Luận văn điện tử viễn thông Ước lượng kênh trong OFDM của Wimax

LỜI MỞ ĐẦU ---&&&&---Công nghệ OFDM hiện nay đã tìm được sự ứng dụng rộng rãi trong các tiêuchuẩn viễn thông như hệ thống truyền hình số DVB-T, phát thanh số DAB, hay mạngtruy nhập Inter

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan nội dung của đồ án “Ước lượng kênh trong OFDM của Wimax” này không phải là bản sao chép của bất cứ đồ án hoặc công trình đã có từ trước.

Đà Nẵng, Ngày 25 tháng 05 năm 2012

Người cam đoan

PHẠM TẤN PHƯỚC

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

- 

 -

Đà Nẵng, ngày 25 tháng 05 năm 2012

Giáo viên hướng dẫn

Ths.Huỳnh Thanh Tùng

MỤC LỤC

Lời cam đoan 1

Lời nhận xét của giáo viên hướng dẫn 2

Mục lục 3

Danh mục các từ viết tắc 6

Lời mở đầu 8

CHƯƠNG 1 :Tổng quan về hệ thống WIMAX 1.1 Giới thiệu chương 10

1.2 Giới thiệu hệ thống WiMAX 10

1.2.1 WIMAX là gì ? 10

1.2.2 Lịch sử ra đời 10

1.2.3 Đặc điểm của WIMAX 11

1.3 Các chuẩn WIMAX 11

1.3.1 Chuẩn cơ bản 802.16 11

1.3.2 Các chuẩn bổ sung của WIMAX 12

1.4 Các công nghệ sử dụng trong WIMAX 13

1.4.1 Điều chế thứ tự cao hơn 13

1.4.1.1 Công nghệ OFDM 13

1.4.1.2 Công nghệ OFDMA 16

1.4.1.3 Công nghệ SOFDMA 18

1.4.1.4 Các công nghệ Anten sử dụng trong Wimax 18

1.4.1.5 Mã hóa không gian - thời gian 20

1.4.1.6 Điều khiển công suất 21

1.4.1.7 Điều khiển sắp xếp 22

1.4.1.8 Điều khiển chấp nhận 22

1.4.1.9 Chất lượng dịch vụ QoS 23

1.5 Ứng dụng của WIMAX 24

1.6 Kết luận chương 27

CHƯƠNG 2 : Kĩ thuật OFDM và OFDMA trong WIMAX

2.1 Giới thiệu chương 28

2.2 Công nghệ OFDM 28

2.2.1 Cơ sở của OFDM 28

2.2.1.1 Cơ sở trực giao 28

2.2.1.2 Tiền tố vòng CP 32

2.2.1.3 biểu tượng Pilot 33

2.3 Kĩ thuật OFDMA trong WIMAX 33

2.3.1 Cấu trúc biểu tượng OFDMA và kênh con hoá 33

2.3.2 Scalable OFDMA 35

2.3.3 Cấu trúc khung TDD 36

2.3.4 Các đặc tính lớp vật lý cao cấp khác 38

2.4 Phân bố Rayleigh và Rice 40

2.4.1 Phân bố Rayleigh 40

2.4.2 Phân bố Rice 41

2.5 kết luận chương 43

CHƯƠNG 3 : Ước lượng kênh trong hệ thống OFDM 3.1 Giới thiệu chương 44

3.2 Mô tả hệ thống 44

3.3 Các kĩ thuật ước lượng kênh 47

3.3.1 Ước lượng MMSE 48

3.3.2 Ước lượng LS 49

3.4 Giảm kích thước FFT với ước lượng MMSE và LS 50

3.4.1 Mục đích của phương pháp 50

3.4.2 Giảm kích thước FFT với ước lượng MMSE 51

3.4.3 Giảm kích thước FFT với ước lượng LS 51

3.5 Kết luận chương 52

CHƯƠNG 4 : Mô phỏng ước lượng kênh

4.1 Giới thiệu chương 53

4.2 Mô phỏng SER dựa trên MMSE và LS 53

4.3 Mô phỏng so sánh ước lượng MMSE và LS 54

4.3.1 Ưu điểm của MMSE 55

4.3.2 Nhược điểm của MMSE 55

4.4 Mô phỏng phương pháp giảm kích thước FFT 55

4.4.1 Ưu điểm của phương pháp 55

4.4.2 Nhược điểm của phương pháp 55

4.5 Phần chương trình mô phỏng 57

4.5.1 Mô phỏng SER của MMSE và LS 57

4.5.2 Mô phỏng so sánh ước lượng MMSE và LS 63

4.5.3 Mô phỏng kích thước FFT với ước lượng MMSE 67

4.6 Kết luận chương 77

Hướng phát triển đề tài 78

Tài Liệu Tham Khảo 78

 Bảng tra cứu từ viết tắt

ADSL Asymmetric Digital Mạng số truy câp internet băng

AMC Adaptive modulation and coding Mã hóa và điều chế thích nghi

C/I Carrier to Interference Ratio Tỷ số sóng mang trên nhiễu

CDMA Code division Multiplex access Đa truy cập phân chia theo mã.CTC Convolution turbo code Mã xoắn turbo

DAB Digital Audio Broadcasting Hệ thống phát thanh số và truyền

số liệu tốc độ cao

(I)DFT (Inverse) Discrete Fourier Biến đổi Fourier rời rạc (Ngược)

Transform

DSP Digital Signal Processing Bộ xử lý số

DVB_T Digital video Broadcasting Hệ thống truyền hình số mặt đất

for terrestrial transmission modeFDD Frequency division duplex Song công theo tần số

FFT Fast fourier transformer Chuyển đổi fourier nhanh

FM Frequency modulation Điều tần

FUSC Fully used sub-carrier Sóng mang con sử dụng Hoàn toàn.HARQ Hybrid automatic repeat request Kĩ thuật sửa lỗi bằng dò lặp

ICI Inter-carrier interference Nhiễu giữa các sóng mang

IFFT Inverse FFT Chuyển đổi fourier nhanh ngược.ISI Inter-symbol interference Nhiễu giữa các biểu tượng

LMMSE Least Minimum Mean Bình phương sai số tối thiểu tuyến

LOS Line of sight Tuyến truyền dẫn thẳng.

MAC Media access control Điều khiển truy nhập môi trường

MAI multiplex access interference Nhiễu đa truy cập

MIMO Multiple input multiple Output Hệ thống đa anten phát và thu

MMSE Minimum mean square error Bình phương sai số trung bình nhỏ nhất

NLOS Noneline of sight Không có tuyến truyền dẫn thẳng.OFDM Orthogonal frequency Ghép kênh phân chia

division mutiplex theo tần số trực giao

OFDMA Orthogonal frequency Đa truy cập phân chia

division multiplex access theo tần số trực giao

PAPR Peak_to_Average Power Tỷ số công suất đỉnh trên

Ratio (PAR) công suất trung bình

PSK Phase shift keying Điều pha

QAM Quadrature AmplitudeModulaion Điều chế biên độ cầu phương

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

QPSK Quadrature PSK Điều chế cầu phương PSK

PUSC patially used sub-carrier Sóng mang con sử dụng một phần.SER Symbol error rate Tỷ lệ lỗi biểu tượng

