Ứng dụng kỹ thuật ofdma trong wimax

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX

Giới thiệu chương

Hệ thống mạng WiMAX sử dụng các băng tần đa dạng, giúp cung cấp phạm vi phủ sóng rộng và tốc độ truyền dữ liệu cao Công nghệ WiMAX có ứng dụng thực tế trong việc triển khai mạng internet quang hợp, đô thị và nông thôn, mang lại kết nối ổn định và nhanh chóng Tuy nhiên, WiMAX cũng gặp một số nhược điểm như chi phí xây dựng ban đầu cao và khả năng cạnh tranh với các công nghệ mới như 4G, 5G So với các phương thức truyền thông khác, WiMAX nổi bật nhờ khả năng phục vụ nhiều người dùng cùng lúc và không cần hạ tầng cố định phức tạp Nhờ những ưu điểm này, WiMAX vẫn tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong các mạng truyền thông hiện đại.

Giới thiệu về WiMAX

Tương tác toàn cầu với truy cập WiMAX (truy nhập vi ba) là công nghệ dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.16, cung cấp giải pháp truy cập vô tuyến cuối cùng (last mile) hiệu quả Đây là phương thức thay thế đáng tin cậy cho các hình thức kết nối truyền thống như cáp quang, DSL và WLAN, giúp mở rộng khả năng kết nối internet ở những khu vực khó tiếp cận Với công nghệ WiMAX, người dùng có thể trải nghiệm tốc độ truyền dữ liệu nhanh, ổn định và linh hoạt hơn trong mạng lưới toàn cầu.

Họ tiêu chuẩn IEEE 802.16 định nghĩa các giao diện vô tuyến trong mạng WiMAX cho việc truy cập vô tuyến băng rộng cố định (BWA), cung cấp “chặng cuối” cho công nghệ truy nhập đến các hotspot với thoại, video và dịch vụ dữ liệu tốc độ cao Ưu điểm nổi bật của BWA là chi phí thấp cho lắp đặt và bảo trì so với các mạng hữu tuyến truyền thống hoặc mạng quang, đặc biệt phù hợp cho các vùng xa xôi hoặc có địa hình khó khăn WiMAX là giải pháp mở rộng mạng truyền dẫn quang, có khả năng cung cấp dung lượng lớn hơn so với các mạng cáp hoặc DSL Các mạng WiMAX dễ dàng xây dựng trong thời gian ngắn, chỉ cần triển khai một số lượng nhỏ trạm gốc trên các tòa nhà hoặc cột điện, tạo thành hệ thống truy cập vô tuyến có dung lượng lớn và phù hợp cho nhiều khu vực khác nhau.

Hệ thống WiMAX cung cấp giải pháp kết nối băng thông rộng vô tuyến cố định, cho phép người dùng duy trì kết nối ổn định trong khi di chuyển và mang theo thiết bị dễ dàng Công nghệ này phù hợp cho các mục đích di động, giúp người dùng truy cập Internet ở tốc độ đi bộ, đồng thời mở rộng khả năng phủ sóng rộng rãi, đảm bảo kết nối liên tục và linh hoạt trong nhiều môi trường khác nhau.

Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhd 77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77t@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn.Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn

17 sóng của một trạm anten phát lên đến 50km dưới các điều kiện tầm nhìn thẳng (LOS) và bán kính lên tới 8km không theo tầm nhìn thẳng (NLOS)

- WIMAX có 2 mô hình ứng dụng là cố định và di động:

+ Mô hình ứng dụng WIMAX cố định (Fixed WIMAX)

Mô hình cố định sử dụng các thiết bị theo tiêu chuẩn IEEE.802.16-2004

Tiêu chuẩn WiMAX “không dây cố định” đề cập đến thiết bị thông tin hoạt động cùng các anten cố định tại nhà thuê bao, thường đặt trên mái nhà hoặc cột tháp như chảo vệ tinh, nhằm tối ưu hóa tín hiệu Theo tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004, anten có thể được lắp trong nhà nhưng tín hiệu sẽ kém hơn so với anten ngoài trời Băng tần hoạt động trong phạm vi 2,5GHz hoặc 3,5GHz, với băng tầng rộng 3,5MHz, đáp ứng yêu cầu phân bổ của quốc gia Trong mạng cố định, WiMAX kết nối không dây với các thiết bị như modem cáp, dây thuê bao xDSL, và các mạch truyền tải như mạch truyền phát/chuyển mạch Tx/Ex hoặc mạch truyền tải qua sóng quang OC-x, giúp cung cấp dịch vụ internet ổn định và hiệu quả.

WiMAX cố định là giải pháp mạng phù hợp cho các doanh nghiệp, khu dân cư nhỏ lẻ, mạng WLAN công cộng kết nối với mạng đô thị, các trạm gốc của mạng di động, và hệ thống điều khiển trạm BTS Về phân bố địa lý, WiMAX cố định có khả năng phục vụ người dùng tại các khu vực nông thôn, vùng sâu vùng xa, nơi khó có thể triển khai mạng cáp hữu tuyến.

+ WIMAX di động (Mobile WIMAX)

Mô hình WiMAX di động dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.16e được thông qua vào năm 2005, nhằm phục vụ người dùng cá nhân di động trong băng tần dưới 6GHz Tiêu chuẩn 802.16e bổ sung tính năng cho tiêu chuẩn 802.16-2004, mở rộng khả năng sử dụng của mạng WiMAX cho các thiết bị di động Mạng WiMAX phối hợp cùng WLAN và mạng di động 3G, tạo thành hệ thống mạng di động có vùng phủ sóng rộng và linh hoạt Hy vọng các nhà cung cấp viễn thông hợp tác để phát triển mạng lưới tích hợp này, nâng cao trải nghiệm người dùng và mở rộng phạm vi dịch vụ.

Để xây dựng mạng viễn thông số truy cập không dây có phạm vi phủ sóng rộng, cần thực hiện 18 tác nhằm đáp ứng các nhu cầu đa dạng của thuê bao Các bước này đảm bảo mạng hoạt động ổn định, hiệu quả và phù hợp với yêu cầu của người dùng trong môi trường hiện đại Việc triển khai đúng các tác này giúp mở rộng phạm vi phủ sóng, nâng cao chất lượng dịch vụ và tối ưu hóa trải nghiệm của thuê bao truy cập không dây.

WIMAX di động có những đặc điểm tương tự EV-DO và HSxPA nhằm nâng cao tốc độ truyền dữ liệu Các đặc điểm chính bao gồm mã hóa và điều chế thích nghi (Adaptive Modulation and Coding - AMC), kỹ thuật sửa lỗi bằng dò lặp (Hybrid Automatic Repeat Request - HARQ), phân bố nhanh (Fast Scheduling), và chuyển giao mạng (Handover) nhanh chóng và hiệu quả nhằm đảm bảo kết nối ổn định và hiệu suất cao.

Mô hình hệ thống

Mô hình phủ sóng mạng WiMAX tương tự như một mạng điện thoại di động được cho trên hình 1.1

Máy tính cá nhân Điện thoại

Toà nhà 1 Điện thoại VoIP

Hình 1.1 Mô hình hệ thống WiMAX

Hệ thống WiMAX gồm hai phần chính: trạm phát và phần còn lại của hệ thống Trạm phát WiMAX hoạt động giống như các trạm BTS trong mạng di động, có công suất lớn để truyền dữ liệu hiệu quả và phủ sóng rộng.

+ Trạm thu: có thể là các anten nhỏ như các loại card mạng tích hợp (hay gắn thêm) trên các mainboard của máy tính như WLAN

Các trạm phát WiMAX được kết nối với mạng Internet thông qua đường truyền Internet tốc độ cao hoặc liên kết với các trạm trung chuyển qua đường truyền trực xạ (line of sight) Nhờ đó, WiMAX có khả năng phủ sóng đến các khu vực xa xôi, mở rộng khả năng truy cập Internet cho nhiều vùng miền khó tiếp cận.

Hình 1.2 Miền Fresnel trong trường hợp LOS

Các anten thu phát có thể trao đổi thông tin qua qua các đường truyền

Trong truyền dẫn không gian mở, có hai loại chính là LOS (liên tiếp đường thẳng) và NLOS (không liên tiếp đường thẳng) Khi áp dụng truyền dẫn LOS, các anten được lắp đặt cố định tại các điểm cao, giúp tín hiệu ổn định và mang lại tốc độ truyền dữ liệu tối đa Băng tần sử dụng trong hệ thống này thường ở mức cao, khoảng 66GHz, để tối ưu hóa hiệu suất truyền tải.

Ở tần số này, ít bị giao thoa với các kênh tín hiệu khác và có băng thông sử dụng lớn, giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền dẫn Một đường truyền LOS yêu cầu toàn bộ miền Fresnel đầu tiên không có chướng ngại vật để duy trì cường độ tín hiệu ổn định và mạnh mẽ Nếu không đảm bảo đặc tính này, tín hiệu sẽ bị suy giảm đáng kể, ảnh hưởng đến chất lượng kết nối Không gian miền Fresnel phụ thuộc vào tần số hoạt động và khoảng cách giữa trạm phát và trạm thu, quyết định khả năng truyền tải dữ liệu hiệu quả.

Trong trường hợp truyền NLOS, hệ thống sử dụng băng tần thấp hơn 2-

Tần số 11GHz, tương tự như WLAN, có khả năng vượt qua vật chắn thông qua các hiện tượng phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ để truyền đến đích Các tín hiệu thu nhận được gồm có các thành phần từ đường đi trực tiếp, phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ, mỗi thành phần mang đặc điểm về khoảng trễ, mức suy giảm, sự phân cực và trạng thái ổn định khác nhau tùy vào tuyến truyền dẫn.

Hình 1.3 Truyền sóng trong trường hợp NLOS

Hiện tượng truyền sóng đa đường gây ra sự thay đổi phân cực tín hiệu, khiến việc sử dụng phân cực và tái sử dụng tần số trong các triển khai LOS gặp khó khăn trong các ứng dụng NLOS Việc tăng công suất phát để vượt qua các chướng ngại vật không phải là giải pháp công nghệ NLOS thực sự, bởi điều kiện phủ sóng của cả LOS và NLOS phụ thuộc vào đặc tính truyền sóng của môi trường, tổn hao trên đường truyền (path loss) và quỹ công suất của hệ thống vô tuyến.

Các ưu và nhược điểm của công nghệ WiMAX

- Lớp vật lí của WiMAX dựa trên nền kĩ thuật OFDM (ghép kênh phân tần trực giao)

Kỹ thuật này giúp hạn chế hiệu ứng phân tần đa đường, cho phép WiMAX hoạt động tốt trong môi trường NLOS, từ đó mở rộng phạm vi phủ sóng hơn Nhờ đó, khoảng cách giữa trạm thu và trạm phát có thể lên đến 50km, mang lại khả năng kết nối rộng khắp và đáng tin cậy hơn.

Nhờ kỹ thuật OFDM, phổ các sóng mang con có thể chồng lấn lên nhau, giúp tiết kiệm và sử dụng hiệu quả băng thông để truyền dữ liệu với tốc độ cao Trong đó, phổ tín hiệu 10MHz hoạt động ở chế độ TDD (song công phân thời) với tỷ lệ đường xuống/đường lên (downlink-to-uplink ratio) là 3:1 có thể đạt tốc độ đỉnh là 25Mbps cho đường xuống và 6.7Mbps cho đường lên, tối ưu hoá hiệu suất mạng không dây.

- Hệ thống WiMAX có công suất cao

WiMAX chia hướng truyền tín hiệu thành hai đường chính: uplink (lên) và downlink (xuống) Trong đó, hướng lên sử dụng tần số thấp hơn và đều áp dụng kỹ thuật OFDM, với tối đa 2048 sóng mang, trong đó 1536 sóng mang dành cho dữ liệu, chia thành 32 kênh con, mỗi kênh con có 48 sóng mang Công nghệ WiMAX còn tích hợp nhiều phương pháp điều chế đa mức như BPSK, QPSK và 256-QAM, kết hợp với các kỹ thuật sửa lỗi như mã hoá sửa lỗi Reed-Solomon và ngẫu nhiên hoá để nâng cao độ tin cậy và hiệu suất truyền dữ liệu.

22 xoắn tỉ lệ mã từ 1/2 đến 7/8, làm tăng độ tin cậy kết nối với hoạt động phân loại sóng mang và tăng công suất qua khoảng cách xa hơn

+ Ngoài ra WiMAX còn cho phép sử dụng công nghệ TDD và FDD cho việc phân chia truyền dẫn hướng lên và hướng xuống

- Lớp MAC dựa trên nền OFDMA (Orthogonal Frequency Division

WiMAX sử dụng công nghệ truy cập đa dạng, đặc biệt là OFDM và OFDMA, để tối ưu hóa khả năng truy cập và chia sẻ tài nguyên băng thông Độ rộng băng tần của WiMAX từ 5MHz đến trên 20MHz được chia nhỏ thành các băng con 1.75MHz nhờ kỹ thuật OFDM, cho phép nhiều thuê bao truy cập đồng thời trên nhiều kênh một cách linh hoạt và hiệu quả Công nghệ OFDMA còn cho phép điều chỉnh tốc độ dữ liệu dựa trên băng thông kênh truyền bằng cách thay đổi mức FFT, ví dụ như FFT 128, 512, 1024, phù hợp với các băng tần khác nhau như 1.25MHz, 5MHz, 10MHz, giúp người dùng dễ dàng kết nối trong các mạng có băng thông khác nhau.

- Chuẩn cho truy cập vô tuyến cố định và di động tương lai

WiMAX, dựa trên chuẩn IEEE 802.16, được đề xuất và phát triển bởi diễn đàn WiMAX nhằm nâng cao hệ thống truy nhập vô tuyến băng rộng cho di động và cố định Các sản phẩm và thiết bị phần cứng WiMAX đều phải qua quá trình chứng nhận phù hợp bởi diễn đàn WiMAX để đảm bảo tương thích ngược với các công nghệ như HiperLAN của ETSI và WiFi Điều này giúp đảm bảo tính linh hoạt, tương thích và khả năng tích hợp của các thiết bị WiMAX trong mạng lưới không dây hiện đại.

+ Hỗ trợ các kĩ thuật anten: phân tập thu phát, mã hoá không gian, mã hoá thời gian

+ Hỗ trợ kĩ thuật hạ tầng mạng trên nền IP: QoS (trong các dịch vụ đa phương tiện, thoại), ARQ (giúp bảo đảm độ tin cậy kết nối), …

- Chi phí thấp + Thiết lập, cài đặt dịch vụ WiMAX dễ dàng sẽ giảm chi phí cho nhà cung dịch vụ cũng như khách hàng

Dưới đây là đoạn văn đã được tối ưu hóa dựa trên nội dung bạn cung cấp, chú trọng vào các câu mang ý nghĩa chính và tuân thủ quy tắc SEO:Chính sách tập trung tạo điều kiện thuận lợi để phát triển các dịch vụ truyền thông đa phương tiện, đặc biệt tại các vùng sâu, vùng xa, nơi khó xây dựng hạ tầng mạng băng rộng Điều này giúp khắc phục các hạn chế của đường truyền Internet DSL và cáp quang, nâng cao chất lượng dịch vụ và mở rộng khả năng tiếp cận công nghệ cho cộng đồng.

CPE vô tuyến cố định có thể sử dụng cùng loại chipset modem như trong máy tính cá nhân và PDA, giúp việc lắp đặt tại nhà trở nên dễ dàng và tiết kiệm chi phí Các modem này hoạt động hiệu quả ở khoảng cách gần, tương tự như cáp hoặc DSL, và có thể tận dụng chung chipset cho các điểm truy cập WiMAX chi phí thấp Việc tăng số lượng thiết bị hỗ trợ cũng giúp đầu tư vào tích hợp các chipset tần số vô tuyến (RF) cao hơn, giảm đáng kể chi phí triển khai mạng.

1.4.2 Một số nhược điểm của công nghệ WiMAX

- Dải tần WiMAX sử dụng không tương thích tại nhiều quốc gia, làm hạn chế sự phổ biến công nghệ rộng rãi

- Do công nghệ mới xuất hiện gần đây nên vẫn còn một số lỗ hổng bảo mật

Despite being touted as a technological standard, it is not truly "standardized" as currently, nearly 10 different technological standards are in use According to industry sources, WiMAX is developed and certified by approximately 12 companies, including Alvarion, Selex Communication, Airspan, Proxim Wireless, Redline, Sequans, Siemens, SR Telecom, Telsim, Wavesat, Aperto, and Axcelera.

Giá thành thiết bị đầu cuối vẫn còn cao, mặc dù các hãng lớn như Intel, Alcatel, Alvarion và Motorola đã tham gia vào nghiên cứu và phát triển, phản ánh thách thức trong việc giảm giá sản phẩm trên thị trường hiện nay.

Công nghệ WiMAX khởi nguồn từ Mỹ, tuy nhiên hiện chưa có thông tin chính thức nào về việc quốc gia này ứng dụng công nghệ này như thế nào hay xử lý hậu quả của các sự cố ra sao Tại Việt Nam, VNPT cùng các nhà thầu quốc tế như Motorola và Alvarion đã triển khai WiMAX tại một số tỉnh miền núi phía Bắc, góp phần nâng cao hạ tầng viễn thông khu vực vùng sâu, vùng xa.

Hiện tại, các điểm truy cập Internet tại Lào Cai, chủ yếu tại Bưu điện tỉnh và huyện, vẫn chưa có những kết luận chính thức về hiệu quả đáng kể của hệ thống.

