công nghệ wimax và ứng dụng tại thành phố thái nguyên

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Wimax thực hiện việc truyền tải dữ liệu tốc độ cao không dây bằng sóng siêu cao tần theo độ chuẩn IEEE 802.16 với khoảng cách rất lớn, Wimax được phát

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP



LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

CÔNG NGHỆ WIMAX VÀ ỨNG DỤNG

NGUYỄN XUÂN THÔNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Học viên: Nguyễn Xuân Thông

Người HD khoa học: PGS.TS.Nguyễn Văn Khang

Thái Nguyên, 2011

TRƯỜNG ĐẠI HỌC

KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Học viên: Nguyễn Xuân Thông

Lớp: Cao học - K11

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Văn Khang

Ngày giao đề tài: 10 tháng 10 năm 2010

Ngày hoàn thành: 10 tháng 10 năm 2010

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS Nguyễn Văn Khang

HỌC VIÊN

Nguyễn Xuân Thông

BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ĐẠI HỌC

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và là công trình nghiên cứu của riêng tôi, luận văn này không giống hoàn toàn bất cứ luận văn hoặc các công trình đã có trước đó

Thái Nguyên, ngày 22 tháng 11năm 2011

Tác giả luận văn

Nguyễn Xuân Thông

Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn!

Tác giả luận văn

Nguyễn Xuân Thông

MỤC LỤC

THUYẾT MINH i

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT i

LỜI CAM ĐOAN ii

LỜI CẢM ƠN iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC HÌNH VẼ vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU viii