SNR Signal noise to ratio Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm

SOFDMA Scalable OFDMA OFDMA diện rộng

SS Subcribe station Trạm người dùng

TDD Time division duplex Song công theo thời gian

WIMAX Worldwide interoperability Khả năng kết nối không dây trên

for microwave access diện rộng với truy viba

VLAN Virtual local area netword Mạng LAN ảo

WLAN Wireless Local Area Network Mạng không dây nội bộ

LỜI MỞ ĐẦU

-&&&& -Công nghệ OFDM hiện nay đã tìm được sự ứng dụng rộng rãi trong các tiêuchuẩn viễn thông như hệ thống truyền hình số DVB-T, phát thanh số DAB, hay mạngtruy nhập Internet băng thông rộng ADSL, …Hiện nay công nghệ này đang được ứngdụng trong hệ thống truy nhập Internet không dây băng rộng WIMAX theo các tiêuchuẩn IEEE 802.16 và trong hệ thống di động toàn cầu thế hệ thứ 4 cũng như nhiều hệthống viễn thông khác

WIMAX là một công nghệ không dây băng thông rộng mang lại tốc độ kết nốinhiều Megabit và thông lượng cao cho phép truy cập một khối lượng lớn các dữ liệunhư phim và các nội dung đa phương tiện, đồng thời có phạm vi phủ sóng rộng giúpmang lại khả năng truy cập tới các dữ liệu trong khoảng cách xa

Hiện nay nhiều hãng sản xuất các thiết bị điện tử như Laptop, điện thoại và cácthiết bị văn phòng khác đã tích hợp các phần cứng cũng như các phần mềm ứng dụngcủa công nghệ WIMAX vào các sản phẩm của mình để đáp ứng được nhu cầu ngàycàng cao và phong phú của khách hàng

Các thiết bị WIMAX này đã được kiểm tra về khả năng tương thích với nhau sẽgiúp khách hàng dễ dàng hơn khi chuyển vùng từ hệ thống mạng này sang hệ thốngmạng khác với các thiết bị Internet của mình, mang lại cho người sử dụng một trảinghiệm di động luôn được kết nối

Để tiếp cận và tìm hiểu về công nghệ WIMAX chúng ta hãy đi vào tìm hiểu cơ

sở và các ứng dụng của kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao Othogonal Frequency Division Multiplex ) trong hệ thống WIMAX mà điển hình là kỹthuật ước lượng kênh truyền trong hệ thống OFDM của WIMAX

(OFDM-Vì còn nhiều hạn chế về khả năng lẫn kiến thức nên đề tài chỉ nghiên cứu cácphương pháp ước lượng kênh trong hệ thống OFDM của WiMAX để làm nền tảng chocác vấn đề chuyên sâu sau này Rất mong được sự góp ý của thầy cô và bạn bè trongkhoa Điện Tử Viễn Thông-Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng

Nội dung chính của đề tài gồm 4 chương như sau:

Chương 1: Tổng Quan Về Hệ Thống WiMAX : Trình bày những vấn đề liên

quan đến mô hình của một hệ thống WiMAX cơ bản, những đặc điểm và các ứng dụngcủa nó đối với quá trình truyền tin trên lý thuyết và trên thực tế

Chương 2: Kĩ Thuật OFDM Và OFDMA Trong WiMAX : Phần này giới

thiệu về cơ sở, đặc điểm cơ bản của kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

và ứng dụng công nghệ OFDM trong WiMAX điển hình là kĩ thuật OFDMA

Chương 3: Kĩ Thuật Ước Lượng Kênh Trong Hệ Thống OFDM : Mô tả các

phương pháp ước lượng kênh và những biểu thức toán học của nó dựa trên đáp ứngxung của kênh

Chương 4: Mô Phỏng Ước Lượng Kênh : Mô phỏng so sánh sự khác nhau

giữa ước lượng MMSE và ước lượng LS Đề xuất phương pháp giảm kích thước FFTtrong ước lượng MMSE và LS

Phương pháp nghiên cứu của đề tài: Đề tài làm rõ những khái niệm về ước

lượng kênh trong OFDM, từ đó dựa vào những biểu thức tính toán, thực hiện môphỏng so sánh sự khác nhau của ước lượng MMSE và LS

Mục tiêu của đề tài : Từ những kết quả mô phỏng đạt được, rút ra những nhận

xét về những ưu điểm cũng như nhược điểm của 2 phương pháp và đề xuất phươngpháp giảm kích thước FFT với 2 phương pháp ước lượng trên

Trong quá trình thực hiện đồ án có thể em sẽ không tránh khỏi những sai sót.Rất mong nhận được sự phê bình, góp ý của quý thầy cô và các bạn Em xinchân thành cảm ơn sự giúp đở tận tình của thầy Ths.Huỳnh Thanh Tùng và cùng cácthầy cô trong khoa để em có thể hoàn thành được đồ án này

Đà Nẵng, Ngày 25 tháng 05 năm 2012

Sinh viên thực hiện

Phạm Tấn Phước

CHƯƠNG 1 : Tổng Quan Về Hệ Thống WIMAX1.1 Giới thiệu chương

Trước khi đi vào tìm hiểu các vấn đề về ước lượng kênh trong hệ thống OFDM của WiMAX, trong chương này ta sẽ tìm hiểu hệ thống WiMAX là gì?, nó có những đặc điểm gì?, và nó có những ưu điểm nào trong các ứng dụng thực tế Các chuẩn của Wimax, các công nghệ được sử dụng trong Wimax và ứng dụng của Wimax

1.2 Giới thiệu hệ thống WIMAX :

1.2.1 WIMAX là gì ?

WIMAX là từ viết tắt của Worldwide Interoperability For Microwave Access-khả năngkết nối không dây trên diện rộng với truy nhập vi ba Nó cho phép truy nhập băngthông rộng vô tuyến đến đầu cuối (last mile) như một phương thức thay thế cho cáp làDSL

WIMAX cho phép kết nối băng rộng vô tuyến cố định, mang xách tay được, di động

mà không cần thiết ở trong tầm nhìn thẳng (line of sight) trực tiếp đến một trạm

WIMAX có 2 phiên chính :WIMAX cố định (Fixed WIMAX)

WIMAX di động(Mobile WIMAX)1.2.2 Lịch sử ra đời :

Chuẩn 802.16 được xây dựng từ viện kĩ thuật điện và điện tử từ năm 1999, nhưng tiêuchuẩn đầu tiên được đưa ra và được cả thế giới công nhận vào năm 2001

2003 > 802.16a

2004 > 802.16d

2005 > 802.16eChuẩn được thiết kế hỗ trợ cho cả phương thức song công theo thời gian (TimeDivision Duplex-TDD) và song công theo tần số (Frequency Division Duplex-FDD).TDD, tại đó đường lên và đường xuống dùng chung một kênh nhưng không truyềncùng một lúc FDD, tại đó đường lên và đường xuống hoạt động trong những kênhriêng biệt

1.2.3 Đặc điểm của WIMAX:

WIMAX di động cũng có các đặc điểm giống EV-DO hoặc HSxPA nhằm tăng tốc độtruyền thông (Data Rate) Những đặc điểm đó bao gồm: mã hoá và điều chế thích nghi(Adaptive Modulation and coding-AMC), kĩ thuật sửa lỗi bằng dò lặp (HybridAutomatic Repeat Request-HARQ) Phân bố nhanh (Fast Scheduling) và chuyển giaomạng (Handover) nhanh và hiệu quả

Không giống như công nghệ 3G dựa trên CDMA được xây dựng nhằm vào dịch vụthoại, WIMAX được thiết kế để đáp ứng dịch vụ truyền dữ liệu dung lượng lớn (trong

đó có cả dịch vụ thoại VoIP) WIMAX sử dụng kĩ thuật trải phổ SOFDMA và hạ tầnmạng xây dựng trên nền IP

WIMAX cung cấp khả năng kết nối Internet không dây nhanh hơn WIFI, tốc độ uplink

và downlink cao hơn, sử dụng được nhiều ứng dụng hơn, và quan trọng là vùng phủong rộng hơn và không bị ảnh hưởng bởi địa hình WIMAX có thể thay đổi một cách

tự động phương thức điều chế để có thể tăng vùng phủ 11ong bằng cách giảm tốc độtruyền và ngược lại