Cấu trúc của WiMAX

Hệ thống WiMAX được phân chia thành 4 lớp chính theo cấu trúc phân lớp, trong đó lớp con tiếp ứng (convergence) đóng vai trò quan trọng như giao diện trung gian giữa lớp truy cập đa năng và các lớp phía trên, đảm bảo quá trình truyền dữ liệu diễn ra hiệu quả và liên tục.

+ Lớp đa truy nhập ( MAC layer)

+ Lớp vật lý (physical layer)

Các lớp này tương đương với 2 lớp dưới cùng cùng của mô hình OSI, được tiêu chuẩn hoá để giao tiếp với nhiều ứng dụng lớp trên

1.5.1 Các đặc tính của lớp vật lý ( PHY)

- Có 3 kiểu lớp vật lý ( PHY) được đưa ra trong chuẩn 802.16:

+ WirelessMAN PHY SC: Sử dụng điều chế đơn sóng mang

WirelessMAN PHY OFDM với 256 điểm FFT sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân tần theo tần số trực giao để đạt hiệu quả tối ưu Công nghệ này dựa trên việc biến đổi Fourier nhanh (FFT) 256 điểm, giúp xử lý dữ liệu nhanh chóng và chính xác hơn Đây là yêu cầu bắt buộc cho các băng tần không cần giấy phép, đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả và tuân thủ quy định của tiêu chuẩn.

WirelessMAN PHY OFDMA với 2048 điểm FFT sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao, cho phép gửi nhiều sóng mang riêng biệt đến các máy thu Mô hình này bắt nguồn từ Wireless Metropolitan Area Network (MAN vô tuyến) dựa trên tiêu chuẩn 802.16c, hoạt động trong băng tần 11-66GHz Trạm gốc (Base Station - BS) chỉ cần một anten đẳng hướng để truyền dữ liệu xuống các User đã được gán mã số kết nối (Connection Identifier - CID) Các máy thu (Subscriber Station - SS) có anten định hướng hướng về phía các BS để nhận tín hiệu Tín hiệu từ phía máy phát được xử lý qua các bước gồm ngẫu nhiên hoá, mã hoá sửa lỗi và sắp xếp các ký tự, đảm bảo hiệu quả truyền tải dữ liệu trong hệ thống WLAN này.

Trước khi truyền đi, tín hiệu phải trải qua quá trình hiệu chỉnh 25 hiệu và sửa dạng xung (pulse shaping) để tối ưu hóa chất lượng Ngẫu nhiên hoá tín hiệu giúp bảo đảm khả năng khôi phục dữ liệu phía đầu thu, tránh tình trạng năng lượng tập trung tại các tần số nguy hiểm như phổ vạch, gây nguy hiểm cho máy thu Bộ dao động VCO của máy thu cần khóa pha chính xác tại tần số sóng mang để tránh khoá pha tại các tần số gây nhiễu và không thể giải điều chế đúng dữ liệu Các kỹ thuật mã hóa sửa lỗi như mã Reed Solomon, mã xoắn (chập mã), cùng với các mã kiểm tra như mã chẵn lẻ hoặc mã xoắn turbo (Convolution Turbo Code - CTC), giúp giảm tỷ lệ lỗi BER phụ thuộc vào điều kiện kênh truyền Các phương pháp điều chế phổ biến gồm QPSK, 16-QAM, đôi khi còn sử dụng 64-QAM, phù hợp cho các kết nối vi ba điểm - điểm (PPP) và điểm - đa điểm (PMP), mang lại tiết kiệm thời gian và chi phí so với lắp đặt cáp truyền thống.

Tập chuẩn 802.16a hỗ trợ WirelessMAN PHY SC dành cho băng tần dưới 11GHz và hoạt động trong môi trường NLOS, trong đó SS có thể là máy tính với modem ngoài kết nối tới anten định hướng Chuẩn này cũng hỗ trợ chế độ song công TDD và FDD, tương tự 802.16c, sử dụng các kỹ thuật cân bằng và ước lượng kênh để khắc phục hiệu ứng đa đường Để nâng cao chất lượng tín hiệu, hệ thống còn phải sử dụng các công nghệ như TCM (trellis coded modulation), FEC, ghép xen, hệ thống anten thích ứng (AAS) và mã hoá không gian-thời gian (STC).

WirelessMAN 256 là công nghệ sóng mang dựa trên tiêu chuẩn 802.16d, chuyên cung cấp dịch vụ kết nối băng rộng trong nhà một cách linh hoạt Các thiết bị SS (Subscriber Station) là các anten dùng trong nhà, có khả năng di chuyển với tốc độ thấp, phù hợp cho các thiết bị di động Nhờ ứng dụng công nghệ OFDM, WirelessMAN 256 cho phép kết nối không mở (NLOS) dưới dải tần số dưới 11GHz, giảm thiểu độ phức tạp của bộ thu Ngoài ra, các kỹ thuật hỗ trợ như FEC giúp nâng cao chất lượng truyền dữ liệu, đảm bảo kết nối ổn định và tin cậy hơn.

Reed-Solomon, AAS, STC, ghép xen; thời gian kí hiệu và số điểm FFT có thể thay đổi cho phù hợp với băng thông tương ứng

WirelessMAN OFDMA 2048 sóng mang có nhiều ưu điểm vượt trội so với WirelessMAN 256 sóng mang, dựa trên tiêu chuẩn 802.16e (2005) và hỗ trợ công nghệ OFDMA ở lớp vật lý, giúp người dùng (SS) di chuyển với tốc độ cao gần 125 km/h Dữ liệu được mã hóa bằng các phương pháp như mã xoắn, mã xoắn turbo, mã khối và mã kiểm tra chẳn lẻ mật độ thấp (LDPC), đảm bảo độ an toàn và giảm thiểu lỗi trong quá trình truyền dẫn Ngoài kỹ thuật AAS, hệ thống còn tích hợp công nghệ phân tập thu phát MIMO (Multi In Multi Out) để nâng cao hiệu quả truyền tải và mở rộng phạm vi phủ sóng.

1.5.2 Các đặc tính của lớp truy nhập (MAC) Chuẩn 802.16 của IEEE đưa ra cùng một lớp MAC cho tất cả lớp PHY (đơn sóng mang, 256 OFDM, 2048 OFDMA) Lớp MAC này là kết nối được định hướng điểm - đa điểm 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

Trong tình trạng quá tải, có hơn 27 trường hợp số lượng thuê bao đăng ký vượt quá giới hạn cho phép, điều này có thể dẫn đến giảm hiệu quả sử dụng băng tần Áp dụng thuật toán lịch trình giúp trạm phát gốc kiểm soát chặt chẽ chất lượng dịch vụ (QoS), đảm bảo cân bằng giữa các nhu cầu truyền thông của thuê bao khác nhau Nhờ đó, hệ thống mạng di động có thể tối ưu hoá hiệu quả sử dụng tài nguyên, nâng cao trải nghiệm người dùng và đảm bảo dịch vụ ổn định hơn.

Hình 1.4 Phân lớp của WiMAX so với mô hình OSI

Các chuẩn của WIMAX

Trong một vùng phủ sóng, trạm BS đảm nhiệm việc điều khiển toàn bộ quá trình truyền dữ liệu (Traffic), đảm bảo sự hiệu quả và ổn định của mạng Điều này có nghĩa là không có sự trao đổi trực tiếp giữa hai SS với nhau, mà mọi dữ liệu đều được kiểm soát qua trạm BS Nối kết giữa trạm BS và các SS sẽ gồm một kênh truyền dữ liệu riêng biệt, đảm bảo tốc độ và chất lượng truyền tải thông tin trong mạng di động.

Kiến trúc phân lớp của WiMAX

Kênh Uplink chia sẻ dữ liệu từ các thiết bị người dùng (SS) đến trạm gốc (BS), trong khi kênh Downlink có đặc điểm phát sóng broadcast đến nhiều SS cùng lúc Khi không có vật cản giữa BS và SS (Line of Sight), thông tin sẽ được truyền tải trên băng tần cao nhằm tăng tốc độ truyền dữ liệu Ngược lại, trong điều kiện có trở ngại, dữ liệu sẽ được truyền trên băng tần thấp hơn để giảm nhiễu và tăng độ ổn định của kết nối.

1.6.2 Các chuẩn bổ sung (Amendments) của WIMAX

Chuẩn 802.16a sử dụng băng tần có bản quyền từ 2-11 GHz, là phạm vi phổ biến nhất nhờ khả năng xuyên qua chướng ngại vật trên đường truyền Chuẩn này phù hợp để triển khai mạng Mesh, trong đó các thiết bị cuối có thể liên lạc qua nhiều thiết bị trung gian, giúp mở rộng vùng phủ sóng của các trạm phát sóng (BS).

Chuẩn 802.16b hoạt động trên băng tần 5-6GHz, nhằm cung cấp dịch vụ mạng có chất lượng cao (QoS) Chuẩn này ưu tiên truyền thông cho các ứng dụng như video, thoại và truyền dữ liệu thời gian thực thông qua các lớp dịch vụ khác nhau (Class of Service), đảm bảo độ tin cậy và hiệu quả cao trong truyền tải.

- Chuẩn 802.16c: Chuẩn này định nghĩa sóng các Profile mới cho dải băng tần từ 10-66 Ghz với mục đích cải tiến Interoperability

- Chuẩn 802.16d: Có một số cải tiến nhỏ so với 802.16a Chuẩn này được chuẩn hoá 2004 Các thiết bị Pre-WIMAX có trên thị trường là dựa vào chuẩn này

Chuẩn WiMAX 802.16e đang trong giai đoạn hoàn thiện và chuẩn hóa, nổi bật với khả năng cung cấp dịch vụ di động có tốc độ di chuyển tối đa lên đến 100 km/h Đây là tiêu chuẩn hỗ trợ dịch vụ di động linh hoạt, phù hợp với nhu cầu di chuyển nhanh của người dùng trong các môi trường đô thị và ngoài trời.

Ngoài ra, còn có nhiều chuẩn bổ sung khác đang được triển khai hoặc đang trong giai đoạn chuẩn hoá như 802.16g, 802.16f, 802.16h…

So sánh WiMAX với WiFi

WiFi và WiMAX có những khác biệt cơ bản do được thiết kế cho các ứng dụng hoàn toàn khác nhau WiFi là công nghệ mạng nội bộ LAN, nhằm tăng tính di động cho mạng LAN có dây, trong khi WiMAX cung cấp dịch vụ truy cập không dây băng rộng cho mạng vùng thành phố MAN Do đó, WiFi hỗ trợ truyền dữ liệu trong phạm vi hơn trăm mét, còn WiMAX có khả năng phục vụ người dùng trong bán kính lên tới hàng chục kilômét, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu kết nối rộng lớn và phạm vi phát sóng đa dạng.

WiMAX và WiFi có những khác biệt quan trọng về phạm vi truyền dẫn và công nghệ liên kết vô tuyến Chuẩn IEEE 802.11 WLAN mô tả bốn giao diện liên kết vô tuyến hoạt động trong băng tần 2.4 GHz hoặc 5 GHz không cấp phép, trong khi WiMAX sử dụng dải tần rộng hơn, từ 2-11 GHz, kết hợp cả băng tần cấp phép và không cấp phép để đáp ứng các yêu cầu truyền tải toàn cầu Các chuẩn WiMAX tận dụng đặc điểm lựa chọn tần số động nhằm giảm nhiễu ở vùng xa và sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo thời gian TDD hoặc phân chia theo tần số FDD, trong đó TDD cho phép kênh truyền toàn phần, còn WiFi hoạt động dựa trên cơ chế tranh chấp nơi, sử dụng công nghệ truyền dẫn TDD, khiến hệ thống WiFi là bán song công Ngoài ra, WiMAX có khả năng giảm tốc độ truyền xuống 50% để tiết kiệm băng tần, trong khi WiFi tận dụng cơ chế chia sẻ kênh trong môi trường dùng chung, phù hợp cho các mạng nội bộ không yêu cầu phạm vi xa.

Trong hệ thống truyền dẫn không dây, nghệ trải phổ tuần tự trực tiếp còn gọi là khóa mã hóa bổ sung (CCK) được sử dụng để xử lý luồng bit, sau đó được điều chế bằng phương pháp QPSK hoặc các dạng modulations như 16-QAM, 64-QAM Các tiêu chuẩn WiFi như 802.11a và 802.11g sử dụng công nghệ OFDM để nâng cao hiệu suất truyền tải dữ liệu, trong khi WiMAX áp dụng cả OFDM và OFDMA để mở rộng quy mô và tăng tốc độ mạng Cả WiMAX và WiFi đều sử dụng điều chế thích ứng và nhiều mức hiệu chỉnh lỗi trước (MCS) để tối ưu hóa tốc độ truyền và hiệu suất lỗi, trong đó cơ chế này tự động điều chỉnh khi tín hiệu vô tuyến yếu hoặc nhiễu để duy trì hiệu quả truyền dẫn Để giảm lỗi và nâng cao chất lượng truyền tải, các chuẩn WiFi như 802.11a, 802.11g và WiMAX đều tích hợp các hệ thống mã sửa lỗi trước như FEC, mã xoắn và Reed-Solomon, mặc dù WiFi 802.11b ban đầu chưa sử dụng FEC nhưng sau này đã tích hợp.

WiMAX được hỗ trợ nhiều công nghệ vô tuyến tiên tiến như anten thông minh giúp giảm nhiễu và nâng cao tốc độ truyền dữ liệu Hệ thống sử dụng đa dạng đầu phát và đầu thu MIMO để mở rộng phạm vi phủ sóng, cải thiện khả năng kết nối Tốc độ truyền dữ liệu của WiMAX có thể lên tới 100Mbps trên kênh 20MHz, trong đó duy trì tốc độ trung bình khoảng 70Mbps, mang lại hiệu suất vượt trội so với WiFi, vốn chỉ hỗ trợ tối đa 54Mbps.

Lớp MAC của WiMAX và WiFi hoàn toàn khác nhau Đối với

Giao thức lớp MAC của WiMAX cho phép chia sẻ kênh vô tuyến giữa hàng trăm người dùng đồng thời, đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) cho tất cả các người dùng WiMAX sử dụng kỹ thuật yêu cầu cấp phát tránh tranh chấp trên đường truyền, giúp hỗ trợ các dịch vụ thoại với độ trễ thấp và ổn định, cũng như tối ưu hóa trễ biến đổi cho các dịch vụ dữ liệu Điều này giúp WiMAX cung cấp mạng di động có hiệu suất cao, đáng tin cậy và phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau.

WiFi sử dụng giao thức truy cập dựa trên cơ chế tranh chấp, gọi là CSMA/CA, nhằm tránh xung đột và truyền dẫn hiệu quả trong môi trường bán song công chia sẻ kênh vô tuyến Hệ thống này áp dụng kỹ thuật điều khiển phân tán (DCF), định nghĩa các khoảng thời gian đợi và bộ đếm thời gian lùi để giảm thiểu xung đột, trong đó các trạm chỉ phát khi xác định kênh rỗi Khi có xung đột, các trạm sẽ thử lại sau khoảng thời gian đợi ngẫu nhiên, gây gia tăng xung đột khi lưu lượng cao hoặc trong môi trường di động gây ra vấn đề node ẩn Trong mạng WiMAX, truy cập đường lên được điều khiển bởi trạm gốc thông qua hệ thống yêu cầu chấp nhận, giúp hạn chế xung đột và hỗ trợ nhiều mức QoS, bao gồm 4 loại dịch vụ cơ bản Giao thức chuẩn 802.11j của WiFi cũng hỗ trợ QoS để nâng cao chất lượng dịch vụ thoại, bằng hai phương thức hoạt động nhằm tối ưu hóa truyền tải thoại trên mạng không dây.

- Mở rộng đa môi trường WiFi (WME)

Đa môi trường được lập lịch WiFi (WSM) WME sử dụng giao thức truy cập điều khiển phân tán nâng cao (EDCA), một phiên bản cải tiến của giao thức DCF giúp tối ưu hóa hiệu suất mạng không dây Theo đó, EDCA định nghĩa 8 mức ưu tiên khác nhau, cho phép phân loại và xử lý dữ liệu một cách linh hoạt và hiệu quả hơn trong các môi trường đa dạng Việc áp dụng EDCA giúp nâng cao trải nghiệm người dùng bằng cách giảm thiểu xung đột và tăng tốc độ truyền dữ liệu trên mạng WiFi.

Truy nhập cho kênh vô tuyến chia sẻ theo chuẩn EDCA hoạt động dựa trên cơ chế tranh chấp, sử dụng thời gian đợi và bộ đếm lùi để tránh xung đột mạng Khác với DCF, nơi tất cả các trạm có cùng giá trị độ ưu tiên, EDCA phân chia các độ ưu tiên truy cập khác nhau, mỗi loại được gán thời gian đợi và bộ đếm lùi riêng biệt, trong đó các truy cập có độ ưu tiên cao hơn sẽ có thời gian đợi ngắn hơn Chuẩn này cũng hỗ trợ kỹ thuật packet-bursting, cho phép điểm truy nhập hoặc trạm di động dự trữ kênh và gửi liên tiếp từ 3 đến 5 gói dữ liệu theo thứ tự, nâng cao hiệu quả truyền tải trong mạng vô tuyến chia sẻ.

WiMAX và WiFi sẽ cùng tồn tại và phát triển như những công nghệ bổ sung có tính chất mở rộng cho các ứng dụng riêng biệt WiMAX không nhằm thay thế WiFi mà ngược lại, nó bổ sung cho WiFi bằng cách mở rộng phạm vi kết nối và nâng cao trải nghiệm người dùng, đáp ứng nhu cầu ngày càng đa dạng trong môi trường mạng không dây.

