downlink) của kết nối.
Đối với các dịch vụ đã được thuê, thì BS bắt đầu thiết lập kết nối trên cở sở thông tin