Để tăng vùng phủ 11ong, chuẩn WIMAX hoặc sử dụng mạng Mesh hoặc sử dụnganten thông minh hoặc MIMO

Dữ liệu truyền trong mạng WIMAX được phân chia thành 5 lớp dịch vụ với những ưutiên khác nhau nhằm cung ứng QoS Ngoài ra bảo mật cũng là một đặc điểm nổi trộicủa WIMAX so với WIFI

1.3 Các chuẩn của WIMAX:

1.3.1 Chuẩn cơ bản 802.16 :

Chuẩn 802.16 được tạo ra với mục đích là tạo ra những giao diện (Interface) không dâydựa trên một giao thức MAC (Media Access Control) chung Kiến trúc mạng cơ bảncủa 802.16 bao gồm một trạm phát BS (Base Station) và người sử dụng ( SS-SubcribeStation )

Trong một vùng phủ 12ong, trạm BS sẽ điều khiển toàn bộ sự truyền dữ liệu (Traffic).Điều đó có nghĩa là sẽ không có sự trao đổi truyền thông giữa 2 SS với nhau Nối kếtgiữa BS và SS sẽ gồm một kênh Downlink và Uplink Kênh Uplink sẽ chia sẽ chonhiều SS trong khi kênh Downlink có đặc điểm Broadcast Trong trường hợp không cóvật cản giữa BS và SS ( Line of sight ), thông tin sẽ được trao đổi trên băng tần cao.Ngược lại, thông tin sẽ được trao đổi ở băng tần thấp để chống lại nhiễu.

1.3.2 Các chuẩn bổ sung (Amendments) của WIMAX :

 Chuẩn 802.16a: Chuẩn này sử dụng băng tần có bản quyền từ 2-11 Ghz Đây làbăng tần thu hút được nhiều quan tâm nhất vì tín hiệu truyền có thể vượt đượccác chướng ngại trên đường truyền 802.16a còn thích ứng cho việc triển khaimạng Mesh mà trong đó một thiết bị cuối (Terminal) có thể liên lạc với BSthông qua một thiết bị cuối khác Với đặc tính này, vùng phủ 12ong của802.16a BS sẽ được nới rộng

 Chuẩn 802.16b: Chuẩn này hoạt động trên băng tần 5-6Ghz với mục đích cungứng dịch vụ với chất lượng cao (QoS) Cụ thể chuẩn ưu tiên truyền thông tincủa những ứng dụng Video, thoại, Real-time thông qua những lớp dịch vụ khácnhau (Class of Service)

 Chuẩn 802.16c: Chuẩn này định nghĩa 12ong 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 chuẩnhoá 2004 Các thiết bị Pre-WIMAX có trên thị trường là dựa vào chuẩn này

 Chuẩn 802.16e: Đang trong giai đoạn hoàn thiện và chuẩn hoá Đặc điểm nổibật của chuẩn này là khả năng cung cấp các dịch vụ di động ( vận tốc di chuyểnlớn nhất mà có thể sử dụng dịch vụ này lên đến 100 Km/h )

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

1.4 Các công nghệ sử dụng trong WIMAX:

1.4.1 Điều chế thứ tự cao hơn:

Ngược với công nghệ tương tự có trước đây (FM,AM) và biểu đồ điều chế số hóa hiệusuất thấp (PSK, BPSK, và QPSK) được sử dụng rộng rãi trong các mạng ngày nay,công nghệ băng rộng không dây yêu cầu sử dụng các biểu đồ điều chế theo thứ tự caohơn với hiệu quả trải phổ tốt hơn

Tuy nhiên biểu đồ điều chế theo thứ tự cao hơn này rất dễ bị tác động bởi nhiễu(Interference) và hiện tượng đa đường dẫn Cả hai yếu tố này đều phổ biến trong cáctriển khai mạng không dây có mặt khắp nơi với số lượng người 13ong lớn

Hình 1.1: Một số lược đồ điều chế theo thứ tự khác nhau

Để biết được những tác động này, công nghệ OFDM, OFDMA và SOFDMA là nhữngcông nghệ truy cập mới cải tiến hỗ trợ kênh cần thiết để đạt được hiệu quả trải phổ caohơn với thông lượng kênh cao hơn Những công nghệ mới này là nền tản cho WIMAX

di động và các hệ thống băng rộng di động thế hệ tiếp theo khác

Hình 1.2: Công nghệ OFDMCông nghệ OFDM chia luồng dữ liệu ra thành nhiều đường truyền băng hẹp trong vùngtần số sử dụng các 14ong mang con trực giao với một 14ong mang con khác.

Những 14ong mang con này sau đó ghép thành các kênh tần số để truyền vô tuyến

Hình 1.3 :Lược đồ các14ong mangcon trongOFDM.Các đườngtruyền băng hẹp này sử dụng các kí tự có khoảng thời gian dài (Long-Duration-Sysbol)trong miền thời gian để làm cho các kí tự không bị méo do hiện tượng đa đường dẫn

Bằng cách sử dụng các khoảng thời gian của kí tự xấp xỉ 100 ms với khoảng bảo vệkhoảng 10 ms, công nghệ OFDM cho phép khắc phục được các tác động của hiệntượng đa đường

Hình 1.4 : Sự nguyên vẹn của kí tự được sử dụng làm chậm trễ hiện tượng đa đường

dẫn với khoảng bảo vệ thời gian

Để đảm bảo khả năng trực giao, khoảng dãn cách giữa các 15ong mang con phải đượcchọn lựa sao 15ong15 đảo ngược với khoảng thời gian của kí tự

Hình 1.5 : Khoảng dãn cách giữa các 15ong mang con được lựa chọn để mỗi 15ongmang con trực giao với các 15ong mang con khác Độ dãn cách giữa các 15ong mangcon phải cân bằng với sự đảo ngược các khoảng thời gian của kí tự

Số lượng các 15ong mang con phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ rộng kênh và mức độnhiễu Con số này tương ứng với kích thước FFT ( Fast-Fourier-Transformer )

Chuẩn giao tiếp vô tuyến 802.16-2004 xác định rõ 256 sóng mang con, tương ứng vớikích cỡ FFT từ 512 đến 2048 phù hợp với các độ rộng kênh từ 5 tới 20 Mhz để duy trìtương đối khoảng thời gian không đổi của kí tự và khoảng dãn cách giữa các 16ongmang con độc lập với độ rộng kênh

Vì thế với công nghệ OFDM, sự kết hợp của các 16ong mang con trực giao truyềnsong song với các kí tự có khoảng thời gian dài đảm bảo rằng lưu lượng băng thôngrộng không bị hạn chế do môi trường bị che chắn tầm nhìn (NLOS) và nhiễu do hiệntượng đa đường dẫn

1.4 1.2 Công nghệ OFDMA:

Truy cập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA ) là công nghệ đa 16ong mang pháttriển từ công nghệ OFDM, ứng dụng như một công nghệ đa truy cập Được diễn tả nhưbiểu đồ dưới đây, OFDMA hỗ trợ các nhiệm vụ của các 16ong mang con đối với cácthuê bao nhất định