WiFi và WiMAX đều là công nghệ truyền dẫn không dây nhưng được thiết kế phù hợp với các quy mô địa lý khác nhau WiFi tối ưu cho mạng nội bộ (LAN), trong khi WiMAX nhằm phục vụ mạng thành phố (MAN) Trong giai đoạn từ 2008 đến 2010, cả hai chuẩn 802.11 và 802.16 dự kiến sẽ xuất hiện trên các thiết bị người dùng như laptop và PDA, cho phép kết nối không dây trực tiếp tại gia đình, văn phòng và khi di chuyển Mặc dù cùng mục tiêu là cung cấp kết nối Internet không dây, công nghệ WiMAX có nhiều ưu điểm hơn so với WiFi trong việc mở rộng phạm vi và khả năng phục vụ các khu vực rộng lớn.

- Sai số tín hiệu truyền nhận ít hơn

- Khả năng vượt qua vật cản tốt hơn

- Số thiết bị sử dụng kết nối lớn hơn hàng trăm so với hàng chục trong WiFi

- Lớp vật lý MAC (Medium Access Control) dùng trong WiMAX dựa trên kỹ thuật phân chia theo khe thời gian cho phép đồng nhất băng

33 tần giữa các thiết bị (TDMA) hiệu quả hơn sơ với WiFi (sử dụng CSMA-

CA rất gần CSMA-CD sử dụng trong mạng Ethernet) Chính vì vậy phổ sóng vô tuyến sẽ đạt được tốt hơn

Mạng WiMAX không thể thay thế hoàn toàn WiFi trong các ứng dụng, nhưng đóng vai trò là thành phần bổ sung quan trọng để hình thành mạng không dây toàn diện Xu hướng chính của mạng không dây hiện nay là mở rộng phạm vi phủ sóng và nâng cao hiệu suất, tập trung vào các công nghệ chiếm lĩnh không gian, tích hợp với các kỹ thuật hiện tại và đáp ứng các yếu tố cơ bản như tiêu thụ công suất thấp, phạm vi lớn và tốc độ truyền dữ liệu cao Để đảm bảo chất lượng mạng, đặc biệt ở lớp thấp nhất, cần kiểm soát độ trễ trong quá trình truyền dữ liệu, điều này rất quan trọng đối với các dịch vụ như thoại và video để đảm bảo trải nghiệm người dùng mượt mà và liên tục.

WiMAX và WiFi hoạt động trong hai môi trường khác nhau, với WiMAX tập trung vào phạm vi phủ sóng mạng di động và các mạng công cộng Mục đích của WiMAX là mở rộng khả năng kết nối không chỉ ở phạm vi rộng mà còn phục vụ các dịch vụ như mạng VoIP trong tương lai Phát triển WiMAX hướng tới việc cung cấp giải pháp kết nối bền vững và đa dạng cho các mạng di động và cộng đồng.

Các dải tần áp dụng

Dải tần từ 11-66 GHz hoạt động trong môi trường vật lý có bước sóng ngắn và tầm nhìn thẳng (LOS), ít bị ảnh hưởng bởi đa đường Với độ rộng băng tần phổ biến là 25 MHz hoặc 28 MHz, các hệ thống vô tuyến trong dải này thường ứng dụng kiểu điều chế sóng mang đơn WirelessMAN SC để tối ưu hiệu suất truyền tải dữ liệu.

- Các dải tần cấp phép dưới 11 GHz

Các tần số dưới 11 GHz hoạt động hiệu quả trong các môi trường vật lý có bước sóng lớn hơn, không yêu cầu điều kiện LOS (Thông đường tầm nhìn) và có khả năng chấp nhận đa đường vượt trội Điều này giúp các hệ thống sử dụng tần số này hỗ trợ tốt cả trong môi trường LOS gần và NLOS, nâng cao khả năng truyền dẫn dữ liệu và mở rộng phạm vi hoạt động.

Bảng 1.1 Đặc tính của các giao diện vô tuyến

Các dải tần dưới 11 GHz (chủ yếu từ 5-6 GHz) được miễn cấp phép, giúp người dùng dễ dàng triển khai các thiết bị không cần xin phép Trong đó, băng tần 5 GHz (5125-5250 MHz) thường được sử dụng cho các ứng dụng trong nhà nhờ khả năng hoạt động ổn định và dễ thiết lập Băng tần này phù hợp để triển khai WiMax cố định với độ rộng kênh 10 MHz, đồng thời có công suất tối đa cho phép cao hơn so với các băng tần khác trong dải, giúp nâng cao hiệu suất truyền dẫn và kết nối mạng không dây.

Giao diện Khả năng áp dụng

Các tuỳ chọn Phương thức song công

WirelessMAN-SC TM 11-66 GHz TDD, FDD

WirelessMAN-SC a TM Các băng tần dưới

WirelessMAN-OFDM TM Các băng tần dưới

WirelessMAN-OFDMA Các băng tần dưới

WirelessHUMAN TM Các băng tần dưới 11

GHz được miễn cấp phép

Ứng dụng của WiMAX

Phí dịch vụ hợp lý giúp các doanh nghiệp có thể tiếp cận các dịch vụ băng rộng, đặc biệt khi phần lớn họ không được chia thành các khu vực để lắp đặt cáp, buộc phải dựa vào các nhà cung cấp viễn thông địa phương dẫn đến tình trạng độc quyền Việc triển khai các hệ thống WiMAX mang lại lợi ích lớn, tạo ra cạnh tranh mới trên thị trường, giúp giảm giá dịch vụ và cho phép doanh nghiệp thiết lập mạng riêng của mình Công nghệ này rất phù hợp cho các ngành như khí đốt, mỏ, nông nghiệp, vận tải và xây dựng ở các khu vực xa xôi hẻo lánh Đối với người dân ở nông thôn – những nơi dịch vụ DSL và cáp chưa phủ sóng – WiMAX mở ra khả năng truy cập băng rộng, đặc biệt phù hợp với các nước đang phát triển nơi hạ tầng viễn thông truyền thống còn nhiều hạn chế.

Công nghệ WiMAX đã cách mạng hoá phương pháp truyền thông, cung cấp kết nối tự do cho người dùng di chuyển liên tục, hỗ trợ truyền thoại, dữ liệu và hình ảnh WiMAX cho phép kết nối không dây từ nhà đến xe, công sở hoặc bất cứ đâu trên thế giới mà không cần đường dây cố định Để minh họa khả năng ứng dụng của WiMAX, các mô hình mạng thường được phân thành hai loại chính: mạng công cộng và mạng riêng, phù hợp với các mục đích sử dụng khác nhau.

Các mạng riêng, dành riêng cho tổ chức, cơ quan hoặc doanh nghiệp, cung cấp các liên kết thông tin chuyên dụng đảm bảo truyền tải tin cậy thoại, dữ liệu và hình ảnh Việc triển khai đơn giản và nhanh chóng giúp ưu tiên hàng đầu, với các cấu hình phổ biến như điểm tới điểm hoặc điểm tới nhiều điểm, phù hợp với nhu cầu doanh nghiệp.

1.9.1.1 Chuyển về các nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến

Các nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến (WSPs) sử dụng thiết bị WiMAX để chuyển lưu lượng dữ liệu từ trạm gốc đến các mạng truy cập của họ, đảm bảo kết nối không dây hiệu quả Công nghệ WiMAX giúp tối ưu hóa tốc độ truyền tải và mở rộng khả năng phủ sóng, như đã minh họa trong hình 1.5 Việc triển khai WiMAX là giải pháp phù hợp để cung cấp dịch vụ internet bền vững, ổn định và đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của người dùng.

Hình 1.5 Minh hoạ chuyển về nhà cung cấp dịch vụ

Các mạng truy cập dựa trên WiFi, WiMAX hoặc các công nghệ truy cập vô tuyến có đăng ký độc quyền mang lại nhiều lợi ích trong việc triển khai dịch vụ mạng Khi sử dụng thiết bị WiFi, toàn bộ mạng WSP được xem như một hot zone, hỗ trợ truyền dữ liệu đa dạng bao gồm thoại, hình ảnh và dữ liệu, với đặc điểm QoS của WiMAX giúp ưu tiên và tối ưu hóa dung lượng truyền tải Thiết bị WiMAX có khả năng triển khai nhanh chóng, tạo điều kiện thuận lợi cho việc giới thiệu mạng WSP mới một cách hiệu quả Việc thuê dịch vụ từ các công ty điện thoại địa phương để chuyển tiếp dữ liệu có thể làm tăng chi phí hoạt động, trong khi triển khai cáp quang tốn kém và mất nhiều thời gian, gây trở ngại cho việc phát triển dịch vụ mới Ngoài ra, các công nghệ như cáp quang và DSL thường không mang lại lợi nhuận ở khu vực nông thôn, ngoại thành, vì chúng không đáp ứng được dung lượng cần thiết cho các mạng này.

Các ban phụ trách trường học có thể sử dụng mạng WiMAX để kết nối các trường với trụ sở chính trong cùng một quận hoặc huyện, đảm bảo kết nối ổn định và rộng khắp Hệ thống WiMAX yêu cầu chính gồm khả năng truyền không yêu cầu tầm nhìn trực tiếp (NLOS), băng thông cao hơn 15 Mbps, hỗ trợ kết nối điểm đến điểm và điểm đến nhiều điểm, cùng phạm vi phủ sóng rộng Các mạng giáo dục dựa trên WiMAX tích hợp chất lượng dịch vụ (QoS), đáp ứng đầy đủ các yêu cầu liên lạc như hệ thống thoại, dữ liệu (báo cáo sinh viên), email, truy cập Internet và intranet, cũng như các hoạt động giáo dục từ xa với hình ảnh, kết nối giữa trụ sở và các trường, cũng như liên kết giữa các trường trong vùng một cách hiệu quả.

Giải pháp WiMAX cung cấp vùng phủ rộng, mang lại lợi ích kinh tế, đặc biệt cho các trường học ở nông thôn thiếu hoặc có ít cơ sở hạ tầng liên lạc Khi ban phụ trách trường sở hữu và vận hành các mạng riêng, họ có thể linh hoạt điều chỉnh vị trí và bố trí các tiện nghi phù hợp Điều này giúp giảm đáng kể chi phí vận hành các tuyến truyền dẫn, nâng cao hiệu quả hoạt động của trường.

Các giải pháp thuê hàng năm không có dây không thể cung cấp khả năng triển khai nhanh chóng và chi phí thấp, đồng thời hầu hết các phiên bản DSL và công nghệ cáp không đáp ứng được yêu cầu về thông lượng của các mạng giáo dục hiện nay.

Trụ sở ban trường học

Sinh viên Điện thoại VoIP

Hình 1.6 Minh hoạ về mạng giáo dục

Các cơ quan an ninh công cộng của chính phủ như cảnh sát, cứu hỏa, và đội tìm kiếm cứu hộ có thể sử dụng mạng WiMAX để hỗ trợ phản ứng nhanh chóng trong các tình huống cấp cứu và khẩn cấp Việc sử dụng WiMAX giúp các lực lượng này truyền dữ liệu và liên lạc hiệu quả trong các tình huống khẩn cấp, như minh họa trong hình 1.7 Đây là giải pháp tối ưu để nâng cao khả năng phản ứng và giám sát trong các tình huống khẩn cấp, đảm bảo an toàn cho cộng đồng.

Ngoài ra, hệ thống còn cung cấp truyền thông thoại hai chiều giữa trung tâm và các đội phản ứng nhanh, giúp giải quyết tình huống khẩn cấp một cách nhanh chóng Mạng tiếp sóng hình ảnh, video và dữ liệu từ hiện trường vụ tai nạn hoặc thảm họa đến trung tâm điều khiển, cho phép phân tích tình huống trong thời gian thực như thể các chuyên gia đang có mặt tại hiện trường Công nghệ WiMAX QoS đảm bảo mạng xử lý đa dạng lưu lượng một cách hiệu quả, giúp đội phản ứng ban đầu xây dựng mạng vô tuyến tạm thời trong vài phút tại các điểm gặp sự cố hoặc thảm họa tự nhiên Họ cũng có thể truyền lưu lượng dữ liệu này về trung tâm giải quyết nhanh hoặc trung tâm điều khiển qua mạng WiMAX hiện có, nâng cao hiệu quả phản ứng và quản lý tình huống khẩn cấp.

Các giải pháp có dây không phù hợp do tính không thể dự đoán và không ổn định của các vụ tai nạn và thảm họa Trong các tình huống đòi hỏi tính di động cao, như cảnh sát truy cập dữ liệu từ phương tiện chuyển động hoặc lính cứu hỏa tải thông tin về tuyến đường tối ưu, WiMAX là giải pháp lý tưởng nhờ khả năng hỗ trợ di động và băng thông rộng lớn Ví dụ, các máy quay video trong xe cứu thương cung cấp thông tin tình trạng bệnh nhân trước khi đến bệnh viện, giúp tối ưu hóa quá trình chăm sóc WiMAX vượt trội so với các hệ thống băng hẹp, đáp ứng yêu cầu về tính di động và truyền dữ liệu nhanh trong các tình huống cấp cứu khẩn cấp.

Trung tâm điều khiển/trụ sở chính

Thiết bị đầu cuối quản trị

Mạng WiMAX Thiết bị đầu cuối DL

Cảnh sát Thiết bị đầu cuối DL

Thiết bị đầu cuối DL

Xe cứu hoả Địa điểm xảy ra thảm hoạ/tai nạn

Hình 1.7 Minh hoạ về mạng an ninh công cộng

1.9.1.4 Các phương tiện liên lạc xa bờ

Các nhà sản xuất ga, dầu có thể sử dụng công nghệ WiMAX để cung cấp các tuyến nối liên lạc từ các phương tiện trên mặt đất đến các giàn khoan dầu và bệ khoan Công nghệ này hỗ trợ hoạt động từ xa, các phương tiện liên lạc cơ bản và đảm bảo an ninh, giúp cải thiện hiệu quả và an toàn trong khai thác dầu khí Hình 1.8 minh họa rõ ràng các ứng dụng của WiMAX trong ngành dầu khí.

Các hoạt động từ xa bao gồm xử lý sự cố thiết bị phức tạp, kiểm tra định hướng địa điểm và truy cập cơ sở dữ liệu một cách hiệu quả Những hoạt động này giúp đảm bảo hoạt động liên tục, giảm thiểu thời gian chết và nâng cao hiệu suất công việc từ xa Nhờ vào công nghệ hiện đại, các dịch vụ từ xa ngày càng trở nên phổ biến trong việc quản lý hệ thống và hỗ trợ kỹ thuật từ xa.

Các đoạn video về các thành phần hoặc cụm lắp ráp gặp sự cố được truyền tới đội ngũ chuyên gia trên mặt đất để phân tích chính xác Hệ thống an ninh bao gồm kiểm tra đèn cảnh báo và giám sát qua camera để đảm bảo an toàn và phản ứng kịp thời Các phương tiện liên lạc cơ bản như điện thoại, email, truy cập internet và trao đổi qua video giúp hỗ trợ nhanh chóng trong quá trình xử lý sự cố và phối hợp công tác.

Máy tính xách tay người vận hành

Hình 1.8 Minh hoạ về mạng liên lạc xa bờ

Trong mạng công cộng, các tài nguyên được truy cập và chia sẻ giữa nhiều người dùng khác nhau, bao gồm cả doanh nghiệp và cá nhân riêng lẻ Mạng công cộng thường nhằm mục đích mang lại lợi nhuận thông qua việc cung cấp vùng phủ sóng rộng khắp, phù hợp với vị trí của người dùng có thể cố định hoặc dự đoán được Ứng dụng chính của mạng công cộng là truyền thông thoại và dữ liệu, trong đó truyền thông video ngày càng trở nên phổ biến hơn An ninh mạng là yếu tố then chốt để đảm bảo an toàn cho nhiều người dùng cùng chia sẻ một mạng, với giải pháp hỗ trợ kèm VLAN và mã hoá dữ liệu được sử dụng để bảo vệ thông tin Các bối cảnh sử dụng của mạng công cộng được minh họa rõ nét trong các ví dụ thực tế.

1.9.2.1 Nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến truy cập mạng

KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM

Giới thiệu kỹ thuật điều chế OFDM

Kỹ thuật OFDM là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) là công nghệ kết hợp giữa mã hóa và ghép kênh để tối ưu hóa truyền tải dữ liệu Trong đó, ghép kênh thường liên quan đến việc tổ hợp các tín hiệu độc lập từ các nguồn khác nhau thành một miền truyền dẫn chung Đặc trưng của OFDM là sử dụng nhiều sóng mang con độc lập, mỗi sóng mang con này đều được mã hóa riêng biệt Quá trình bắt đầu bằng việc chia nhỏ tín hiệu thành các nguồn độc lập, sau đó thực hiện mã hóa và ghép kênh để tạo ra các sóng mang OFDM, nâng cao hiệu quả truyền dữ liệu và giảm nhiễu.

Kỹ thuật điều chế OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế FDM, chia dữ liệu thành nhiều đường truyền băng hẹp trong vùng tần số sử dụng Các sóng mang con của OFDM trực giao với nhau, cho phép phổ tín hiệu của chúng chồng lấn lên nhau mà vẫn đảm bảo thu hồi tín hiệu ban đầu Nhờ khả năng chồng lấn phổ tín hiệu này, hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ cao hơn nhiều so với các kỹ thuật điều chế truyền thống, tối ưu hoá băng thông và nâng cao hiệu quả truyền dẫn dữ liệu.

Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM ra đời khắc phục khả năng sử dụng phổ, kế thừa những ưu điểm của phương pháp điều chế

OFDM là phương pháp điều chế đa sóng mang đặc biệt, trong đó mỗi sóng mang phụ được chọn sao cho nó trực giao với các sóng mang phụ còn lại, giúp tăng hiệu quả sử dụng phổ Điều này cho phép đặt các sóng mang phụ chồng lấn lên nhau, giảm thiểu tần số cần thiết và tối ưu hóa tài nguyên vô tuyến Trong các kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến, OFDM nổi bật với khả năng tận dụng tối đa tần số nhờ vào tính trực giao của các sóng mang phụ, ít tốn băng tần hơn so với các phương pháp truyền thống như đơn sóng mang hoặc đa sóng mang không trực giao FDM Hình 2.1 minh họa rõ ưu điểm của OFDM trong việc sử dụng hiệu quả tài nguyên vô tuyến, đặc biệt là tần số.

Trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta có thể tiết kiệm khoảng 50% băng thông so với kỹ thuật không chồng phổ Tuy nhiên, kỹ thuật này đòi hỏi phải triệt tiêu nhiễu xuyên giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng mang cần phải trực giao với nhau để đảm bảo hiệu suất truyền thông tối ưu Sự khác biệt chính giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang không chồng phổ và kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ nằm ở cách sử dụng băng thông và yêu cầu về hạn chế nhiễu giữa các sóng mang.

Hình 2.1 Kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a) và kỹ thuật sóng mang chồng xung (b)

Trong OFDM, dữ liệu trên mỗi sóng mang chồng lên dữ liệu trên các sóng mang lân cận, giúp tăng hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống Sự chồng chập này là yếu tố quan trọng góp phần tối ưu hóa băng thông trong OFDM Ngoài ra, có thể nâng cao dung lượng hệ thống OFDM đáng kể bằng cách điều chỉnh linh hoạt tốc độ dữ liệu trên từng sóng mang dựa trên tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR), phù hợp với điều kiện của từng kênh truyền.

OFDM khác biệt rõ ràng so với FDM ở nhiều điểm, đặc biệt trong cách truyền tín hiệu và sử dụng phổ tần số Trong phát thanh truyền thống, mỗi đài phát sóng hoạt động trên các tần số riêng biệt, sử dụng hiệu quả FDM để duy trì sự ngăn cách giữa các đài mà không cần sự đồng bộ giữa các trạm phát sóng Trong khi đó, truyền OFDM kết hợp tín hiệu từ nhiều trạm trong một dòng dữ liệu ghép kênh đơn, được truyền qua khối OFDM tạo ra từ nhiều sóng mang dày đặc Các sóng mang trong tín hiệu OFDM được đồng bộ về thời gian và tần số, giúp kiểm soát nhiễu crosstalk giữa các sóng mang, mặc dù chúng chồng lấp trên miền tần số nhờ tính chất trực giao của điều chế, giảm thiểu can nhiễu liên giới (ICI) Ngược lại, FDM yêu cầu khoảng bảo vệ tần số lớn giữa các kênh để tránh nhiễu, làm giảm hiệu quả phổ; còn OFDM tận dụng tính chất trực giao của các sóng mang để giảm thiểu khoảng cách bảo vệ, từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần số.

Số lượng sóng mang con trong truyền tải vô tuyến phụ thuộc vào các yếu tố như độ rộng kênh và mức độ nhiễu, tương ứng với kích thước FFT Chuẩn IEEE 802.16d (2004) quy định 256 sóng mang con phù hợp với FFT 256 điểm, hình thành tiêu chuẩn Fixed WiMAX với độ rộng kênh cố định Trong khi đó, chuẩn IEEE 802.16e (2005) mở rộng khả năng hỗ trợ FFT từ 512 đến 1024 điểm, giúp nâng cao hiệu suất và linh hoạt trong việc chọn lựa độ rộng kênh phù hợp.

2048 phù hợp với độ rộng kênh 5MHz đến 20MHz, hình thành chuẩn Mobile WiMAX (Scalable OFDMA), để duy trì tương đối khoảng thời

49 gian không đổi của các kí hiệu và khoảng dãn cách giữa các sóng mang với độ rộng kênh

- Dù thuật ngữ OFDM mới phổ biến rộng rãi gần đây nhưng kĩ thuật này đã được xuất hiện cách nay hơn 40 năm:

+ Năm 1966, R.W Chang đã phát minh ra kĩ thuật OFDM ở Mỹ

Năm 1971, nghiên cứu của Weisteins và Ebert đã chứng minh rằng phương pháp điều chế và giải điều chế OFDM có thể thực hiện thông qua phép biến đổi IDFT và DFT Với sự phát triển của công nghệ số, người ta đã áp dụng phép biến đổi IFFT và FFT để tối ưu hóa bộ điều chế OFDM, nâng cao hiệu quả truyền tải dữ liệu không dây.

+ N h ữ n g n ă m 1 9 8 0 , k ỹ t h u ậ t O F D M đ ư ợ c n g h i ê n c ứ u n h ằ m ứng dụng trong modem tốc độ cao và trong tryền thông di động

Trong những năm 1990, công nghệ OFDM đã được ứng dụng trong các hệ thống truyền dẫn thông tin băng rộng như HDSL, ADSL, VHDSL, mở đường cho việc phát triển truyền hình số DVB và phát thanh số DAB Năm 1999, tiêu chuẩn IEEE 802.11 đã chính thức phát hành chuẩn 802.11a, xác định cách hoạt động của OFDM trên băng tần 5GHz UNI, góp phần mở rộng khả năng kết nối không dây tốc độ cao.

Năm 2003, IEEE đã công bố chuẩn 802.11g, cho phép công nghệ OFDM hoạt động trên băng tần 2.4GHz, mở rộng khả năng truyền dữ liệu không dây Việc phát triển OFDM cho hệ thống băng thông rộng chứng tỏ tính hữu dụng của công nghệ này trong các hệ thống có Tỉ số S/N thấp Đây là bước tiến quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất truyền tải dữ liệu không dây, đặc biệt trong môi trường có nhiễu và tín hiệu yếu.

Kỹ thuật OFDM ngày nay được kết hợp với phương pháp mã hóa kênh trong truyền thông vô tuyến, gọi là Coded OFDM, nhằm giảm thiểu lỗi trên kênh truyền bằng cách mã hóa tín hiệu trước khi điều chế với nhiều loại mã khác nhau Do chất lượng kênh của từng sóng mang con (bao gồm độ fading và tỷ số S/N) khác nhau, tín hiệu trên mỗi sóng mang được điều chế với các mức khác nhau theo phương pháp điều chế thích nghi (adaptive modulation) Công nghệ này hiện đang ứng dụng trong hệ thống truyền thông băng rộng như HiperLAN của ETSI tại Châu Âu, mang lại hiệu quả truyền tải tối ưu hơn.

Hệ thống OFDM bắt đầu bằng việc chia dữ liệu tốc độ cao thành nhiều dòng dữ liệu song song qua bộ chuyển đổi nối tiếp thành song song (S/P), giúp tăng hiệu quả truyền tải Mỗi dòng dữ liệu này sau đó được mã hóa bằng thuật toán sửa lỗi tiến (FEC) và sắp xếp theo trình tự hỗn hợp để tối ưu hóa khả năng chống nhiễu Các symbol hỗn hợp này được đưa vào khối IDFT, tính toán các mẫu thời gian tương ứng với các kênh nhánh trong miền tần số, giúp biến đổi tín hiệu từ miền tần số sang miền thời gian Để giảm nhiễu xuyên ký tự ISI do truyền qua các kênh di động đa đường, hệ thống chèn khoảng bảo vệ vào tín hiệu trước khi bộ lọc phát định dạng tín hiệu thời gian liên tục chuyển đổi sang tần số cao để truyền qua kênh vô tuyến Trong quá trình truyền, tín hiệu có thể bị ảnh hưởng bởi các nguồn nhiễu như nhiễu trắng, AWGN, gây suy giảm chất lượng tín hiệu Tại phía thu, tín hiệu được đưa xuống tần số thấp, giữ nguyên các mẫu tại bộ lọc thu, bỏ qua khoảng bảo vệ, sau đó chuyển đổi từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT sử dụng thuật toán FFT Cuối cùng, dựa vào sơ đồ điều chế, sự dịch chuyển về biên độ và pha của các sóng mang nhánh sẽ được điều chỉnh bằng bộ cân bằng kênh để đảm bảo chất lượng tín hiệu thu đủ điều kiện cho các bước xử lý tiếp theo.

Chèn pilot Ước lượng kênh

Loại bỏ dải bảo vệ

Trong quá trình xử lý, các symbol bị nhiễu hỗn hợp sẽ được sắp xếp lại và giải mã để phục hồi dòng dữ liệu liên tiếp ban đầu Quá trình này bao gồm các bước như cân bằng kênh (Channel Equalization), giúp giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu và suy hao tín hiệu trong hệ thống OFDM Các tín hiệu OFDM sau khi qua quá trình cân bằng kênh, sẽ đảm bảo tín hiệu phục hồi chính xác, đồng thời tăng độ đáng tin cậy của dữ liệu truyền đi Tín hiệu OFDM và phổ OFDM là các yếu tố quan trọng giúp tối ưu hiệu suất truyền dữ liệu trong hệ thống truyền thông hiện đại.

Hình 2.3 Tín hiệu và phổ OFDM

Nguyên lý điều chế OFDM

Ý tưởng OFDM là truyền dẫn song song nhiều băng con chồng lấn nhau trên cùng một dải tần số để tận dụng tối đa phổ tần Việc xếp chồng lấn các băng tần con tạo ra hiệu quả sử dụng phổ tần cao hơn và giúp phân tán lỗi khi truyền qua kênh, từ đó nâng cao hiệu năng hệ thống nhờ kết hợp các kỹ thuật mã hoá và kiểm soát lỗi Khác với hệ thống ghép kênh phân chia theo tần số truyền thống (FDM), OFDM cho phép các băng con chồng lấn mà không cần dành khoảng bảo vệ, giảm thiểu độ phức tạp của bộ lọc thu và tối ưu hóa khả năng sử dụng phổ tần.

Làm thế nào để tách các băng con từ băng tổng chồng lấn mà không gây giao thoa trong miền tần số (ICI) hoặc miền thời gian (ISI) là câu hỏi chính trong truyền dẫn OFDM Điều quan trọng là nhờ vào tính trực giao của các sóng mang con, giúp truyền đồng thời nhiều băng tần chồng lấn mà vẫn dễ dàng tách chúng ra ở phía thu Nhờ đó, hệ thống OFDM đảm bảo khả năng xử lý tín hiệu số hiệu quả, tiết kiệm chi phí và tối đa hóa hiệu suất sử dụng tần số Để đạt được điều này, cần hiểu rõ khái niệm tính trực giao và áp dụng nó vào quá trình tạo và thu nhận tín hiệu OFDM, cùng các điều kiện cần thiết để đảm bảo tính trực giao này trong hệ thống truyền dẫn.

2.3.1 Sự trực giao của hai tín hiệu Orthogonal chỉ ra rằng có một mối quan hệ chính xác giữa các tần số của các sóng mang trong hệ thống OFDM Trong hệ thống FDM thông thường, các sóng mang được cách nhau trong một khoảng phù hợp để tín hiệu thu có thể nhận lại bằng cách sử dụng các bộ lọc và các bộ giải điều chế thông

Các hệ thống truyền dẫn đa sóng mang yêu cầu các khoảng bảo vệ được dự liệu trước để đảm bảo hiệu quả sử dụng phổ tần số nhưng điều này có thể làm giảm hiệu suất của hệ thống Trong các hệ thống này, tính trực giao của các sóng mang là yếu tố then chốt để định vị chính xác các tín hiệu trong phổ, giúp giảm nhiễu và crosstalk giữa các dải tần Đặc biệt, kỹ thuật sắp xếp các sóng mang trong OFDM để các dải băng của chúng chồng chéo mà không gây nhiễu đòi hỏi các sóng mang phải trực giao về mặt toán học, giúp các tín hiệu vẫn có thể thu nhận chính xác Máy thu trong hệ thống hoạt động bằng cách giải điều chế, dịch tần các sóng mang về mức DC, và dựa vào việc tích phân trong một chu kỳ symbol để phục hồi dữ liệu gốc Các sóng mang độc lập tuyến tính (trực giao) khi khoảng cách giữa chúng là bội số của 1/, chính là điều kiện cần để giữ tính tương thích trong quá trình truyền tải Tuy nhiên, các dạng phi tuyến do nhiễu gây ra, như hiệ tượng can nhiễu giữa các sóng mang (ICI), có thể làm mất đi tính trực giao này, ảnh hưởng đến hiệu quả truyền dữ liệu.

Phần đầu của tín hiệu giúp nhận biết đặc điểm tuần hoàn của dạng sóng, tuy nhiên nó dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu xuyên ký tự (ISI), làm giảm độ chính xác trong truyền tải dữ liệu Để khắc phục vấn đề này, phần này có thể được lặp lại thông qua việc thêm tiền tố lặp (CP: Cycle Prefix), nhằm bảo vệ dữ liệu khỏi nhiễu và cải thiện hiệu suất truyền dẫn của hệ thống, đặc biệt trong các mạng truyền thông hiện đại.

Trong hệ thống OFDM, tính trực giao của các sóng mang con đảm bảo chúng không bị xuyên nhiễu lẫn nhau, nâng cao chất lượng truyền dẫn Ngoài ra, việc sử dụng kỹ thuật đa sóng mang dựa trên FFT và IFFT giúp hệ thống hoạt động hiệu quả không phải nhờ lọc dải thông, mà là xử lý trực tiếp trên băng tần gốc, tối ưu hóa khả năng truyền dữ liệu.

Tính trực giao của các tín hiệu OFDM có thể được thể hiện qua phổ của chúng, trong đó mỗi sóng mang phụ OFDM có đáp tuyến tần số sinc (sin(x)/x) Đáp tuyến này phản ánh mối liên hệ giữa thời gian symbol cố định (T FFT) và nghịch đảo của tần số, thể hiện rõ tính trực giao của các tín hiệu trong miền tần số Mỗi symbol OFDM được truyền trong một khoảng thời gian nhất định, tương ứng với nghịch đảo của khoảng cách giữa các sóng mang, đảm bảo khả năng thực hiện multiplexing hiệu quả.

Tải phụ 1/T FFT Hz với dạng sóng hình chữ nhật trong miền thời gian tạo ra đáp tuyến tần số dạng sinc trong miền tần số Mỗi tải phụ có đỉnh tại tần số trung tâm và các giá trị không đều nhau theo các khoảng trống bằng khoảng cách sóng mang Tính chất trực giao của việc truyền được thể hiện qua đỉnh mỗi tải phụ Tín hiệu này được phân tích nhờ vào biến đổi Fourier rời rạc (DFT), giúp xác định đặc điểm của sóng truyền và phân tích tần số chính xác hơn.

Trong OFDM, tín hiệu được coi là trực giao khi chúng độc lập với nhau, giúp truyền dữ liệu hiệu quả và phát hiện tín hiệu mà không gây nhiễu lẫn nhau Nhờ đặc tính trực giao này, các tải phụ được đặt gần nhau theo lý thuyết tối đa hóa cường độ truyền tải mà vẫn duy trì tính trực giao, đảm bảo truyền thông không nhiễu Tính trực giao của OFDM được thực hiện bằng cách phân chia tín hiệu thành các dải tần số riêng biệt, mỗi dải phụ tương ứng với một hình sin riêng biệt, với tần số cơ bản là nguyên hàm của thời gian symbol Các tải phụ có số nguyên chu kỳ trong một symbol, giúp chúng duy trì tính trực giao và tối ưu hóa việc truyền dữ liệu qua kênh chung.

Khi hai sóng sin có cùng tần số, dạng sóng hợp thành luôn mang giá trị dương và có giá trị trung bình khác không, điều này rất quan trọng trong quá trình điều chế OFDM Các máy thu OFDM thực hiện biến đổi tín hiệu từ miền tần số bằng kỹ thuật xử lý tín hiệu số gọi là biến đổi nhanh Fourier (FFT), giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền tải dữ liệu.

Trong các lý thuyết chuyển đổi, chuỗi trực giao đóng vai trò quan trọng trong phân tích hệ thống truyền dữ liệu Để khắc phục hiện tượng không bằng phẳng của đáp tuyến kênh, cần sử dụng nhiều sóng mang, mỗi sóng mang chiếm một phần nhỏ của băng thông, giúp giảm tác động của đáp tuyến kênh đến dữ liệu truyền tải Điều này đảm bảo hiệu quả truyền tải dữ liệu ổn định và giảm thiểu các lỗi do biến dạng của kênh.

Số sóng mang càng nhiều càng tốt nhưng phải có khoảng bảo vệ để tránh can nhiễu giữa các sóng mang Tuy nhiên, để tận dụng tốt nhất thì dùng các sóng mang trực giao, khi đó các sóng mang có thể trùng lắp nhau vẫn không gây can nhiễu Nếu ký hiệu các sóng mang con được dùng trong hệ thống

OFDM là s i (t) và s j (t) Để đảm bảo tính trực giao cho OFDM, các hàm sin của sóng mang con phải thỏa mãn điều kiện sau :

1 là khoảng cách tần số giữa hai sóng mang con, T là thời gian ký hiệu, N là số các sóng mang con, N.Δf là băng thông truyền dẫn và t s làdịch thời gian

Dấu “*” trong công thức (2.1) chỉ sự liên hợp phức.Ví dụ: nếu tín hiệu là sin(mx) với m = 1,2… thì nó trực giao trong khoảng từ -π đến π

Trong toán học, số hạng trực giao xuất phát từ nghiên cứu các vector Hai vectơ được gọi là trực giao khi chúng vuông góc với nhau, tạo thành góc 90 độ, và tích vô hướng của chúng bằng 0 Đây là khái niệm quan trọng trong lý thuyết vector và có ứng dụng rộng rãi trong toán học và các ngành kỹ thuật.

Hình 2.4 Tích của hai vectơ vuông góc bằng 0

Hình 2.5 Bộ điều chế OFDM

Hệ thống có băng thông B, được chia thành Nc kênh con, với chỉ số kênh n từ -L đến L, dẫn đến tổng số FFT là NFFT = 2L+1 Dữ liệu đầu vào được chia thành NFFT dòng song song, giảm tốc độ dữ liệu đi NFFT lần thông qua bộ chia nối tiếp/song song Mỗi dòng bit song song được điều chế thành mẫu của tín hiệu phức đa mức d_k,n, với n là chỉ số kênh phụ, i là chỉ số khe thời gian tương ứng sau bộ S/P, và k là chỉ số khe thời gian của các mẫu tín hiệu phức Các mẫu tín hiệu này sau đó nhân với xung cơ sở để giới hạn phổ của mỗi sóng mang, rồi dịch tần lên kênh con tương ứng bằng cách nhân với hàm phức e^{jLωs t} để các sóng mang trực giao nhau Tín hiệu cuối cùng sau khi nhân với xung cơ sở, dịch tần và cộng lại qua bộ tổng chính là tín hiệu đã hoàn chỉnh, biểu diễn rõ ràng qua các bước xử lý này trong hệ thống truyền dẫn.

Tín hiệu này được gọi là mẫu tín hiệu OFDM thứ k, biễu diễn tổng quát tín hiệu OFDM sẽ là: m(t)= m ' (t) k

Trước khi phát đi thì tín hiệu OFDM được chèn thêm chuỗi bảo vệ để chống nhiễu xuyên kí hiệu ISI

Nguyên lý giải điều chế OFDM

Kênh truyền dẫn phân tập đa đường được mô tả bằng đáp ứng xung h(τ, t) và hàm truyền đạt H(j, t) Đáp ứng xung thể hiện thời gian trễ truyền dẫn của kênh, phản ánh khoảng thời gian tín hiệu đi từ máy phát đến máy thu Phân tích biến đổi Fourier của đáp ứng xung giúp xác định hàm truyền đạt của kênh, từ đó tối ưu hóa hiệu quả truyền tải dữ liệu qua kênh đa đường.

Giả sử không có AWGN, mối liên hệ giữa tín hiệu thu u(t), tín hiệu phát m(t) và đáp ứng xung:

Hình 2.9 Mô hình kênh truyền Trong miền thời gian là tích chập của tín hiệu phát và đáp ứng xung của kênh: u(t) = m(t) * h( , t ) =  h  t m t  d  maz  

2.4.2 Nguyên tắc giải điều chế

Hình 2.10 Bộ thu tín hiệu OFDM h(τ,t) H(jω,t) m(t) u(t)

Các bước thực hiện tại phía nhận đều ngược lại so với phía máy phát, bắt đầu bằng việc tách chuỗi bảo vệ và giải điều chế để khôi phục băng tần gốc Tiếp theo, tín hiệu được giải điều chế ở các sóng mang con và chuyển đổi từ mẫu tín hiệu phức thành dòng bit nhằm đảm bảo quá trình truyền dữ liệu được hoàn chỉnh chính xác.

(tín hiệu số) và chuyển đổi song song sang nối tiếp

Hình 2.11 Tách chuỗi bảo vệ

Sau khi tách chuỗi bảo vệ khỏi luồng tín hiệu u(t), luồng tín hiệu nhận được là: u’(kTS+t)= u(kT+t) (2.12)

* Thực hiện giải điều chế bằng thuật toán FFT

Giả thiết một mẫu tin OFDM Ts được chia thành N FFT mẫu tín hiệu, tín hiệu được lấy mẫu với chu kỳ lấy mẫu là t a

Khi đó độ rộng một mẫu là : t a FFT s

Sau khi lấy mẫu, tín hiệu nhân được sẽ trở thành luồng tín hiệu số: u ’ (t) => uk ’

(kTs + nta) , n=0,1,2, ,NFFT – 1 (2.14) Mẫu tín hiệu sau khi giải điều chế d k , l

^ được biểu diễn dưới dạng số: d k , l

FFT nt kT jl N n a S k a u kT nt e

Tách sự biểu diễn thành phần mũ thành tích hai thành phần (2.15) được viết lại dưới dạng:

FFT nt jl kT jl N n a S k a u kT nt e e

Biểu thức trên chính là phép biễu diễn DFT với chiều dài N FFT.

Ứng dụng và hướng phát triển của kỹ thuật điều chế OFDM

Kỹ thuật OFDM đã trở thành tiêu chuẩn trong các hệ thống phát thanh số như DAB, DRM, truyền hình số mặt đất DVB-T và DVB-H, mang lại hiệu quả truyền tải cao và ổn định Nhờ khả năng điều chế đa sóng mang và chồng lấn phổ giữa các sóng mang, kỹ thuật OFDM giúp tăng đáng kể tốc độ truyền dữ liệu trong các hệ thống này Đặc biệt, OFDM còn đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao tốc độ đường truyền của hệ thống ADSL, mang lại trải nghiệm internet nhanh chóng và tin cậy hơn.

DRM là hệ thống phát thanh số thay thế cho hệ thống phát thanh truyền thống AM, sử dụng tần số sóng mang thấp dưới 30MHz phù hợp cho truyền sóng xa Hệ thống này hoạt động trong môi trường kênh phân tập đa đường, có sự tham gia phản xạ mặt đất và tầng điện li, giúp phạm vi phủ sóng của DRM rất lớn Nhờ đặc điểm này, DRM có khả năng phủ sóng rộng, có thể bao quát nhiều quốc gia hoặc liên lục địa.

Các tham số cơ bản của DRM theo ETSI, như sau: Độ rộng băng: B=9.328kHz Độ dài FFT: N FFT = 256

Số sóng mang được sử dụng để truyền tin: N C 8

Hệ thống DRM có trễ truyền dẫn tương đối lớn nên phù hợp với các máy thu tĩnh hoặc xách tay, giúp đảm bảo chất lượng tín hiệu ổn định trong quá trình thu nhận Điều này khác hoàn toàn so với các hệ thống như DAB hoặc DVB, được thiết kế để hoạt động hiệu quả trên các thiết bị thu có tốc độ di chuyển nhanh như ô tô hoặc tàu hỏa, hỗ trợ tốt cho truyền hình di động trong nhiều tình huống vận hành khác nhau.

Thế hệ máy phát số ra đời nhằm khắc phục nhược điểm của máy phát tương tự, đặc biệt là khả năng mang nhiều chương trình trên một kênh RF, hỗ trợ thu tín hiệu đa đường và thu di động hiệu quả Máy phát số DVB-T và máy phát hình analog tương tự giống nhau về cấu trúc, chỉ khác biệt quan trọng nằm ở phần điều chế, giúp nâng cao chất lượng truyền hình số và tối ưu hóa hiệu quả phát sóng.

Thông tin truy nhập kênh

Thông tin mô tả DV

Hình 2.13 Sơ đồ khối bộ DVB-T

Trong hệ thống truyền dẫn, tín hiệu được tổ chức thành các khung, mỗi 4 khung tạo thành một siêu khung nhằm mục đích chứa thông tin tham số của phía phát qua các sóng mang TPS Việc tạo khung giúp đảm bảo khả năng chèn đủ số nguyên gói mã sửa sai Reed-Solomon 204 byte trong dòng truyền tải MPEG-2, bất kể cấu hình chọn lựa, nhằm tránh chèn các gói đệm không cần thiết Mỗi khung gồm 68 symbol OFDM trong miền thời gian, được đánh số từ 0 đến 67, với mỗi symbol chứa hàng ngàn sóng mang (6817 sóng mang trong chế độ 8K, 1705 trong chế độ 2K) nằm dày đặc trong dải thông 8MHz, phù hợp với lựa chọn dải tần ở Việt Nam, trong khi một số quốc gia khác dùng dải 7MHz.

- Sóng mang dữ liệu: được điều chế M-QAM, với mode 8K là 6048 sóng mang và mode 2K là 1512

- Sóng mang dẫn đường (pilot symbol, mang thông tin phía phát để khôi phục tín hiệu: các pilot này thường được điều chế BPSK với mức công suất 2.5dB

Trong đợt pilot liên tục, có tổng cộng 177 pilot với chế độ 8K và 15 pilot với chế độ 2K, được đặt cố định trong dải tần 8MHz để hỗ trợ sửa lỗi tần số và pha phía thu Hệ thống tự động điều chỉnh tần số nhằm đảm bảo tín hiệu ổn định và chất lượng cao trong quá trình truyền dẫn.

Trong quá trình thử nghiệm, pilot rời rạc gồm có 524 tín hiệu ở chế độ 8K và 131 tín hiệu ở chế độ 2K, không có vị trí cố định trong miền tần số nhưng được phân bổ đều trong dải tần 8MHz, giúp đầu thu tự động điều chỉnh để tối ưu hóa đáp ứng kênh và nâng cao chất lượng truyền tải.

Sóng mang thông số phát TPS chứa nhóm thông số phát được điều chế bằng BPSK, gồm 68 sóng mang trong mode 8K và 17 trong mode 2K, luôn có vị trí cố định trong biểu đồ chòm sao BPSK và dải thông 78MHz Để giảm thiểu nhiễu trong quá trình truyền dẫn, người ta thực hiện chèn thêm chuỗi bảo vệ GI vào mỗi symbol, giúp tránh nhiễu giữa các ký hiệu (ISI) cũng như nhiễu tương hỗ giữa các sóng mang (ICI) Quá trình chèn bảo vệ này được thực hiện tại phía phát với các thời gian bảo vệ T_G khác nhau theo quy chuẩn DVB: 1/4 TU, 1/8 TU, 1/16 TU, và 1/32 TU, trong đó TU là chiều dài phần tín hiệu có ích.

* DVB-H (Điện thoại di động truyền hình)

- Cấu trúc máy thu của điện thoại di động DVB-H được cho trên hình gồm 2 phần:

+ Một bộ giải điều chế DVB-H (gồm khối điều chế DVB-T, module Time slicing và module MPE-FEC) và một đầu cuối DVB-H

Tín hiệu vào là tín hiệu DVB-T, được xử lý bởi khối điều chế DVB-T để thu lại các gói dòng truyền tải MPEG-2, cung cấp các mode truyền dẫn (2K, 8K và 4K) cùng với các thông số truyền dẫn (TPS) Module Time Slicing giúp tiết kiệm năng lượng và nâng cao tính linh hoạt trong chuyển giao mạng Module MPE-FEC cung cấp mã sửa lỗi tiến bộ, cho phép bộ thu hoạt động hiệu quả trong điều kiện thu sóng khó khăn Tín hiệu ra từ bộ giải điều chế DVB-H có dạng các gói truyền tải TS hoặc IP Datagrams, và thiết bị đầu cuối DVB-H sẽ giải mã các IP Datagrams để hiển thị nội dung chương trình Hiện nay, nhiều hãng điện thoại đã sản xuất các mẫu ĐTDĐ DVB-H như NOKIA 7700, 7710, PHILIPS HoTMAN 2, SIEMENS nhằm đáp ứng nhu cầu xem truyền hình di động chất lượng cao.

- Kiến trúc ban đầu của các máy ĐTDĐ DVB-H hiện nay gồm:

+ Điện thoại tích hợp 3 băng tần số: GSM, GPRS và UMTS (3G)

+ Màn hình cảm biến - touch screen

+ Âm thanh ngõ ra Stereo

+ Hỗ trợ chuẩn không dây Bluetooth

+ Bộ nhớ trong có dung lượng 1Gbit Hãng NOKIA tuyên bố từ nay hãng sẽ tung ra thị trường khoảng 60 thiết bị sang trọng có tích hợp DVB-H

DVB-H có những ưu điểm vượt trội như tiết kiệm năng lượng về đến 90% so với các công nghệ truyền thống, đồng thời thu tín hiệu tốt trong môi trường di động Công nghệ này đóng gói tín hiệu dạng IP và truyền tải dưới dạng quảng bá tới các thiết bị di động, giúp tối ưu hóa khả năng sử dụng mạng Việc ứng dụng công nghệ DVB-H trong hệ thống downlink mang tính đột phá, vượt qua các hạn chế của mạng 2G (GSM), 2,5G (GPRS) và 3G (UMTS), đặc biệt là trong bối cảnh số lượng thuê bao truy cập dịch vụ truyền hình trực tuyến tăng vọt mà không bị giới hạn về băng thông.

Sự hội tụ giữa công nghệ quảng bá DVB-H và viễn thông đang được các hãng truyền thông lớn trên thế giới thử nghiệm tại nhiều quốc gia, như mô hình DVB-H & GPRS hoặc DVB-H & UMTS Các hãng sản xuất thiết bị hàng đầu như Nokia, Philips, Siemens đã chính thức ra mắt sản phẩm DVB-H từ đầu năm 2005, trong khi các nhà cung cấp thiết bị như Harris, Intelco, Rohde&Schwarz cũng đã xuất xưởng các thiết bị tích hợp công nghệ DVB-H Cuộc đua giữa điện thoại di động 3G và điện thoại di động truyền hình DVB-H đã bắt đầu, mở ra triển vọng mới cho người dùng nhờ những ưu điểm của công nghệ DVB-H.

Bảng 2.1 So sánh giữa DVB-T và DVB-H

STT Đặc điểm DVB-T DVB-H

Tốc độ bit của một kênh truyền hình có độ nét tiêu chuẩn SDTV

2 Màn hiển thị Màn hình TV cỡ trung bình và lớn

Màn hình điện thoại nhỏ

Anten trên mái nhà (anten Yagi), trong nhà (anten roi) hoặc anten trên ôtô

Anten bên trong điện thoại

4 Nguồn cung cấp Cố định và là nguồn liên tục

Nguồn năng lượng Pin và có giới hạn

Thu cố định, thu xách tay trong nhà và thu trên phương tiện giao thông

Các máy cầm tay di động

Hiện nay, công nghệ phát số mặt đất (DVB-T) cho phép truyền 6-7 chương trình TV độ tiêu chuẩn (SDTV) trên một kênh sóng với tốc độ tổng là 27,14 Mbit/s, giúp tối đa hóa hiệu quả phát sóng Công nghệ IP Datacast (DVB-H) dễ dàng tương thích với các thiết bị màn hình nhỏ (vài inch) của các đầu cuối cầm tay, chỉ cần tốc độ từ 128-384 Kbit/s để phát các kênh video chất lượng cao Nhờ công nghệ này, khả năng truyền phát các chương trình TV đã tăng đáng kể, từ 10 đến 55 kênh trên một kênh sóng, nâng cao hiệu quả quảng bá và phân phối nội dung truyền hình.

Trong hệ thống di động thế hệ thứ 4 (4G), kỹ thuật OFDM thường được kết hợp với các công nghệ như MIMO để nâng cao dung lượng kênh vô tuyến, cùng với việc tích hợp công nghệ CDMA nhằm phục vụ dịch vụ đa truy nhập Một hướng nghiên cứu tiềm năng là thay đổi phép biến đổi FFT trong bộ điều chế OFDM bằng Wavelet, nhằm cải thiện độ nhạy cảm của hệ thống trước hiệu ứng dịch tần do mất đồng bộ và giảm độ dài tối thiểu của chuỗi bảo vệ trong OFDM Tuy nhiên, khả năng ứng dụng của những kỹ thuật này vẫn cần được kiểm chứng trong tương lai để đảm bảo hiệu quả và tính khả thi trong thực tế.

Các yếu tố ảnh hưởng đến OFDM và giải pháp khắc phục

OFDM có ưu điểm vượt trội trong môi trường kết nối đa dạng, từ đường dẫn thẳng LOS đến các đường dẫn bị che khuất OLOS và không có đường dẫn thẳng NLOS Tuy nhiên, việc phải làm việc với nhiều loại môi trường truyền dẫn khác nhau khiến tín hiệu đa đường trở thành tổng hợp của tín hiệu gốc và các tín hiệu phản xạ bởi vật cản, gây ra hiện tượng nhiễu khi các tín hiệu phản xạ không đến cùng lúc và thường đến sau tín hiệu gốc Ngoài ra, nhiễu còn phát sinh do sự sai lệch tần số giữa các sóng mang, làm mất tính trực giao của các sóng truyền.

2.6.1 Nhiễu ISI (Inter-Symbol interference) và giải pháp khắc phục

Nhiễu ISI là hiện tượng nhiễu liên ký hiệu gây ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng truyền dẫn tín hiệu trong các hệ thống truyền thông ISI xảy ra do hiệu ứng đa đường, khi tín hiệu tới sau gây nhiễu lên tín hiệu trước, làm giảm độ rõ ràng và độ chính xác của dữ liệu được truyền Nguyên nhân chính của nhiễu ISI xuất phát từ tính chọn lọc của kênh fading trong miền thời gian cùng với tính bất ổn định của kênh, dẫn đến sự giao thoa và biến dạng tín hiệu Việc hiểu rõ về nhiễu ISI và tác động của nó là bước quan trọng để phát triển các kỹ thuật xử lý tín hiệu nhằm giảm thiểu tác động tiêu cực, nâng cao hiệu quả truyền thông không dây và cố định.