Mỗi một nhóm 16ong mang con được biểu thị như một kênh con (sub-channel), và mỗithuê bao được chỉ định một hoặc nhiều kênh con để truyền phát dựa trên mỗi yêu cầu

cụ thể và lưu lượng của mỗi thuê bao

Hình 1.6 : Công nghệ OFDM và OFDMA

OFDMA có một số ưu điểm như khả năng linh hoạt tăng, thông lượng và tính ổn địnhđược cải tiến Bằng việc ấn định các kênh con cho các thuê bao cụ thể, việc truyền phátcủa các thuê bao có thể xảy ra đồng thời mà không cần sự can thiệp nào, do đó sẽ giảmthiểu tác động như ảnh hưởng đa truy cập –MAI (Multiplex Access interference) Hơn nữa, hiện tượng các kênh con cho phép tập trung công suất phát qua một số lượngcác 17ong mang con ít hơn Kết quả này làm tăng số đường truyền dẫn đến tăng phạm

vi và khả năng phủ 17ong

Việc sửa đổi bổ sung chuẩn IEEE 802.16e-2005 được triển khai nhằm mở rộng chuẩn

vô tuyến 802.16 đáp ứng các ứng dụng di động Sự bổ sung này cho phép công nghệOFDMA đáp ứng nhiều tính năng sử dụng một cách linh hoạt và các thách thức về việccác thuê bao di động di chuyển nhanh trong môi trường NLOS Chuẩn 802.16e-2005

hỗ trợ 3 tuỳ chọn phân phối kênh con, tùy theo tình huống sử dụng như sau :

 Các 17ong mang con có thể được tán xạ thông qua kênh tần số Điều này liênquan đến việc sử dụng phân hoá kênh con (sub-channelization) hoặc FUSC

 Một số nhóm 17ong mang con tán xạ có thể được sử dụng để tạo thành mộtkênh con Điều này liên quan 1 phần đến việc sử dụng phân hoá kênh con (sub-channelization) hoặc PUSC

 Các kênh con có thể được tạo ra bởi các nhóm 17ong mang con tiếp theo Điềunày liên quan đến sự điều biến và mã hoá tuỳ ứng hoặc AMC

Với PUSC hoặc FUSC, việc phân phối các 17ong mang con tới các kênh con đượcthực hiện theo mô hình giả ngẫu nhiên mà ở đó các 17ong mang con của một kênh connhất định trong một cell nhất định khác với các 17ong mang con tại cùng một kênh con

đó trong một cell khác (VD : 17ong mang con trong kênh con 1 của cell 1 sẽ hoàn toànkhác với 17ong mang con của kênh con 1 trong cell 2) Sự hoán đổi giả ngẫu nhiên này

có ảnh hưởng tương đối đến nhiễu

Điều này làm giảm tác động đối nghịch của hiện tượng nhiễu giữa các cell Nhìnchung, FUSC và PUSC là 2 tuỳ chọn tốt nhất cho các ứng dụng di động, trong khiAMC hoàn toàn phù hợp cho các ứng dụng cố định, mang xách hoặc di chuyển chậm.1.4 1.3 Công nghệ SOFDMA:

Việc mở rộng OFDMA (SOFDMA) hỗ trợ khả năng điều chỉnh OFDMA cho phù hợpvới độ rộng kênh đang được sử dụng Theo nguyên tắc khi ấn định số lượng dải phổdành cho các nhà cung cấp dịch vụ khác, các thông số công nghệ OFDMA có thể đượctối ưu hóa sao cho tỷ lệ với dải băng tần cấp cho một nhà cung cấp dịch vụ cụ thể.Với S-OFDMA, kích cỡ FFT khác với độ rộng kênh dựa trên các thông số theo chuẩn802.16e-2005 Trong kênh tần số 5Ghz một FFT kích cỡ 512 sóng mang con được xácđịnh còn một kênh 10Mhz, một FFT kích cỡ 1024 được xác định Điều đó đảm bảorằng cả 2 hệ thống 5Mhz và 10Mhz có cùng khoảng thời gian của kí tự và do đó cócùng khả năng chống méo đa đường kể cả khi 2 hệ thống khác nhau về kích cỡ

1.4.1.4 Các công nghệ anten sử dụng trong WIMAX:

1.4.1.4.1 Hệ thống anten thông minh:

Hệ thống công nghệ anten thông minh có liên quan đến loại anten được thiết kế để tăngcường độ tín hiệu nhận được trong mạng truy cập không dây Mục đích để làm tăngCINR (Carrier-to-interference plus noise radio)

Sử dụng công nghệ anten thông minh có thể vừa làm tăng cường độ tín hiệu nhận được

và làm giảm mức độ nhiễu để tăng phần lớn công dụng của một mạng giao tiếp diđộng

Cường độ tín hiệu nhận được dao động khi các thuê bao di động trong vùng phủ 18ong

và việc sử dụng nhiều anten hoặc anten thông minh để tăng chất lượng đường truyền đãđược nghiên cứu ngay từ khi các hệ thống di động đầu tiên mới ra đời Bước đầu tiên là

sử dụng nhiều anten để cung cấp độ phân tập thu “receiver diversity ”

Hệ thống này hoặc lựa chọn một anten với cường độ tín hiệu mạnh nhất hoặc tối ưuphối hợp các tín hiệu nhận được từ tất cả các anten Chuẩn WIMAX hỗ trợ nhiều loại

công nghệ anten thông minh, bao gồm đa cổng vào ra ( MIMO ) và hệ thống antenthông minh cải tiến (hoặc thích nghi) (ASS) trên cả hai loại thiết bị đầu cuối khách ong

và trạm gốc

Trong khi MIMO đề cập đến việc sử dụng nhiều anten và kết quả quá trình yêu cầu cáctín hiệu bổ sung, ASS tùy thuộc hoặc vào công nghệ “ mã hóa không gian-thời gian ”(Space-time coding) hoặc tạo chum tia “ beam-forming ”

Với beam-forming, tín hiệu với năng lượng phát đi, sẽ định hình theo dạng vật lý vàtruyền phát trực tiếp đến một thuê bao cụ thể dẫn đến độ lợi cao hơn, thông lượng caohơn và khả năng chống nhiễu tốt hơn Do công nghệ OFDMA chuyển một kênh dài tầnrộng thành nhiều 19ong mang con phẳng và độ rộng kênh hẹp, ASS có thể được hỗ trợvới độ phức tạp ít hơn nhiều so với yêu cầu của các hệ thống băng rộng không dâykhác

1.4.1.4.2 Công nghệ đa cổng vào ra :

Công nghệ đa cổng vào ra (MIMO) miêu tả các hệ thống sử dụng nhiều hơn 1 radio và

hệ thống anten tại một điểm cuối của các đường kết nối không dây Trước đây, chi phí

để kết hợp nhiều anten và các radio trong một đầu cuối khách 19ong là rất cao

Các cải tiến gần đây trong công nghệ tích hợp và triển khai quy mô nhỏ cho hệ thống

vô tuyến làm tăng tính khả thi và chi phí hiệu quả Phối hợp nhiều tín hiệu nhận được

sẽ đạt được các lợi ích tức thời khi tăng cường độ tín hiệu nhận được, tuy nhiên côngnghệ MIMO cũng cho phép truyền phát các luồng dữ liệu song song để đạt được thônglượng lớn hơn

Ví dụ, trong một MIMO 2x2 (tức là gồm 2 phần tử phát và thu) với hệ thống điểm 2 phân cực, các tần số cấp cho carrier có thể được sử dụng 2 lần, làm tăng tốc độtruyền dữ liệu gấp 2 lần

điểm-Trong hệ thống điểm-đa điểm sử dụng MIMO, mỗi anten trạm gốc phát đi luồng dữliệu khác nhau và mỗi thiết bị đầu cuối khách 19ong nhận nhiều thành phần của tín

hiệu phát khác nhau với mỗi anten thiết bị thuê bao khách 20ong được minh họa tronghình dưới đây

Bằng cách sử dụng thuật toán thích hợp, thiết bị đầu cuối khách 20ong có thể phân chia

và giải mã các luồng dữ liệu nhận được trong cùng một lúc Chuẩn WIMAX di độngbao gồm công nghệ mã hóa MIMO cho tới 4 anten tại mỗi điểm cuối đường kết nối(4x4 MIMO)

Hình 1.7: Công nghệ anten MIMO

1.4.1.5 Mã hóa không gian-thời gian:

Mã hóa không gian-thời gian (Space-time coding) là kĩ thuật thực hiện phân tập truyềnphát (Transmission diversity) WIMAX sử dụng kĩ thuật phân tập truyền phát trênđường Downlink để phân tập từng phần nhằm tăng cường chất lượng tín hiệu truyềnđến một thuê bao cụ thể nằm tại bất cứ điểm nào trong dải chùm tia anten phát ra Mặc dầu cung cấp độ lợi tín hiệu thấp hơn beam-forming nhưng đối với người sử dụng

di động thì sự phân tập truyền phát càng cần thiết hơn bởi vì nó không yêu cầu các kiếnthức hiểu biết trước về đặc tính truyền dẫn của kênh tần số cụ thể của một thuê bao.Công nghệ STC, được biết đến như Alamouti code, được công bố vào năm 1998 và nóhợp nhất với chuẩn WIMAX

Tạo chum tia (Beam-forming):

Việc truyền phát các tín hiệu đi từ nhiều anten ở các pha cân bằng cụ thể có thể được

sử dụng để tạo 20ong tia hẹp hơn Hiện tượng này gọi là beam-forming

Beam-forming mang đến các cải tiến đáng kể trong ngân sách đường kết nối theo cả 2hướng uplink và downlink bằng cách tăng độ lợi của anten, ngoài ra để làm giảm sựsuy giảm cường độ tín hiệu do tác động bởi nhiễu

Beam-forming yêu cầu thông tin về vị trí của thuê bao đặc biệt là đối với thuê bao đang

di chuyển với tốc độ lớn Tuy nhiên, theo số liệu thống kê mạng Cellular, đa số cácthuê bao hoặc không di chuyển, hoặc di chuyển với tốc độ chậm, vì thế beam-formingmang đến các lợi ích quan trọng cho hầu hết các mô hình sử dụng

Hình 1.8: Beam-forming

Ví dụ, cấu hình beam-forming gồm 4 anten có thể hỗ trợ tăng cường tín hiệu có độ lợi6dB trong khi vẫn cải tiến được tín hiệu truyền phát bị suy giảm Kết quả là beam-forming đem lại khả năng mở rộng hơn, thông lượng cao hơn và tăng khả năng phủ21ong trong nhà (indoor)

Với số lượng trạm gốc ít hơn để đạt được một dung lượng cụ thể trong một hệ thống,beam-forming là công nghệ anten thông minh thứ 3 được hợp nhất trong thông số kĩthuật của WIMAX để tăng dung lượng hệ thống và tính năng trong các mạng di độngbăng thông rộng

1.4.1.6 Điều khiển công suất:

Điều khiển công suất phát thích hợp là một chức năng quan trọng nhằm mục đích đảmbảo chất lượng đường truyền Trong luồng upstream, điều khiển công suất phát thích

ứng được sử dụng để tối đa hóa các mức độ điều khiển tiện ích, nhằm đạt được thônglượng cao nhất trong khi vẫn tiếp tục kiểm soát độ nhiễu đến các cell kế cận

Trong luồng Downstream, các kênh con cụ thể được phân chia luồng công suất khácnhau có thể được sử dụng để cung cấp dịch vụ tốt hơn tới các thuê bao tại các cạnh củacell, trong khi vẫn cung cấp đầy đủ các mức độ tín hiệu tới các thuê bao gần nhất vớitrạm gốc

1.4.1.7 Điều khiển sắp xếp:

Điều khiển sắp xếp là một cơ chế được đặt tại trạm gốc, để quản lí vị trí các gói tin theohướng lên và xuống dựa trên các yêu cầu về lưu lượng và các trạng thái kênh phát tạibất kỳ thời điểm đã định nào

Bảng phân bố các nguồn tài nguyên vô tuyến tại các dải tần số và khoảng thời gian,dựa trên các chỉ tiêu như: tham số QoS dành cho các loại lưu lượng cụ thể, chấp nhậnmức dịch vụ thuê bao cá nhân (SLA) và các trạng thái của các đường dẫn dạngconnection-to-connection…

Do lưu lượng dữ liệu có thể thay đổi đáng kể giữa 2 đường uplink và downlink nêncũng cần hỗ trợ việc cấp phát dữ liệu không đối xứng trong việc thực hiện ghép kênhphân chia thời gian –TDD với các nguồn tài nguyên vô tuyến và ấn định các gói tinđược thực hiện trên mỗi sector trong một khoảng thời gian 22ong thay đổi tùy theo nhucầu thực Cơ chế điều khiển sắp xếp này là một phần của WIMAX di động

1.4.1.8 Điều khiển chấp nhận:

Là một quá trình xác định xem liệu nó có cho phép thiết lập một kết nối mới hay khôngdựa trên: các trạng thái hiện thời của lưu lượng, các nguồn tài nguyên có sẵn và các yêucầu QoS có được Lưu lượng vượt mức trong một cell làm tăng lượng nhiễu tới các celllân cận do đó làm giảm khả năng phủ 22ong của các cell

Điều khiển chấp nhận được sử dụng nhằm chấp nhận hoặc từ chối các yêu cầu kết nối

để duy trì sự nhận dữ liệu của cell trong lượng giới hạn được chấp nhận Chức năngđiều khiển chấp nhận có tại trạm gốc WIMAX hoặc tại cổng mạng dịch vụ truy cập

(ASN) nơi mà các thông tin được nhận về dành cho một số trạm gốc có thể kiểm soátđược.

1.4.1.9 Chất lượng dịch vụ QoS:

Hỗ trợ chất lượng dịch vụ rất cần thiết đối với hệ thống băng rộng không dây với cáckênh được thiết kế để đồng thời cung cấp các dịch vụ thoại, dữ liệu và video Các thuậttoán QoS là cần thiết để đảm bảo việc sử dụng chung kênh không dẫn tới việc làmgiảm chất lượng dịch vụ hoặc các lỗi dịch vụ

Mặc dầu trong thực tế các thuê bao đang 23ong chung một đường kết nối băng thôngrộng với nhiều thuê bao khác nhưng họ mong đợi nhà cung cấp dịch vụ cung cấp cáctính năng ở một mức độ chấp nhận được trong mọi điều kiện

Chuẩn WIMAX di động cung cấp gói công cụ cần thiết để hỗ trợ QoS cho đa ứngdụng Trạm gốc WIMAX định vị các đường uplink và downlink thông qua việc sửdụng một quy trình quản lý lưu lượng Quy trình này phản ánh các nhu cầu về lưulượng và các thông tin về thuê bao cá nhân

Sau đó các thuê bao tổng hợp được triển khai nhằm đảm bảo đáp ứng các tham số QoSứng dụng cụ thể Bảng dưới đây là một bản tóm tắt các loại QoS, các ứng dụng và cáctham số QoS được sử dụng trong chuẩn 802.16e-2005

Hình 1.10: Các tham số QoS

1.5 Ứng dụng của WIMAX :

WIMAX là chuẩn không dây băng thông rộng hỗ trợ cho cả lĩnh vực máy tính vàtruyền thông, với hiệu quả chi phí cao Nó được thiết kế để phục vụ cho nhiều môitrường khác nhau (doanh nghiệp, người 24ong bình thường, hay dịch vụ công cộng),không kể đến vị trí vật lý (vùng thành thị, ngoại ô, hay nông thôn) hay khoảng cáchgần xa