Ảnh hưởng của ISI gây ra sự nhận định sai kí hiệu, làm khó khăn trong việc khôi phục tín hiệu gốc tại phía thu Tại phía thu, chúng ta không chỉ thu một bản tín hiệu gốc từ phía phát mà còn nhận được nhiều bản sao của nó, mỗi bản sao có độ trải trễ khác nhau Điều này làm phức tạp quá trình giảm thiểu ảnh hưởng của ISI và phục hồi tín hiệu ban đầu chính xác hơn, đặc biệt trong các hệ thống truyền thông môi trường thay đổi liên tục.

Và tín hiệu sau sẽ chồng lên tín hiệu trước gây khó khăn cho việc khôi phục nếu ta không khử được nhiễu này

- Giải pháp khắc phục nhiễu ISI

Trong hệ thống OFDM, khoảng bảo vệ được tạo ra bằng cách sao chép phần cuối của ký hiệu lên phần đầu cùng ký hiệu, giúp duy trì tính liên tục của tín hiệu và tránh gián đoạn tại điểm nối Việc này đảm bảo tính trực giao xuyên suốt và hỗ trợ thực hiện bước đồng bộ ký hiệu qua phương pháp nhân tương quan OFDM có khả năng hoàn toàn khắc phục nhiễu ISI nhờ vào việc sử dụng khoảng bảo vệ Khi chiều dài khoảng bảo vệ lớn hơn độ trải trễ cực đại, các symbol sau sẽ không bị ảnh hưởng bởi các symbol trước do tác động của hiệu ứng fading đa đường Tuy nhiên, cần lựa chọn khoảng bảo vệ hợp lý để cân bằng giữa việc giảm nhiễu và tiết kiệm băng thông, vì khoảng bảo vệ là dữ liệu không mang thông tin và gây lãng phí tài nguyên truyền dẫn.

2.6.2 Nhiễu ICI(Inter-Channel Interference) và giải pháp khắc phục

- Nhiễu ICI và ảnh hưởng của nhiễu ICI + ICI là nhiễu xuyên kênh, phát sinh do tín hiệu của các kênh nằm cạnh nhau gây nhiễu lên nhau

Inter-Cell Interference (ICI) hay nhiễu liên tế bào là hiện tượng nhiễu phát sinh do các tín hiệu truyền trên cùng một băng tần từ các tế bào khác nhau trong mạng di động gây nhiễu lẫn nhau ICI ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng cuộc gọi và tốc độ dữ liệu truyền tải trong hệ thống mạng di động, đòi hỏi các giải pháp tối ưu để giảm thiểu tình trạng này Hiểu rõ về ICI giúp nâng cao hiệu suất mạng và cung cấp trải nghiệm người dùng tốt hơn.

Ici (Inter-Carrier Interference) là hiện tượng phổ biến trong các hệ thống đa sóng mang, đặc biệt là trong hệ thống OFDM Trong đó, ICI còn được gọi là nhiễu giao thoa giữa các sóng mang con, gây ra sự lan truyền năng lượng phổ không mong muốn giữa các tín hiệu con Hiện tượng này làm giảm hiệu suất truyền dữ liệu và ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu trong hệ thống truyền thông không dây Việc giảm thiểu ICI là một trong những thách thức lớn trong thiết kế và tối ưu hóa các hệ thống OFDM hiện đại.

71 con chồng lấn quá mức lên nhau làm phá vỡ tính trực giao của các sóng mang con

+ Nguyên nhân chính là do hiện tượng Doppler do tính di động của máy phát và máy thu, có sự chuyển động tương đối giữa chúng

Do tính chọn lọc tần số của kênh fading

+ Ảnh hưởng của ICI: những sóng mang con bị mất tính trực giao sẽ không thể khôi phục chính xác như đã phát

Để giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu ICI trong hệ thống truyền thông, người ta áp dụng giải pháp chèn khoảng thời gian bảo vệ một cách tuần hoàn nhằm ngăn chặn sự giao thoa giữa các tín hiệu Bên cạnh đó, việc sử dụng tín hiệu pilot dẫn đường giúp ước lượng kênh chính xác hơn và cân bằng tín hiệu khi phục hồi tại phía thu, từ đó nâng cao hiệu quả truyền tải dữ liệu.

2.6.3.Cải thiện hiệu năng hệ thống trên cơ sở sử dụng mã Gray Bất kỳ một hệ thống nào cũng đều phải xem xét, tính đến ảnh hưởng của tạp âm và nhiễu đến hệ thống, ảnh hưởng đến tỷ lệ lỗi truyền, hòa hợp giữa mức tạp âm vàhiệu quả phổ tần Đặc biệt đối với hệ thống truyền thông vô tuyến, ảnh hưởng của tạpâm và nhiễu lên tín hiệu nhiều hơn nhiều so với các hệ thống khác.Tạp âm và nhiễu sẽ làm giảm tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm (SNR) và làm giảm hiệuquả sử dụng phổ tần của hệ thống Tạp âm ở đây có thể có tạp âm ở các máy phát, máy thu Trong hệ thống truyền thông vô tuyến thì tạp âm cần quan tâm giải quyết nhất là tạp â m trên c hính kênh truyền ISI, ICI, IMD Nếu không làm giảm, không có biện pháp khắc phục những ảnh hưởng của nhiễu và tạp âm thì tín hiệu sẽ bị sai lệch và không thể khôi phục Giải pháp để khắc phục, làm giảm ảnh hưởng của nhiễu và tạp âm chính là sử dụng phương pháp mã hóa Gray

Mã hóa Gray là phương pháp mã hóa dữ liệu tối ưu giúp giảm thiểu lỗi trong truyền thông dữ liệu Bằng cách thiết lập các điểm IQ cạnh nhau trong chòm sao chỉ khác nhau một bit, phương pháp này hạn chế sự xuất hiện của lỗi đa bit trong một ký hiệu duy nhất Nhờ đó, mã hóa Gray nâng cao độ tin cậy của hệ thống truyền dẫn dữ liệu và giảm thiểu tổn thất do lỗi bit.

Bảng 2.2 Bảng chuyển đổi mã Gray

Cơ số 10 Mã Gray Cơ số 10 Mã Gray

2.6.4 Nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần Trong những năm gần đây, OFDM không ngừng được nghiên cứu và mở rộng phạm vi ứng dụng bởi những ưu điểm của nó trong tiết kiệm băng tần Trong thực tếvới một trải trễ xác định, việc xây dựng một hệ thông OFDM ít phức tạp hơn so vớimột thệ thống đơn sóng mang Phổ của tín hiệu OFDM là phổ tổng hợp của các thành phần tần số sóng mang con có dạng sinc [xin(x)/x] Các sóng mang con trong kỹ thuật OFDM chồng lấn lên nhau, trực giao với nhau, nhờ đó mà băng tần trong kỹ thuật OFDM sử dụng đã tiết kiệm hơn rất nhiều so với các kỹ thuật ghép kênh khác Tuy nhiên, phổ tổng hợp của chúng vẫn sẽ có một đường bao bên chiếm một lượng băng tần khá lớn Các đường bao này chính là thành phần tần số ngoài băng và cần loại bỏ nó Tần số ngoài băng sẽ đ ược loại bỏ khi s ử dụng một bộ lọc băng thông hoặc dùng khoảng bảo vệ cosin tăng Chúng ta sẽ tìm hiểu kỹ hơn về 2 giải pháp này

Giải pháp dùng khoảng bảo vệ cosin tăng là một phương pháp đơn giản nhằm loại bỏ bớt đường bao bên của phổ tín hiệu OFDM, giúp giảm thiểu nhiễu ngoài băng Phương pháp này thực hiện bằng cách làm dốc khoảng bảo vệ ép nhọn về ‘0’ trước ký hiệu tiếp theo, nhằm giảm công suất đường bao bên và tối ưu hóa khả năng loại bỏ tín hiệu nhiễu Khoảng bảo vệ cosin tăng, hay Raise Cosin (RC), được tạo ra dưới dạng hàm cosin bình phương có đặc tính giảm dần đến ‘0’, giúp giảm nhiễu ISI một cách hiệu quả và ít gây tác động đến phía thu.

Sử dụng bộ lọc băng thông là giải pháp hiệu quả để tối ưu hóa việc phân chia các khối tín hiệu OFDM, giúp cải thiện hiệu quả sử dụng phổ tần số Bộ lọc dạng dốc đứng cho phép các khối OFDM xếp gần nhau trong miền tần số, từ đó nâng cao khả năng tận dụng phổ tần Tuy nhiên, việc cắt khít này có thể ảnh hưởng đến tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm (SNR), đòi hỏi phải cân nhắc kỹ lưỡng trong quá trình thiết kế hệ thống OFDM nhằm đảm bảo cân bằng giữa hiệu quả sử dụng phổ tần và chất lượng tín hiệu.

Lọc băng thông là công nghệ quan trọng trong quá trình chuyển đổi tín hiệu giữa miền tần số và dạng sóng tương tự để ngăn ngừa hiện tượng chồng phổ Trong hệ thống OFDM, việc loại bỏ hiệu quả các búp sóng không mong muốn giúp cải thiện chất lượng tín hiệu Giá trị loại bỏ búp sóng phụ thuộc vào loại bộ lọc sử dụng, với bộ lọc số mang lại độ linh hoạt, độ chính xác và tỷ lệ cắt cao hơn so với bộ lọc tương tự Nhờ đó, bộ lọc số giúp giảm thiểu băng thông vô ích của tín hiệu OFDM, tối ưu hiệu suất truyền dẫn.

Bộ lọc ảnh hưởng đến năng lượng của các tải phụ phía bên ngoài, gây méo dạng tín hiệu và hiện tượng can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) Việc chọn lọc băng thông phù hợp đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất kỹ thuật của hệ thống OFDM, giảm thiểu méo sóng và tăng độ trong của tín hiệu truyền dẫn.

Trong miền thời gian, symbol OFDM có dạng hình chữ nhật, phản ánh sự suy giảm dạng sinc trong miền tần số Khi sử dụng bộ lọc băng thông thông qua cho tín hiệu OFDM, dạng sóng trong miền tần số vẫn duy trì hình dạng hình chữ nhật, nhưng trong miền thời gian, tín hiệu sẽ có sự suy giảm dạng sin giữa các symbol Điều này gây ra nhiễu ISI (Inter Symbol Interference) giữa các symbol OFDM, làm giảm hiệu suất kỹ thuật của hệ thống.

Các ưu và nhược điểm của kĩ thuật OFDM

Ngoài ưu điểm tiết kiệm băng thông kênh truyền kể trên, OFDM còn có một số ưu điểm sau đây :

+ OFDM tăng hiệu suất sử dụng bằng cách cho phép chồng lấn những sóng mang con.[4]

Hệ thống OFDM tối ưu hóa khả năng chống chịu fading bằng cách chia kênh thông tin thành nhiều kênh con fading phẳng băng hẹp, giúp chọn tần số tốt hơn so với các hệ thống sóng mang đơn.

+ Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hiện tượng nhiễu xuyên kí hiệu ISI

(Inter-Symbol Interference) nếu độ dài chuỗi bảo vệ (guard interval) lớn hơn độ trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh truyền

+ OFDM phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng

+ Cấu trúc máy thu đơn giản

+ OFDM ít bị ảnh hưởng với khoảng thời gian lấy mẫu hơn so với hệ thống đơn sóng mang.[4]

2.7.2 Nhược điểm + Việc sử dụng chuỗi bảo vệ giúp giảm hiện tượng ISI do phân tập đa đường nhưng chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích, chiếm một phần băng thông của đường truyền làm giảm hiệu suất đường truyền

+ Do yêu cầu về tính trực giao giữa các sóng mang phụ nên hệ thống

OFDM khá nhạy cảm với hiệu ứng Dopler, dịch tần (frequency offset) và dịch thời (time offset) do sai số đồng bộ

+ Đường bao biên độ của tín hiệu phía phát không bằng phẳng, gây ra méo phi tuyến ở các bộ khuếch đại công suất ở đầu phát và đầu thu

2.8 Kết luận chương Trong chương này đã trình bày những vấn đề cơ bản của kỹ thuật điều chế OFDM, những ưu nhược điểm, nguyên lý điều chế, giải điều chế Qua đó chúng ta sẽ dễ dàng hơn trong việc nghiên cứu kỹ thuật đa truy nhập phân tần trực giao OFDMA được sử dụng trong công nghệ WiMAX sẽ trình bày ở chương 3

CHƯƠNG 3 KỸ THUẬT OFDMA TRONG WiMAX

Công nghệ WiMAX di động sử dụng phương pháp truy cập đa điểm dựa trên phân chia tần số trực giao (OFDMA) nhằm nâng cao hiệu suất truyền dữ liệu giữa các điểm truy cập trong môi trường không phát sóng trực tiếp Trong chương 3, bài viết trình bày các khái niệm cơ bản, đặc điểm nổi bật và tính chất của kỹ thuật đa truy nhập phân tần trực giao OFDMA Phương pháp này giúp tối ưu hóa quá trình truyền nhận tín hiệu, đồng thời mang lại nhiều ưu điểm trong ứng dụng công nghệ WiMAX.

Giới thiệu kỹ thuật OFDMA

OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access - Đa truy cập phân tần trực giao) là công nghệ đa sóng mang dựa trên kỹ thuật OFDM, cho phép chia sẻ băng tần hiệu quả giữa nhiều người dùng Trong OFDMA, các sóng mang con không nhất thiết phải nằm kề nhau, được hợp thành các kênh con (sub-channel) để phân bổ tài nguyên tần số và thời gian cho từng người dùng dựa trên nhu cầu lưu lượng Công nghệ này cho phép các truy cập đa người dùng trên cùng một băng tần, mỗi người dùng được cấp phát nguồn tài nguyên tần số và thời gian cụ thể, tối ưu hóa việc sử dụng băng thông Trong hệ thống của E-UTRA, các kênh dữ liệu được chia sẻ theo nguyên tắc phân chia thời gian truyền và phân phối tài nguyên tần số theo từng khoảng thời gian, giúp nâng cao hiệu quả truyền dẫn Các chương trình truyền dẫn trong chế độ E-UTRA FDD và TDD thường dựa trên công nghệ OFDM, trong đó phổ tần mềm rộng được chia thành nhiều sóng mang phụ, trực giao và điều chế độc lập để tối ưu hóa quá trình truyền dữ liệu.

OFDM là công nghệ được sử dụng trong WiMAX, WLAN và truyền hình DVB, mang lại nhiều lợi ích như khả năng chống chịu tốt với kiến trúc fading đa đường và hiệu quả thu tín hiệu cao Trong một hệ thống sử dụng băng thông 5 MHz, các nguyên tắc của OFDM được áp dụng tương tự cho các băng tần EU-TRA khác, với dữ liệu được điều chế độc lập và truyền qua nhiều sóng mang phụ trực giao có khoảng cách gần nhau, đảm bảo khả năng truyền dữ liệu ổn định và hiệu quả.

Trong hệ thống E-UTRA, các phương pháp điều chế như QPSK, 16QAM và 64QAM đều được hỗ trợ sẵn để tối ưu hóa hiệu suất truyền tải dữ liệu Để chống lại nhiễu liên tiếp do kênh truyền trễ gây ra, hệ thống sử dụng các khoảng bảo vệ trong miền thời gian, có thể được thêm vào mỗi ký tự Những khoảng bảo vệ này là các tiền tố chu kỳ (cyclic prefix) được chèn trước mỗi ký hiệu OFDM, giúp giảm thiểu tác động của liên nhiễu và nâng cao độ tin cậy của liên lạc không dây.

OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) là phương thức đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao, giúp chia sẻ tài nguyên mạng hiệu quả và linh hoạt Công nghệ này phát triển dựa trên nền tảng OFDM, cho phép gộp nhiều sóng mang con không nhất thiết phải kề nhau thành các kênh con (sub-channel), với người dùng được cấp nhiều kênh con để truyền nhận dữ liệu theo yêu cầu lưu lượng OFDMA nâng cao khả năng linh hoạt, cải thiện thông lượng và tăng tính ổn định của mạng Việc phân chia và ấn định các kênh con cho người dùng diễn ra linh hoạt, cho phép truyền nhận đồng thời từ nhiều thuê bao mà không gây nhiễu đa truy nhập (MAI), giúp tối ưu hoá băng thông Trong mỗi đơn vị thời gian, nhiều người dùng có thể truy cập các sóng mang con cùng lúc, và việc phân phối các sóng mang con cho từng người dùng có thể thay đổi liên tục tùy theo nhu cầu.

- Cấu trúc ký hiệu OFDMA bao gồm 3 kiểu sóng mang con như được chỉ ra trong hình sau:

Sóng mang con số liệu chủ yếu được sử dụng để truyền dữ liệu một cách chính xác và hiệu quả trong hệ thống truyền dẫn số Ngoài ra, sóng mang con dẫn đường đóng vai trò quan trọng trong mục đích ước lượng và đồng bộ hoá tín hiệu, đảm bảo quá trình truyền dữ liệu diễn ra suôn sẻ Trong khi đó, sóng mang con Null không được sử dụng để truyền dẫn dữ liệu, mà chủ yếu phục vụ cho phần băng thông an toàn và tải mang DC, giúp duy trì hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống truyền tải.