Về kĩ thuật, chuẩn WIMAX được phát triển với nhiều mục tiêu đề ra, tập trung ở tính

đa dụng, hiệu suất cao mà chi phí thấp

 Bảo mật cao :

WIMAX hỗ trợ AES (Advanced Encryption Standard) và 3DES (Triple DataEncryption Standard) Đường truyền giữa SS và BS được mã hoá hoàn toàn,đảm bảo độ tin cậy của dịch vụ Ngoài ra WIMAX hỗ trợ VLAN, đảm bảo tínriêng tư dữ liệu của mỗi người dùng trong cùng BS

 WIMAX QoS :

WIMAX có thể tối ưu truyền các loại dữ liệu khác nhau, dựa trên các loại dịch

vụ là: Unsolicited Grant Service (UGS), Real Time Polling Service (rtPS), NonReal Time Polling Service (nrtPS) và Best Effort (BE)

 Triển khai nhanh :

Triển khai không cần kéo cáp, chỉ cần một dải băng thông, một cột thu phát25ong (antenna) và một thiết bị được cài đặt cùng với nguồn điện, WIMAX cóthể sẵn 25ong hoạt động

Trong đa số các trường hợp, WIMAX có thể triển khai trong vòng một vài giờ,

so sánh với hàng tháng với những giải pháp khác

 Multi-Level-Service :

Quản lý băng thông có thể thực hiện xa hơn dựa trên nền tảng Service LevelAgreement (SLA-mức độ phục vụ chấp nhận được) giữa nhà cung cấp và người25ong cuối Và nhà cung cấp có thể đáp ứng SLA khác nhau cho mỗi người25ong thậm chí trên cùng một SS

 Interoperability-tương tác :

WIMAX dựa trên nền tảng quốc tế, trung lập với nhà sản xuất Điều này thuậnlợi cho người 25ong di chuyển và sử dụng đăng kí của họ ở nhiều vùng khácnhau và hơn nữa là khác nhà cung cấp

Tính tương tác bảo vệ cho nhà điều hành khi sử dụng nhiều thiết bị của các25ong khác nhau trong cùng mạng, chống tính độc quyền và kết quả là giá cảthiết bị giảm đi đáng kể

 Portability-di chuyển được:

Như hệ thống cellular hiện nay, một khi WIMAX SS bật lên, nó sẽ tự động kếtnối với BS, xác định các đặc tính của đường truyền với BS dựa trên cơ sở dữliệu SS đã đăng kí và thực hiện truyền dữ liệu

 Mobility-di động :

 Chuẩn IEEE 802.16e bổ sung ong đặc tính hỗ trợ di động, cho phép tốc độ dichuyển lên đến 160 km/h

 Hiệu quả chi phí :

WIMAX là chuẩn mở mang tính quốc tế, sử dụng các công nghệ chipset chi phíthấp, nên giá thành giảm xuống đáng kể Và kết quả là người 26ong cùng vớinhà cung cấp dịch vụ đều tiết kiệm được chi phí

Ngoài ra WIMAX cho phép người ta có thể di chuyển địa điểm từ ở nhà, vănphòng, trên đường đi hay tất cả mọi nơi trên thế giới mà dịch vụ được cung cấpvẫn không hề ảnh hưởng gì

Để hình dung được khả năng của WIMAX có thể đáp ứng nhu cầu của mọingười như thế nào, ta có thể xem xét một số mô hình ứng dụng của WIMAXtrong mạng nội bộ cũng như ở các dịch vụ công cộng.

1.6 Kết luận chương

Có thể nói WIMAX là chuẩn sẽ được mọi người mong đợi nhất vì tính ưu việt của nótrong thiết kế cũng như trong ứng dụng Hệ thống của WIMAX được tích hợp rất nhiềucông nghệ nhanh và hiệu quả

WIMAX sử dụng các kỹ thuật OFDM và OFDMA nhằm tận dụng tối đa băng thôngtiết kiệm được nguồn tài nguyên về tần số, đồng thời nâng cao tốc độ của đường truyềnđáp ứng được các nhu cầu của các dịch vụ đòi hỏi các ứng dụng thời gian thực

CHƯƠNG 2 : Kĩ thuật OFDM và OFDMA trong WIMAX

2.1 Giới thiệu chương

Trong chương này sẽ trình bày lần lượt các công nghệ của OFDM như cơ sở trực giao,tiền tố vòng CP, biểu tượng Pilot Kế tiếp là kỹ thuật OFDMA trong WIMAX baogồm: cấu trúc biểu tượng OFDM và kênh con hóa, Scalable OFDMA, cấu trúc khungTDD và các đặc tính lớp vật lý cao cấp khác Về phần phân bố Rayleigh và Rice thì sẽtìm hiểu thêm về phân bố của Rayleigh và phân bố Rice

2.2 Công nghệ điều chế OFDM:

2.2.1 Cơ sở của OFDM:

Cơ sở ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM-Orthogonal FrequencyDivision Multiplex) nó chia nhỏ băng thông thành các tần số 28ong mang con Trongmột hệ thống OFDM, luồng dữ liệu đầu vào được chia thành các luồng song song vớitốc độ giảm (và như vậy tăng khoảng thời gian của kí hiệu –sysbol) và mỗi luồng conđược điều chế và truyền trên một 28ong mang con (sub-carrier) trực giao tách biệt.Khoảng thời gian cho mỗi biểu trưng tăng sẽ cải thiện khả năng chống lại trễ lan truyềncủa OFDM

2.2.1.1 Cơ sở trực giao:

Sự trực giao chỉ ra rằng có mối quan hệ toán học chính xác giữa các tần số của các28ong mang trong hệ thống OFDM Trong hệ thống FDM thông thường, nhiều 28ongmang cách nhau một khoảng phù hợp để tín hiệu có thể nhận lại bằng cách sử dụng các

bộ lọc và các bộ giải điều chế thông thường

Trong các máy như vậy, các khoảng bảo vệ cần được dự liệu trước giữa các 28ongmang khác nhau và việc đưa vào các khoảng bảo vệ này làm giảm hiệu quả sử dụngphổ

Tuy nhiên có sự sắp xếp giữa các 28ong mang trong OFDM sao cho các dải biên củachúng che phủ lên nhau mà các tín hiệu vẫn có thể thu được chính xác mà không có sựcan nhiễu giữa các 28ong mang

Muốn như vậy các 29ong mang phải trực giao về mặt toán học Máy thu hoạt động nhưcác bộ gồm các bộ giải điều chế, dịch tần mỗi 29ong mang xuống mức DC, tín hiệunhận được lấy tích phân trên một chu kỳ của sysbol để phục hồi dữ liệu gốc.

Nếu tất cả các 29ong mang khác đều được dịch xuống tần số tích phân của 29ongmang này (trong một chu kỳ sysbol  ), thì kết quả tích phân cho các 29ong mang khác

sẽ bằng 0

Do đó các 29ong mang độc lập tuyến tính với nhau (trực giao) nếu khoảng cách giữacác 29ong là bội số của 1/ Bất kỳ sự phi tuyến nào gây ra bởi can nhiễu bởi các sóngmang ICI (Inter-Carrier-Interference) cũng làm mất đi tính trực giao

 i k

k i

)()(

Như vậy { i(t) }  {sin(n  2t/T), cos(m  2t/T)} với T u T l  T l1

Ngoài ra có thể biểu diễn sự trực giao theo hàm phức:

1 i k

k i 0

* ( ) )

Khoảng cách giữa 2 sóng mang trực giao cạnh nhau sẽ là f  1 /T N

Ở đây dấu * chỉ liên hiệp phức Ví dụ nếu tín hiệu là sin(mx) với m=1,2,3….thì nó trựcgiao trong khoảng từ - đến +

Việc xử lý (điều chế và giải điều chế) tín hiệu OFDM được thực hiện trong miền tần

số, bằng cách sử dụng các thuật toán xử lý tín hiệu số DSP (Digital-Signal-Processing).Trong toán học, số hạng trực giao có được từ việc nghiên cứu các vector Theo địnhnghĩa, hai vector được gọi là trực giao với nhau khi chúng vuông góc với nhau và tích

vô hướng giữa chúng bằng 0

Điểm chính ở đây là ý tưởng nhân 2 hàm số với nhau, tổng hợp các tích và nhận đượckết quả bằng 0

Hình 2.1: Tích của 2 vector trực giao bằng 0.