Sóng mang con (số liệu và pilot) được nhóm thành các kênh con, giúp tối ưu hóa phân chia tài nguyên trong hệ thống WiMAX Công nghệ OFDMA lớp vật lý của WiMAX hỗ trợ kỹ thuật kênh con hóa trong cả truyền xuống (DL) và truyền lên (UL), nâng cao hiệu suất dữ liệu Để tối ưu hóa khai thác tài nguyên, khối nguồn tài nguyên thời gian - tần số dành cho kênh con hóa thường được thiết lập là một khe, tương ứng với 48 tone số liệu (sóng mang con), nhằm đảm bảo băng thông linh hoạt và hiệu quả trong truyền dẫn.

Có 2 kiểu hoán vị sóng mang con cho kênh con hoá: phân tán và kề nhau Sự hoán vị phân tán dẫn đến các sóng mang con giả ngẫu nhiên để hình thành một kênh con Sự hoán vị này mang đến tính đa dạng tần số và trung bình xuyên nhiễu giữa các cell Sự hoán vị phân tán bao gồm DL FUSC (Sóng mang con sử dụng hoàn toàn), DL PUSC (Sóng mang con sử dụng một phần), UL PUSC và các hoán vị tuỳ chọn thêm Với DL PUSC, mỗi cặp ký hiệu OFDM, các sóng mang con có thể sử dụng hoặc khả dụng được nhóm thành cáccluster chứa 14 sóng mang liền kề trên một ký hiệu, với sự phân bổ pilot và số liệu trên mỗi nhóm trong các ký hiệu chẵn và lẽ.[6]

Đặc điểm

OFDMA mang lại nhiều ưu điểm như tăng khả năng linh hoạt, cải thiện thông lượng và độ ổn định của mạng Việc phân bổ các kênh con cho từng thuê bao cụ thể giúp truyền nhận dữ liệu từ nhiều người dùng cùng lúc mà không cần sự can thiệp, qua đó giảm thiểu nhiễu đa truy cập (Multi Access Interference - MAI) Nhờ đó, hệ thống hoạt động hiệu quả hơn, nâng cao trải nghiệm người dùng và tối ưu hóa hiệu suất mạng không dây.

Trong OFDM, tất cả các sóng mang đều phát liên tục đồng thời với cùng biên độ để tối ưu hiệu quả truyền tải dữ liệu Trong khi đó, OFDMA chia không gian sóng mang thành N G nhóm, mỗi nhóm có N E sóng mang và N E kênh con, giúp tận dụng tối đa tài nguyên truyền dẫn Việc tạo ra các kênh con này cho phép chia sẻ linh hoạt dung lượng và nâng cao hiệu suất mạng, đặc biệt trong các hệ thống đa người dùng Điều này mang lại lợi ích lớn về khả năng mở rộng, giảm xung đột và cải thiện chất lượng dịch vụ trong mạng không dây.

Hiệu năng của hệ thống bị hạn chế khi công suất phát từ thiết bị người dùng bị giới hạn Trong công nghệ OFDMA, có 2048 sóng mang biến đổi thành N_E = 32 và N_G = 48 trong tuyến xuống, còn N_G = 53 và N_E = 2 trong tuyến lên, với các sóng mang còn lại được dành riêng cho các băng bảo vệ và báo hiệu để đảm bảo hoạt động ổn định của mạng.

Trong công nghệ OFDM, các thiết bị người dùng phát đi bằng cách sử dụng toàn bộ một kênh cùng một lúc, mang lại hiệu quả truyền tải cao Ngược lại, OFDMA hỗ trợ đa truy nhập cho phép người dùng chỉ phát đi qua các kênh con được phân bổ riêng, tối ưu hóa sử dụng phổ tần và giảm nhiễu Ví dụ, với 2048 sóng mang và 32 kênh con, nếu mỗi thiết bị được gán một kênh con, toàn bộ công suất phát sẽ tập trung trong 1/32 phổ khả dụng, có thể nâng độ lợi lên tới 15dB so với OFDM Đặc biệt, hình thức đa truy nhập này rất hiệu quả khi sử dụng các kênh truyền rộng, giúp cải thiện hiệu suất mạng và khả năng truyền dữ liệu.

Theo kỹ thuật ghép kênh cơ bản, OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) được sử dụng trong tiêu chuẩn 802.16-2004, phù hợp với các ứng dụng cố định nhờ khả năng xử lý tốt và ổn định Trong khi đó, tiêu chuẩn 802.16e sử dụng OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access), thích hợp hơn cho các ứng dụng di động nhờ khả năng chia sẻ băng thông hiệu quả và tối ưu hóa cho môi trường di động So với OFDM, OFDMA phức tạp hơn nhưng mang lại lợi ích lớn cho các mạng di động, còn OFDM ít phức tạp hơn và phù hợp cho các hệ thống cố định.

OFDMA mang lại sự linh hoạt vượt trội cho các định dạng 802.16e trong quản lý dịch vụ người dùng với nhiều kiểu anten và hình dạng khác nhau Công nghệ này giúp giảm nhiễu cho các thiết bị khách hàng sử dụng anten toàn hướng và cải thiện khả năng truyền NLOS, rất cần thiết cho các thuê bao di động Việc tạo kênh phụ thuộc xác định các kênh con để gán cho các thuê bao dựa trên trạng thái kênh và yêu cầu dữ liệu, từ đó giúp các nhà khai thác quản lý băng thông và công suất phát hiệu quả hơn, tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên.

User 1 User 2 User 3 User 4 User 5 User 6

OFDMA là công nghệ đa truy cập được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền thông không dây Như hình 3.1 minh họa, OFDMA phân chia băng tần thành nhiều kênh con (sub-channel), mỗi kênh con phục vụ các nhiệm vụ của sóng mang con đối với từng thuê bao nhất định Mỗi thuê bao được chỉ định một hoặc nhiều kênh con nhằm tối ưu hóa hiệu suất truyền dữ liệu và giảm thiểu nhiễu Công nghệ này giúp nâng cao khả năng truy cập đồng thời của nhiều người dùng trong mạng không dây, đảm bảo sự ổn định và hiệu quả cao hơn.

Preamble DL FCH Preamble FCH

Hệ thống truyền phát dựa trên yêu cầu cụ thể và lưu lượng của từng thuê bao giúp tối ưu hóa hiệu quả truyền dẫn Hiện tượng các kênh con cho phép tập trung công suất phát qua một số lượng sóng mang con ít hơn, giúp nâng cao hiệu suất truyền tải Kết quả là, hệ thống mở rộng số đường truyền dẫn, từ đó tăng phạm vi phủ sóng và khả năng kết nối mạng rộng hơn.

Việc sửa đổi bổ sung chuẩn IEEE 802.16e-2005 nhằm mở rộng khả năng của chuẩn vô tuyến 802.16 để phù hợp với các ứng dụng di động Sự cập nhật này cho phép công nghệ OFDMA linh hoạt hơn trong việc đáp ứng nhiều tính năng, đồng thời vượt qua các thách thức về di chuyển nhanh của thuê bao di động trong môi trường NLOS Chuẩn 802.16e-2005 hỗ trợ ba tùy chọn phân phối kênh con phù hợp với từng tình huống sử dụng khác nhau, nâng cao hiệu quả truyền dẫn trong mạng di động.

Các sóng mang con có thể bị tán xạ thông qua kênh tần số, liên quan đến việc sử dụng phân hoá kênh con (sub-channelization) hoặc FUSC Việc này giúp tối ưu hóa hiệu quả truyền dẫn dữ liệu và tăng cường khả năng chống nhiễu trong hệ thống truyền thông không dây Áp dụng các kỹ thuật này đảm bảo truyền tải thông tin an toàn và ổn định hơn trong các môi trường đa kênh.

Một số nhóm sóng mang con tán xạ có thể được sử dụng để tạo thành kênh con, góp phần vào quá trình phân hoá kênh con (sub-channelization) hoặc PUSC Việc này giúp tối ưu hoá việc sử dụng băng thông và nâng cao hiệu suất truyền dữ liệu trong hệ thống truyền thông di động Công nghệ phân hoá kênh con là một phương pháp quan trọng để tăng cường khả năng chống nhiễu và cải thiện chất lượng dịch vụ mạng.

Các kênh con có thể được tạo ra bởi các nhóm sóng mang con tiếp theo thông qua quá trình điều biến và mã hoá tùy ứng hoặc AMC, đảm bảo hiệu quả truyền dữ liệu tối ưu trong hệ thống truyền thông.

PUSC và FUSC sử dụng mô hình giả ngẫu nhiên để phân phối các sóng mang con đến kênh con, giúp giảm tác động của nhiễu liên cell Việc hoán đổi giả ngẫu nhiên này đảm bảo các sóng mang con tại cùng một kênh con trong các cell khác nhau đều khác nhau, từ đó làm giảm hiệu ứng nhiễu xen kẽ giữa các cell Trong các ứng dụng di động, FUSC và PUSC là lựa chọn tối ưu nhờ khả năng giảm nhiễu và tăng hiệu suất truyền tải, trong khi AMC phù hợp hơn cho các ứng dụng cố định hoặc di chuyển chậm.

Hình 3.2 minh họa bảng tần số thời gian của OFDMA, trong đó có 7 người dùng từ a đến g, mỗi người sử dụng một phần xác định của các sóng mang phụ khác nhau Phương pháp OFDMA cho phép phân chia tài nguyên phổ thành các phần nhỏ hơn, tối ưu hóa khả năng sử dụng băng thông và hỗ trợ nhiều người dùng cùng lúc Việc phân chia này giúp nâng cao hiệu quả truyền dẫn và giảm thiểu xung đột trong mạng không dây.

Hình 3.2 Ví dụ của biểu đồ tần số, thời gian với OFDMA

Trong ví dụ thực tế này, hệ thống sử dụng kết hợp OFDMA và TDMA, nơi mỗi người dùng chỉ phát tại một trong bốn khe thời gian, chứa một hoặc vài symbol OFDM Seven người dùng từ a đến g được phân bổ cố định trên các sóng mang, each with four time slots, tối ưu hóa việc chia sẻ phổ tần và giảm thiểu nhiễu chéo Mô hình này giúp nâng cao hiệu suất truyền dữ liệu, đảm bảo phân phối tài nguyên hợp lý và duy trì khả năng hoạt động ổn định của mạng.

Độ rộng dải tần, số lượng kênh con và khung dữ liệu của OFDMA trong

Trên tầng Physical của WiMAX, sự khác biệt chính giữa WiMAX di động và WiMAX cố định là ở cách đo độ rộng kênh con Trong WiMAX cố định, độ rộng các kênh con được ấn định không đổi, còn trong WiMAX di động, số lượng kênh con thay đổi theo độ rộng dải tần, như đã minh họa trong Bảng 3.1 Theo một số tài liệu, độ rộng dải tần kênh tối đa của WiMAX di động có thể thay đổi tùy theo yêu cầu mạng, giúp tối ưu hóa hiệu suất và khả năng mở rộng của hệ thống.

Các chip Intel WiMAX đầu tiên cho máy tính xách tay hỗ trợ băng thông 10 MHz, mở ra khả năng kết nối không dây nhanh chóng và ổn định Trong tương lai, các dải tần mở rộng hơn sẽ được hỗ trợ, nâng cao hiệu suất và khả năng mở rộng của công nghệ WiMAX Bảng 3.1 cung cấp thông tin về độ rộng dải tần và số lượng kênh truyền OFDMA, giúp hiểu rõ hơn về khả năng truyền dữ liệu của hệ thống.

Ngoài các thông số được trình bày trong Bảng 3.1, các thông số vật lý sau đây cũng được chọn:

+ Khoảng cách giữa các kênh con (subcarrier spacing): 10.94 kHz + Thời gian tồn tại ký hiệu OFDM: 91.4 às

Tiền tố chu kỳ (cyclic prefix) trong hệ thống có giá trị khoảng 11.4 micro giây, tương tự nhưng không hoàn toàn giống so với các giá trị trong LTE Trong LTE, khoảng cách giữa các sóng mang (subcarrier spacing) là 15 kHz và thời gian tồn tại của ký hiệu OFDM chỉ kéo dài khoảng 66.667 micro giây, giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền tải dữ liệu và giảm thiểu nhiễu.

Dựa trên các thông số của tầng vô tuyến, công suất của tầng Physical của một cell WiMAX có thể được tính dựa trên thời gian truyền mỗi ký hiệu là 102.8 ms (bao gồm 91.4 ms cho bản thồn ký hiệu và 11.4 ms cho tiền tố chu kỳ) Tỷ lệ điều chế là 64-QAM, nghĩa là mỗi ký hiệu mang 6 bit dữ liệu, cùng với đó là hệ thống có 1684 kênh con trong dải tần 20 MHz.

Tốc độ vật lý = (1/0.0001028) * 6 * 1684 = 98287937 bit/s (tức vào khoảng

Tốc độ truyền dữ liệu của hệ thống này gần như tương đồng với giá trị tính toán cho LTE Điều này cho thấy rằng, về mặt hiệu năng tốc độ, hai hệ thống đạt được mức độ tương tự nhau Ngoài ra, các yếu tố như độ rộng dải tần số, số lượng kênh truyền và kích cỡ FFT đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hiệu suất tổng thể của hệ thống.

Thông suất của một cell WiMAX thường chỉ đạt khoảng 30% đến 50% của công suất lý thuyết do các yếu tố như phụ phí mã hóa, truyền lại các gói bị lỗi, tín hiệu dẫn hướng, phụ phí của các tầng giao thức cao hơn, cùng với điều kiện tín hiệu thực tế của người dùng trong vùng phủ sóng thấp hơn lý tưởng.

Hình 3.3, cho thấy cấu trúc của khung dữ liệu OFDMA hướng xuống

Khác biệt chính so với khung dùng cho giao tiếp vô tuyến của WiMAX cố định là dữ liệu của từng người dùng có thể được ghép lại theo cả thời gian và tần số nhờ vào số lượng kênh con khả dụng cao hơn Phương thức truyền dữ liệu này không còn gọi là OFDM mà là OFDMA, giúp tối ưu việc phân chia nguồn tài nguyên truyền dẫn Trong mỗi khung, trường DL-MAP thông báo cho thiết bị CPE biết thời điểm và vị trí dữ liệu truyền đến chúng, còn trường UL-MAP, mặc dù tùy chọn, xác định các dịp truyền dữ liệu hướng lên cho khung này và các khung tiếp theo.

Hình 3.3 Một khung dữ liệu OFDMA trong WiMAX

OFDMA nhảy tần

Trong ví dụ trước của OFDMA, mỗi người dùng đều có một bộ cài đặt cố định cho sóng mang, giúp phân chia tài nguyên một cách hiệu quả Tuy nhiên, công nghệ OFDMA cho phép thực hiện nhảy sóng mang phụ theo khe thời gian, tăng tính linh hoạt và tối ưu hoá sử dụng băng thông Việc này không những nâng cao hiệu suất truyền dữ liệu mà còn giảm thiểu nhiễu và congestion trong mạng không dây Sự thay đổi linh hoạt này góp phần cải thiện chất lượng dịch vụ và mở rộng khả năng xử lý nhiều thiết bị cùng lúc.

Việc cho phép các user thực hiện nhảy với các mẫu nhảy khác nhau làm biến đổi đáng kể hệ thống OFDM trong hệ thống CDMA nhảy tần, tăng tính phân tập theo tần số và tối ưu hóa việc sử dụng toàn bộ băng thông sẵn có Điều này giúp cải thiện khả năng chống xuyên nhiễu trung bình, đặc biệt phù hợp với các biến thể của CDMA Bên cạnh đó, việc áp dụng mã sửa lỗi hướng đi (FEC) trên các bước nhảy giúp hệ thống có thể xử lý các sóng mang phụ bị fading sâu hoặc bị xuyên nhiễu do các user khác gây ra Nhờ đặc tính xuyên nhiễu và fading thay đổi theo từng bước nhảy, hệ thống hoạt động dựa trên năng lượng nhận được trung bình để đảm bảo hiệu quả, giảm phụ thuộc vào từng user và nhiễu trong các tình huống xấu nhất.

Hình 3.4 Biểu đồ tần số thời gian với 3 người dùng nhảy tần a, b, c đều có 1 bước nhảy với 4 khe thời gian

Hệ thống OFDMA nhảy tần nổi bật với ưu điểm vượt trội so với các hệ thống DS-CDMA và MC-CDMA, đặc biệt trong khả năng loại bỏ xuyên nhiễu trong một tế bào Điều này được thực hiện dễ dàng nhờ vào việc sử dụng các mẫu nhảy trực giao, giúp nâng cao hiệu quả truyền tải dữ liệu và giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu gây ra trong quá trình truyền sóng Chính nhờ tính năng này, hệ thống OFDMA trở thành lựa chọn hàng đầu cho các mạng viễn thông hiện đại, mang lại khả năng tối ưu hóa hiệu suất và cải thiện chất lượng dịch vụ cho người dùng.

Một ví dụ của việc nhảy tần như vậy được mô tả trong hình 3.5 cho N sóng mang phụ, nó luôn luôn có thể tạo ra N mẫu nhảy trực giao

Hình 3.5 Sáu mẫu nhảy tần trực giao với 6 tần số nhảy khác nhau

Hệ thống OFDMA

Hình 3.6 Tổng quan hệ thống sử dụng OFDMA

Tách ký tự dẫn đường

Giải điều chế băng tần gốc

Chèn ký tự dẫn đường Điềuchế băng tần gốc

Nguồn tín hiệu ban đầu được điều chế ở băng tần cơ sở bằng các phương pháp như QPSK hoặc M-QAM để đảm bảo hiệu quả truyền dẫn cao Tín hiệu dẫn đường (pilot symbol) được chèn vào để hỗ trợ quá trình đồng bộ và tăng cường khả năng chống nhiễu trong hệ thống Sau đó, tín hiệu này được biến đổi thành tín hiệu OFDM thông qua phép biến đổi IFFT và được chèn chuỗi bảo vệ GI nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của làn sóng trùng lặp và mất mát dữ liệu Tín hiệu số sau đó được chuyển đổi thành tín hiệu tương tự trước khi phát qua kênh vô tuyến bằng anten phát Trong quá trình truyền, tín hiệu này gặp phải tác động của fading và nhiễu trắng AWGN (Additive White Gaussian Noise), ảnh hưởng đến chất lượng và độ chính xác của dữ liệu truyền tải.