Nếu chúng ta cộng bán kì âm và dương của dạng 30ong sin ta sẽ có được kết quả bằng

0 Diện tích của 1 sóng sin có thể được viết:

0 ) sin(



Hình 2.2: Giá trị trung bình của 30ong sin bằng 0

Nếu chúng ta nhận hay cộng (tích phân) hai dạng sóng sin có tần số khác nhau ta nhậnđược kết quả bằng 0, nếu cùng tần số thì kết quả khác 0

Hình 2.3: Tích phân của 2 sóng sin khác tần số

Điều này gọi là tính trực giao của dạng sóng sin Nó cho thấy rằng miễn là 2 sóng sinkhác tần số thì tích phân của chúng sẽ bằng 0 Đây chính là cơ sở then chốt của quátrình điều chế OFDM

Nếu 2 sóng sin cùng tần số :

Hình 2.4: Tích phân 2 sóng sin cùng tần số

Nếu 2 sóng sin có cùng tần số như nhau thì dạng sóng hợp thành luôn luôn dương, giátrị trung bình của nó luôn luôn khác 0 Đây chính là cơ sở của quá trình giải điều chếtín hiệu OFDM Các máy thu biến đổi tín hiệu thu được từ miền tần số nhờ sử dụng kĩthuật biến đổi Fourier nhanh (FFT)

Việc giải điều chế chặc chẽ được thực hiện kế tiếp trong miền tần số bằng cách nhânmột sóng mang được tạo ra trong máy thu đơn với một sóng mang được tạo ra trong

máy thu có cùng tần số và pha Sau đó phép tích phân sẽ làm tất cả các 32ong mangbằng 0 ngoại trừ 32ong mang cần điều chế.

2.2.1.2 Tiền tố vòng CP (Cyclic prefix):

Tiền tố vòng CP (Cyclic prefix) có thể hoàn toàn loại bỏ nhiễu xuyên kí tự ISI miễn làthời lượng CP lâu hơn trễ lan truyền CP chính là sự lặp lại phần dữ liệu gồm các mẫucuối của khối được gắn vào trước một tải tin Chính CP chống lại nhiễu liên khối vàlàm kênh quay vòng và cho phép cân bằng miền tần số với độ phức tạp thấp

Hình 2.5: Mô tả tiền tố vòng (Cyclic prefix)

Tuy vậy một hạn chế của CP là nó được thêm vào trước tải tin làm giảm hiệu suất sửdụng băng thông CP không chỉ làm giảm hiệu suất băng thông, ảnh hưởng của CPcũng tương tự như hệ số roll-off trong các hệ thống 32ong mang đơn được lọc cosinnâng

Do OFDM có một phổ “tường gạch” đan xen rất nhọn, một tỉ lệ lớn các băng thôngkênh cấp phát có thể được sử dụng cho truyền số liệu, giúp làm giảm suy hao hiệu suất

do tiền tố vòng CP

OFDM khai thác sự phân tập tần số của kênh đa đường bằng cách mã hoá và chènthông tin trên các 32ong mang con trước khi truyền đi Điều chế OFDM có thể thựchiện được với biến đổi ngược Forrier nhanh –IFFT, phép biến đổi này cho phép một sốlượng lớn các 32ong mang con (lên tới 2048) với độ phức tạp thấp

Trong một hệ thống OFDM, tài nguyên sẵn có trong miền thời gian chính là các sysbolOFDM và trong miền tần số chính là các 33ong mang con Tài nguyên về thời gian vàtần số có thể được tổ chức thành các kênh con (sub-channel) cấp phát cho người 33ong.OFDMA là một nguyên lý đa truy nhập-ghép kênh cung cấp khả năng ghép kênh cácluồng dữ liệu từ nhiều người 33ong trên các kênh con hướng xuống và đa truy nhậphướng lên nhờ các kênh con hướng lên.

2.2.1.3 Biểu tượng pilot:

Các biểu tượng Pilot đóng vài trò quan trọng trong việc cân bằng và ước lượng kênh.Trong quá trình truyền tín hiệu, máy thu và máy phát cần phải báo cho nhau về tìnhtrạng của kênh hay về tham số của bộ giải điều chế được sử dụng cho gói tin đã nhậnđược … thông tin này có thể lấy trong bản 33ong sysbol OFDM nhờ các 33ong mangPilot

2.3 Kĩ thuật OFDMA trong WIMAX:

2.3.1 Cấu trúc biểu tượng OFDMA và kênh con hoá:

Cấu trúc biểu tượng OFDMA gồm 3 loại 33ong mang con như hình 2.6:

 33ong mang con dữ liệu (Dat) cho truyền dữ liệu

 33ong mang con dẫn đường (Pilot) cho mục đích ước lượng và đồng bộ

 33ong mang con vô dụng (Null) không để truyền dẫn, được sử dụng cho cácbăng bảo vệ và các 33ong mang DC

Hình 2.6: Cấu trúc 33ong mang con OFDMA

Các kênh con tích cực (dữ liệu và dẫn đường) được nhóm lại thành các tập con các ongmang con gọi là các kênh OFDMA PHY hỗ trợ kênh con hoá ở cả hướng xuống DL vàhướng lên UL Đơn vị tài nguyên tần số thời gian tối thiểu là một khe bằng với 48 âmđiệu dự liệu (các ong mang con).

Có 2 kiểu hoán vị các kiểu sóng mang con cho kênh con hoá: phân tập (Diversity) vàlân cận (Contiguous) Hoán vị phân tập kéo theo các 34ong mang con ngẫu nhiên tạothành các kênh con Nó cung cấp phân tập tần số và lấy trung bình nhiễu liên tế bào Các hoán vị phân tập gồm DL FUSC (Fully used sub-carrier: 34ong mang con sử dụnghoàn toàn), DL PUSC (Patially used sub-carrier: 34ong mang con sử dụng một phần)

và UL PUSC và các hoán vị tuỳ chọn thêm vào

Với DL PUSC, mỗi cặp biểu tượng OFDM, các 34ong mang con khả dụng được nhómlại thành các cluster chứa 14 sóng mang con lân cận trên mỗi khoảng thời gian của biểutượng, với cấp phát dữ liệu và dẫn đường trong mỗi Cluster trong các biểu tượng chẵn

và lẻ như mô tả ở hình 2.7

Hình 2.7: Tần số DL gồm nhiều kênh con

Một nguyên lý săp xếp lại được sử dụng để tạo thành các nhóm cluster chẳng hạn mỗinhóm được tạo thành bởi các cluster được phân bố qua không gian các 34ong mangcon

Mỗi kênh con trong một nhóm chứa 2 cluster và được tạo bởi 48 sóng mang con và 8sóng mang dẫn đường (Pilot) Các 34ong mang dữ liệu trong mỗi nhóm được tiếp tụchoán vị để tạo thành các kênh con trong phạm vi nhóm

Vì vậy, chỉ các vị trí dẫn đường trong cluster là được biểu thị trong hình 2.8 Các35ong mang con dữ liệu trong các cluster được phân bố cho nhiều kênh con.