Tín hiệu dẫn đường là loại tín hiệu được phát trước từ phía phát và phía thu, đi kèm với tín hiệu có ích nhằm khôi phục kênh truyền và đồng bộ hệ thống Đây là yếu tố quan trọng giúp đảm bảo tính liên tục và ổn định của quá trình truyền dữ liệu trong hệ thống liên lạc Tín hiệu dẫn đường hỗ trợ trong việc đồng bộ hóa các thành phần của hệ thống, nâng cao độ chính xác và hiệu quả truyền tải thông tin.

Hình 3.7 Mẫu tín hiệu dẫn đường trong OFDMA

Phía máy thu thực hiện ngược lại so với máy phát để khôi phục tín hiệu phát Quá trình này đòi hỏi hàm truyền phải được khôi phục dựa trên mẫu tin dẫn đường đi kèm Sau khi giải điều chế OFDM, tín hiệu nhận được sẽ được chia thành hai luồng tín hiệu riêng biệt Luồng thứ nhất chứa tín hiệu có ích và được gửi đến bộ cân bằng kênh để xử lý Luồng thứ hai là mẫu tin dẫn đường, có vai trò quan trọng trong bộ khôi phục kênh nhằm đảm bảo chất lượng tín hiệu.

88 truyền, sau đó lại được đưa đến bộ cân bằng kênh để khôi phục lại tín hiệu ban đầu Đối với kênh hướng xuống:

Hình 3.9 Cấu trúc cụm trong OFDMA downlink

Cấu trúc cụm gồm một kênh con trong miền tần số và n ký hiệu OFDM trong miền thời gian, chứa N sóng mang để truyền dữ liệu hiệu quả Mỗi sóng mang trong hệ thống có thể được điều chế khác nhau nhằm tối ưu hóa hiệu suất truyền thông Đặc biệt, trong kênh hướng lên, quá trình truyền dữ liệu được thực hiện qua các sóng mang này, giúp nâng cao tốc độ và độ tin cậy của đường truyền Việc sử dụng OFDM trong cấu trúc cụm mang lại lợi ích lớn cho các hệ thống truyền dẫn không dây, đặc biệt là trong các mạng 5G và các ứng dụng yêu cầu băng thông lớn.

Hình 3.11 Cấu trúc cụm trong OFDMA uplink

Cấu trúc cụm gồm một kênh con trong miền tần số và ba ký hiệu OFDM trong miền thời gian, mỗi cụm chứa 144 sóng mang dữ liệu, áp dụng điều chế thích nghi theo yêu cầu của từng người dùng Mỗi người dùng có thể yêu cầu từ 1 đến 32 kênh con để tối ưu hoá hiệu suất truyền tải Trong cấu trúc này, có hai kênh con được sử dụng để thực hiện phép đo cự ly (ranging) bằng cách đo thời gian truyền của tín hiệu điện từ, đồng thời cung cấp thông tin về băng thông nếu người dùng yêu cầu.

Trong quá trình phân phối sóng mang tới người dùng, OFDMA tạo ra một dãy sóng mang cơ bản và thực hiện dịch vòng dãy này để cấp cho các user khác nhau Điều này giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền dữ liệu và đảm bảo kết nối ổn định OFDMA là công nghệ then chốt trong mạng không dây hiện đại, nâng cao khả năng phân chia tài nguyên cho nhiều thiết bị cùng lúc.

3.6.1 Chèn chuỗi dẫn đường ở miền tần số và miền thời gian

Hình 3.12 trình bày cách chèn chuỗi dẫn đường vào miền tần số và thời gian, giúp cải thiện khả năng định vị và đồng bộ của hệ thống Mẫu tin dẫn đường có thể được chèn cùng với mẫu tin có ích ở cả hai miền tần số và thời gian, tuy nhiên khoảng cách giữa các mẫu tín hiệu dẫn đường liên tiếp phải tuân theo quy luật lấy mẫu trong cả hai miền này Trong miền tần số, sự biến đổi của kênh vô tuyến phụ thuộc vào thời gian trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh, gọi là τmax hoặc delay spread, ảnh hưởng lớn đến việc chọn tỉ lệ lấy mẫu rf và khoảng cách giữa các sóng mang con Để đảm bảo quá trình lấy mẫu chính xác, khoảng cách giữa hai mẫu tin dẫn đường trong miền tần số, Df, phải thoả mãn điều kiện liên quan đến tần số lấy mẫu fs và tỉ lệ lấy mẫu rf, nhằm duy trì chất lượng liên lạc và hạn chế nhiễu nhiễu xuyên tần số.

Tỉ số lấy mẫu tối thiểu ở miền tần số r f phải là 1 Tỉ số này có thể lớn hơn

Trong quá trình truyền dẫn, số mẫu tin dẫn đường vượt quá mức cần thiết gây ra hiện tượng lấy mẫu quá mức (oversampling), dẫn đến khó khăn trong việc khôi phục tín hiệu chính xác khi khoảng cách giữa các mẫu tin không đáp ứng điều kiện lấy mẫu, đặc biệt khi r_f < 1 Tương tự, trong miền tần số, khoảng cách giữa hai mẫu tin dẫn đường liên tiếp trong miền thời gian Dt phải tuân thủ các quy tắc lấy mẫu phù hợp để đảm bảo tính toàn vẹn của kênh truyền Sự biến đổi của hàm truyền vô tuyến trong miền thời gian phụ thuộc vào tần số Doppler, do đó, tiêu chuẩn lấy mẫu yêu cầu khoảng cách Dt phải thỏa mãn điều kiện tối đa để duy trì chất lượng tín hiệu phù hợp.

Tỉ số r t, hay còn gọi là tỉ số lấy mẫu trong miền thời gian, đóng vai trò quan trọng trong việc xác định khả năng phục hồi tín hiệu truyền qua kênh vô tuyến Khi điều kiện về tỉ số này không đáp ứng đầy đủ các yêu cầu, hàm truyền của kênh vô tuyến sẽ không thể được khôi phục hoàn toàn tại máy thu Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc duy trì tỉ số lấy mẫu phù hợp để đảm bảo chất lượng truyền dẫn và phục hồi tín hiệu tối ưu.

3.6.2 Điều chế thích nghi Điều chế thích nghi (adaptive modulation) cho phép hệ thống điều chỉnh nguyên lý điều chế tín hiệu theo tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) của đường truyền vô tuyến Khi đường truyền vô tuyến có chất lượng cao, nguyên lý điều chế cao nhất được sử dụng làm tăng thêm dung lượng hệ thống Trong quá trình suy giảm tín hiệu, hệ thống WiMAX có thể chuyển sang một nguyên lý điều chế thấp hơn để duy trì chất lượng và sự ổn định của đường truyền Đặc điểm này cho phép hệ thống khắc phục hiệu ứng fading lựa chọn thời gian Đặc điểm quan trọng của điều chế thích nghi là khả năng tăng dải sử dụng của nguyên lý điều chế ở mức độ cao hơn, do đó hệ thống có tính mềm dẻo đối với tình trạng fading thực tế

Tương quan bán kính cell trong điều chế thích nghi

Hình 3.13 Điều chế thích nghi

Kỹ thuật điều chế và mã hoá thích nghi là một trong những ưu điểm vượt trội của OFDM, giúp tối ưu hoá mức điều chế trên từng kênh con dựa vào chất lượng tín hiệu (tỷ lệ SNR) và chất lượng kênh truyền dẫn.

3.6.3 Các kĩ thuật sửa lỗi

Ngoài mã xoắn rất phổ biến sử dụng trong các hệ thống vô tuyến, WiMAX cũng như các hệ thống OFDM thường sử dụng một số mã sau:

3.6.3.1 Mã hóa LDPC (Low-Density-Parity-Check)

Trong lĩnh vực thiết kế thông tin, đặc biệt trong hệ thống không dây và mạng, giới hạn Shannon được xem là chỉ tiêu tối đa mà các nhà phát triển hướng tới Các kỹ thuật mã hóa sửa sai đã được nâng cấp liên tục nhằm tối ưu hiệu suất kênh, giúp truyền dữ liệu ngày càng gần hơn với giới hạn Shannon Việc tìm kiếm các phương án FEC hiệu quả, như LDPC, đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất truyền thông và tối ưu hóa hệ thống mạng không dây.

Mã LDPC cung cấp giải pháp mã điều sửa lỗi (FEC) hiệu quả, giúp tiến gần hơn đến giới hạn Shannon của kênh truyền dữ liệu Được xây dựng dựa trên ma trận H chứa các giá trị đặc biệt, mã LDPC giúp cải thiện độ tin cậy và hiệu suất truyền thông Nhờ vào khả năng tối ưu hóa mã hóa và giải mã, mã LDPC ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền tải dữ liệu yêu cầu độ chính xác cao.

Mã hóa được thực hiện bằng cách sử dụng các đẳng thức từ ma trận H để tạo ra các bit kiểm tra chẵn lẻ, giúp xác định và sửa lỗi trong quá trình truyền dữ liệu Quá trình giải mã dựa trên việc kiểm tra các bit kiểm tra này nhằm phát hiện lỗi chính xác và đảm bảo dữ liệu được giải mã đúng đắn.

Cổng vào mềm sử dụng các đẳng thức để xác định các trị số đã gửi, đảm bảo quá trình xử lý diễn ra chính xác và hiệu quả Quá trình xử lý này được lặp đi lặp lại theo phương pháp tương tác trong bộ mã hoá tốc độ cao, giúp tối ưu hóa hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống truyền thông.

Điều khiển công suất

Trong hệ thống thông tin di động, điều khiển công suất bao gồm hai loại chính là điều khiển công suất vòng hở và điều khiển công suất vòng kín để điều chỉnh công suất phát của MS phù hợp với khoảng cách tới BTS Điều khiển công suất vòng hở hoạt động dựa trên việc BTS đo cường độ trường tại điểm thu, rồi tính toán và điều chỉnh công suất phát phù hợp dựa trên khoảng cách Trong khi đó, điều khiển công suất vòng kín thực hiện bằng cách MS đo cường độ trường, gửi dữ liệu này tới BSC, và BSC sẽ tính toán để đề xuất tăng hoặc giảm công suất của MS sao cho tối ưu hóa hiệu suất truyền tải.

Trong hệ thống WiMAX, điều khiển công suất vòng kín được sử dụng để tối ưu hóa hiệu suất tổng thể của mạng Các thuật toán điều khiển công suất giúp trạm gốc gửi thông tin điều chỉnh công suất tới từng CPE, đảm bảo mức công suất phát ổn định Nhờ đó, mức thu nhận tại trạm gốc luôn duy trì ở mức tối ưu, tăng cường độ ổn định và chất lượng kết nối.

Trong môi trường fading không ngừng biến đổi, mức công suất phát của CPE được điều chỉnh phù hợp theo yêu cầu, giúp giảm năng lượng tiêu thụ tổng thể và nhiễu từ các trạm gốc lân cận Đối với liên kết LOS, công suất phát của CPE tỷ lệ gần đúng với khoảng cách đến trạm gốc, trong khi với NLOS, mức công suất phụ thuộc nhiều vào các chướng ngại vật và khoảng trống xung quanh Việc điều chỉnh công suất này giúp tối ưu hiệu suất truyền tải trong các môi trường thay đổi liên tục.

Kết luận chương

Về tần số, việc nâng cao tốc độ của đường truyền giúp đáp ứng hiệu quả các yêu cầu của các dịch vụ thời gian thực Điều này đảm bảo truyền tải dữ liệu nhanh chóng và ổn định, phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi độ trễ thấp và hiệu suất cao Tăng cường tần số không chỉ cải thiện khả năng truyền tải mà còn nâng cao chất lượng dịch vụ, đáp ứng tốt hơn các nhu cầu của người dùng hiện nay.

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

WiMAX, theo chuẩn WirelessMAN IEEE 802.16, là công nghệ giao diện vô tuyến băng thông rộng cho phép truy cập không dây cố định, di động và xách tay với tốc độ truyền dữ liệu cao lên tới 70 Mbps trong phạm vi 50 km Công nghệ này nổi bật nhờ khả năng thiết lập chất lượng dịch vụ riêng cho từng kết nối, đảm bảo an ninh tốt, hỗ trợ multicast và di động, đồng thời hoạt động trên cả phổ tần cấp phép và không cấp phép Chính những ưu điểm vượt trội này đã thu hút sự quan tâm của các nhà cung cấp dịch vụ và nhà sản xuất thiết bị, khiến WiMAX trở thành chủ đề nghiên cứu hot trong ngành công nghệ không dây Đồ án tập trung nghiên cứu các vấn đề liên quan đến công nghệ WiMAX, bao gồm các đặc điểm, ứng dụng và tiềm năng phát triển của công nghệ này.

WiMAX là công nghệ truyền thông không dây băng thông rộng dựa trên chuẩn IEEE 802.16, được phát triển nhằm cung cấp kết nối Internet tốc độ cao và phạm vi rộng Chuẩn IEEE 802.16, gồm các phiên bản như IEEE 802.16-2004 và IEEE 802.16e, đã mở ra nhiều ứng dụng khác nhau như dịch vụ broadband di động và cố định So với WiFi, WiMAX nổi bật về phạm vi phủ sóng lớn hơn và khả năng hỗ trợ nhiều người dùng cùng lúc, phù hợp cho các mạng trung tâm hoặc khu vực đô thị lớn Các mô hình ứng dụng của WiMAX rất đa dạng, từ cung cấp dịch vụ Internet cố định cho hộ gia đình đến các mạng di động và đô thị thông minh, cho thấy tính khả thi cao của công nghệ này trong việc đáp ứng nhu cầu kết nối ngày càng tăng.

Kỹ thuật điều chế OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là phương pháp truyền dữ liệu qua nhiều băng tần con song song nhằm giảm thiểu nhiễu chồng lấn và tăng cường hiệu quả truyền tải dữ liệu OFDM có ưu điểm nổi bật như khả năng chống nhiễu xuyên sóng, tối ưu hóa băng thông và dễ dàng mở rộng hệ thống, nhưng cũng tồn tại nhược điểm như phức tạp trong xử lý tín hiệu và nhạy cảm với cao độ pha Nguyên lý điều chế OFDM dựa trên việc phân chia dữ liệu thành các phần nhỏ và gửi qua các carriers độc lập, sử dụng kỹ thuật quang phổ để đảm bảo tính orthogonal giữa các tín hiệu Quá trình giải điều chế OFDM bao gồm chuyển đổi ngược từ tín hiệu đa sóng thành dữ liệu ban đầu, qua các bước gồm tách tín hiệu, đồng bộ và xử lý FFT Ứng dụng của công nghệ OFDM rất phổ biến trong các hệ thống truyền thông hiện đại như Wi-Fi, LTE, 5G, phát thanh số kỹ thuật số và truyền hình qua internet, góp phần nâng cao tốc độ và độ tin cậy trong việc truyền tải dữ liệu không dây và qua dây.

Kỹ thuật đa truy nhập phân tần trực giao OFDMA là một công nghệ hiện đại với các khái niệm cơ bản và đặc điểm nổi bật giúp tối ưu hóa quá trình truyền nhận tín hiệu Tính chất chính của OFDMA gồm khả năng phân chia tài nguyên linh hoạt, sử dụng nhiều tần số cùng lúc, qua đó nâng cao hiệu suất truyền dữ liệu Ưu điểm của kỹ thuật này nằm ở khả năng xử lý tín hiệu hiệu quả, giảm nhiễu và tối ưu hóa tần suất, đặc biệt trong các ứng dụng như công nghệ WiMAX Nhờ đó, OFDMA góp phần cải thiện tốc độ truyền dữ liệu, phạm vi phủ sóng rộng và độ tin cậy cao trong các mạng không dây hiện đại.

Nghiên cứu về công nghệ WiMAX là một quá trình dài hạn gồm cả lý thuyết và thực nghiệm Hướng phát triển tiếp theo của đề tài sẽ tập trung vào việc nâng cao hiệu suất mạng WiMAX, mở rộng phạm vi ứng dụng và cải thiện các tiêu chuẩn kỹ thuật để đáp ứng tốt hơn nhu cầu ngày càng tăng của người dùng về tốc độ và độ tin cậy.

Thứ nhất, xây dựng hoàn thiện phần mô phỏng để nêu bật được đặc điểm của công nghệ WiMAX

Thứ hai, tìm hiểu nghiên cứu về quy hoạch mạng WiMAX

Thứ ba, tìm hiểu khả năng ứng dụng của công nghệ WiMAX ở Việt Nam.

Tiêu đề	Ứng dụng Kỹ thuật OFDMA trong WiMAX
Tác giả	ThS. Nguyễn Thị Kim Thu, ThS. Lê Thị Kiều Nga, Nguyễn Đình Thìn
Người hướng dẫn	Cán bộ phản biện
Trường học	Trường Đại Học Vinh
Chuyên ngành	Điện Tử - Viễn Thông
Thể loại	Đồ án tốt nghiệp đại học
Năm xuất bản	2012
Thành phố	Nghệ An

Định dạng
Số trang	102
Dung lượng	1,59 MB