Cấu trúc cluster cho DL, một cấu trúc lát (tile) được định nghĩa cho UL PUSC có địnhdạng như hình 2.8

Hình 2.8: Cấu trúc Tile cho đường lên UL PUSC

Không gian 35ong mang con khả dụng sẽ được chia thành các lát (Tile) và 6 lát đượcchọn từ toàn bộ phổ theo nguyên lý hoán vị \ sắp xếp lại Và được nhóm lại với nhautạo thành khe (slot) Một slot gồm 48 sóng mang con dữ liệu và 24 sóng mang con dẫnđường trong 3 biểu tượng OFDM

Hoán vị lân cận nhóm một khối các 35ong mang lân cận tạo thành một kênh con Cáchoán vị lân cận gồm AMC hướng DL và AMC hướng UL có cùng cấu trúc Trong mộtbiểu tượng có 9 sóng mang con lân cận gọi là BIN, với 8 trong số đó được ấn định cho

dữ liệu và một được ấn định cho dẫn đường ( Pilot )

Một slot trong AMC được định nghĩa như một tập các Bin của kiểu (NxM=6), trong đó

N là số các Bin lân cận và M là số các biểu tượng lân cận Do vậy các tổ hợp cho phép

là ( 6 Bin, 1 sysbol )

2.3.2 Scalable OFDMA:

Chế độ OFDM cho mạng không dây diện rộng (Wireless MAN) theo chuẩn IEEE 16-edựa trên kĩ thuật S-OFDMA S-OFDMA hỗ trợ nhiều dải băng thông khác nhau để xácđịnh hoạt động nhu cầu cấp phát phổ khác nhau và các yêu cầu mô hình sử dụng Khả

năng tỉ lệ được hỗ trợ nhờ điều chỉnh kích thước FFT trong khi vẫn giữ nguyên độ rộngbăng tần 36ong mang con là 10.94 Khz

Do vậy băng thông 36ong mang con theo đơn vị tài nguyên và độ dài của sysbol là cốđịnh, ảnh hưởng của các lớp cao hơn cũng được tối thiểu hoá khi lấy tỷ lệ băng thông.Các tham số S-OFDMA được liệt kê trong bảng 1 Các băng thông hệ thống cho 2 hồ

sơ mà nhóm kĩ thuật WIMAX Forum đưa ra lần đầu là 5 và 10 Mhz

Đối với các vấn đề nhiễu, TDD không yêu cầu sự đồng bộ ở diện rộng, trái lại TDD sẽ

ưu tiên chế độ song công bởi các lý do:

 TDD cho phép điều chỉnh tỉ lệ UL/DL để hỗ trợ hiệu quả lưu lượng không đốixứng giữa đường xuống và đường lên (với FDD thì tỉ lệ đường xuống và đườnglên là không đổi và thường là bằng băng thông của đường xuống và đường lên)

 TDD đảm bảo sự trao đổi kênh để: hỗ trợ khả năng điều chỉnh đường truyền,MIMO và các công nghệ anten vòng kín cao cấp khác

 Không như FDD yêu cầu một cặp kênh, TDD chỉ yêu cầu một kênh đơn cho cảđường lên và đường xuống đem lại khả năng điều chỉnh linh động sự cấp pháttần số toàn cục.

 Các thiết kế bộ thu phát để triển khai TDD cũng ít phức tạp và ít tốn kém hơn

Hình 2.9: Cấu trúc khung WIMAX OFDMA

Hình 14 mô tả cấu trúc khung OFDM ở chế độ TDD Mỗi khung được chia thành cáckhung con hướng xuống (DL) và hướng lên (UL) bởi bộ phát/thu và thu/phát (TTG vàRTG ) để tránh xung đột giữa hướng lên và hướng xuống Trong một khung, thông tinđiều khiển 37ong để đảm bảo hoạt động hệ thống được tối ưu:

 Phần đầu khung (Preamble): là biểu tượng OFDM đầu tiên của khung 37ong

để đồng bộ

 Tiêu đề điều khiển khung (FCH): FCH nằm sau phần mở đầu khung Nó cho

biết thông tin cấu hình khung như độ dài bản tin MAP, nguyên lý mã hoá vàcác kênh con khả dụng

 DL-MAP và UL-MAP: DL-MAP và UL-MAP cho biết cấp phát kênh con và

các thông tin điều khiển khác lần lượt cho các khung con DL và UL

 Sắp xếp UL: kênh con sắp xếp cho UL được cấp phát cho trạm di động MS để

thực hiện điều chỉnh: thời gian vòng kín, tần số và công suất cung cấp cũng nhưyêu cầu băng thông

 UL CQICH: kênh UL CQICH cấp phát cho MS để phản hồi trạng thái kênh.

 UL ACK: kênh UL ACK cấp cho MS để xác nhận phản hồi DL HARQ.

2.3.4 Các đặc tính lớp vật lý cao cấp khác:

WIMAX di động đưa ra các kĩ thuật: AMC-điều chế thích nghi và mã hoá, HARQ-yêucầu tự động lặp lại tự động lại kiểu kết hợp, CQICH-phản hồi kênh nhanh để nâng caokhả năng phủ 38ong, dung lượng cho WIMAX trong các ứng dụng di động

Trong WIMAX di động ở đường xuống, bắt buộc phải có các hỗ trợ điều chế QPSK,

16 QAM và 64 QAM, còn ở đường lên, 64 QAM là tuỳ chọn Cả mã hoá vòng và mãhoá Turbo vòng với tốc độ mã thay đổi và mã lặp cũng được hỗ trợ

Ngoài ra, mã khối Turbo và mã kiểm tra chẵn lẻ mức độ thấp (LDPC) cũng được hỗ trợtuỳ chọn Bảng 2 tổng kết các nguyên lý mã hoá và điều chế hỗ trợ trong WIMAX diđộng (điều chế và mã hoá hướng lên tuỳ chọn được in nghiêng)

Sự tổ hợp các kĩ thuật điều chế và các tốc độ mã đem lại sự tinh phân giải tốc độ dữliệu như minh hoạ trong bảng 3 (với độ rộng các kênh là 5 Mhz và 10 Mhz với cáckênh con PUSC), độ dài khung là 5ms

Mỗi khung có 48 biểu trưng OFDM gồm 44 biểu trưng OFDM sẵn 38ong để truyền dữliệu Các giá trị được đánh dấu màu là để chỉ các tốc độ cho kĩ thuật 64 QAM tuỳ chọn

ở đường lên

Bộ lập lịch trạm gốc xác định tốc độ dữ liệu phù hợp cho mỗi cấp phát cụm (burst) dựatrên kích thước bộ đệm và điều khiển truyền sóng ở phía thu,…Một kênh chỉ thị chấtlượng kênh (CQI-channel quality indicator) được sử dụng để cung cấp thông tin trạngthái kênh từ thiết bị đầu cuối người 39ong đến bộ lập lịch trạm gốc.

Thông tin trạng thái kênh tương ứng từ kênh CQICH gồm: CINR vật lý, CINR hiệuquả, lựa chọn chế độ MIMO và lựa chọn kênh con lựa chọn tần số Với kĩ thuật TDD,khả năng điều chỉnh kênh lợi dụng ưu điểm khả năng trao đổi kênh để cung cấp thôngtin chính xác hơn về tình trạng kênh

WIMAX di động cũng hỗ trợ HARQ HARQ được phép sử dụng giao thức “dừng vàđợi ” N kênh để cung cấp khả năng đáp ứng nhanh để đóng gói lỗi và cải tiến khả năngphủ 39ong đường biên cell