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ix

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN - 1 -

1.1 Đặt vấn đề - 1 -

1.2 Mục tiêu nghiên cứu - 1 -

1.3 Nội dung chính - 1 -

1.4 Phương pháp nghiên cứu: - 2 -

CHƯƠNG II CƠ SỞ MẠNG TRUY NHẬP BĂNG RỘNG WIMAX - 3 -

2.1 Tổng quan về WiMAX - 3 -

2.1.1 Diễn đàn WiMAX - 3 -

2.1.2 Các đặc điểm của WiMAX - 3 -

2.1.3 Chuẩn IEEE 802.16 - 4 -

2.1.4 Các định dạng của diễn dàn WiMAX - 10 -

2.1.5 Các mô hình ứng dụng - 12 -

2.1.6 So sánh WiMAX 802.16-2004 và 802.16e - 15 -

2.1.7 Băng tần cho WiMAX - 18 -

2.2 CÁC KỸ THUẬT ĐƯỢC ỨNG DỤNG TRONG WIMAX - 21 -

2.2.1 Giới thiệu - 21 -

2.2.2 Kỹ thuật OFDM - 21 -

2.2.3 Kỹ thuât OFDMA - 26 -

2.2.4 Điều chế - 31 -

2.2.5 Công nghệ sửa lỗi - 33 -

2.2.6 Điều khiển công suất - 33 -

2.2.7 Các công nghệ anten tiên tiến - 33 -

2.3 Kết luận - 36 -

CHƯƠNG III: CÔNG NGHỆ WIMAX - 37 -

3.1 Mô hình tham chiếu - 37 -

3.2 Lớp điều khiển truy nhập môi trường (MAC) - 38 -

3.2.1 Kết nối và địa chỉ - 39 -

3.2.2 Lớp con hội tụ MAC - 40 -

3.2.3 Lớp con phần chung MAC - 41 -

3.2.5 Cơ chế lập lịch dịch vụ và chất lượng dịch vụ (QoS) - 46 -

3.2.6 Lớp con bảo mật - 47 -

3.3 Lớp vật lý - 47 -

3.4 Cấu hình mạng - 49 -

3.4.1 Cấu hình điểm-đa điểm PMP - 49 -

3.4.2 Cấu hình mắt lưới MESH - 49 -

3.5 Kiến trúc mạng WIMAX - 51 -

3.5.1 Kiến trúc mạng - 51 -

3.5.2 Quá trình vào mạng - 54 -

3.6 Một số nguyên lí cơ bản trong triển khai mạng WiMAX - 56 -

3.7 Kết luận - 57 -

CHƯƠNG IV - 58 -

GIẢI PHÁP MẠNG WIMAX CHO THÀNH PHỐ THÁI NGUYÊN - 58 -

4.1 Khảo sát thực tế và yêu cầu - 58 -

4.1.1 Đặc điểm tự nhiên - 58 -

4.1.2 Nhu cầu truy nhập băng rộng tại Thái nguyên - 59 -

4.1.3 Các khả năng triển khai công nghệ mạng WiMAX - 60 -

4.2 Thiết kế mạng Wimax di động cho thành phố Thái Nguyên - 67 -

4.2.1 Lựa chọn băng tần - 67 -

4.2.2 Quy hoạch vùng phủ vô tuyến và dung lượng - 68 -

4.2.3 Tính toán vùng phủ sóng và dung lượng - 74 -

4.2.4 Quy hoạch mạng truy nhập vô tuyến - 78 -

4.2.5 Quy hoạch mạng truyền dẫn vô tuyến WiMAX - 79 -

4.2.6 Quy hoạch mạng lõi - 80 -

4.2.7 Triển khai mạng WiMAX trên mạng hiện tại - 81 -

4.2.8 Nhiễu kênh lân cận giữa các nhà khai thác - 82 -

4.3 Lựa chọn thiết bị - 84 -

4.3.1 Mô tả ULAP Wi4 của Motorola - 84 -

4.3.2 Cấu hình một số dịch vụ - 92 -

4.4 Kết luận - 96 -

PHẦN KẾT LUẬN - 97 -

TÀI LIỆU THAM KHẢO - 98 -

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2.1 : Các chuẩn của IEEE 802.16 - 5 -

Hình 2.2: Mô hình mạng Mesh trong WiMAX - 8 -

Hình 2.3 :Mô hình ứng dụng WiMAX cố định - 13 -

Hình 2.4: Mô hình ứng dụng WiMAX di động - 14 -

Hình 2.5 So sánh giữa FDM và OFDM - 22 -

Hình 2.6 Sơ đồ khối hệ thống OFDM - 23 -

Hình 2.7 Khái niệm về chuỗi bảo vệ - 24 -

Hình 2.8 ISI và cyclic prefix - 25 -

Hình 2.9 Tách chuỗi bảo vệ - 25 -

Hình 2.10 ODFM và OFDMA - 27 -

Hình 2.11 Ví dụ của biểu đồ tần số, thời gian với OFDMA - 28 -

Hình 2.12 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 - 29 -

Hình 2.13 6 mẫu nhảy tần trực giao với 6 tần số nhảy khác nhau - 29 -

Hình 2.14 Tổng quan hệ thống sử dụng OFDM - 30 -

Hình 2.15 Mẫu tín hiệu dẫn đường trong OFDMA - 31 -

Hình 2.16 Điều chế thích ứng - 31 -

Hình 2.17 MISO - 34 -

Hình 2.18 MIMO - 35 -

Hình 2.19 Beam Shaping - 35 -

Hình 2.20 AAS đường xuống - 36 -

Hình 3.1 Mô hình tham chiếu - 37 -

Hình 3 2 Chức năng các lớp trong mô hình phân lớp chuẩn IEEE 802.16 - 38 -

Hình 3.3 Luồng dữ liệu qua các lớp - 38 -

Hình 3.4 Định dạng MAC PDU - 42 -

Hình 3.5 Định dạng của tiêu đề MAC PDU chung - 42 -

Hình 3.6 Định dạng tiêu đề yêu cầu dải thông - 44 -

Hình 3.7 Cấu hình PMP - 49 -

Hình 3.8 Cấu hình mesh - 50 -

Hình 3.9 Mô hình truyền thông của WiMAX - 51 -

Hình 3.11 Các thực thể và nhóm chức năng trong mạng - 53 -

Hình 3.12 Quá trình vào mạng - 56 -

Hình 4.1 Bản đồ hành phố Thái nguyên - 59 -

Hình 4.3 WSP Backhaul - 61 -

Hình 4.4 Mạng ngân hàng - 62 -

Hình 4.5 Mạng giáo dục - 63 -

Hình 4.6 Mô hình an toàn cho các truy nhập công cộng - 63 -

Hình 4.7 Kết nối nhiều khu vực - 64 -

Hình 4.8 Các công trình xây dựng - 64 -

Hình 4.9 Các khu vực công cộng - 65 -

Hình 4.10 Mạng truy nhập WSP - 66 -

Hình 4.11 Triển khai ở vùng nông thôn xa xôi hẻo lánh - 67 -

Hình 4.12 Các vệt phủ của cell cho các dịch vụ khác nhau - 68 -

Hình 4.13: Triển khai mạng truy cập WiMAX - 82 -

Hình 4.14: Nhiễu kênh lân cận đường lên từ MS ô Macro đến BS ô Micro - 83 -

Hình 4.16: Cấu hình cell điển hình (4 sector) - 85 -

Hình 4.17: Module thuê bao ngoài trời - 86 -

Hình 4.18 : Cấu hình đa sector của ULAP - 87 -

Hình 4.19 Dịch vụ truyền file FTP - 93 -

Hình 4.20 Dịch vụ duyệt Web internet - 94 -

Hình 4.21 Dịch vụ VOIP PC-to-PC - 95 -

Hình 4.22: Dịch vụ VOIP với VOIP server và Voice Gateway (TNPT) - 95 -

Hình 4.23 Dịch vụ Game trực tuyến - 96 -

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: So sánh các chuẩn 802.16 - 8 -

Bảng 2.2: các định dạng đã chứng nhận của điễn đàn WiMAX - 11 -

Bảng 2.3 Thông số điều chế OFDM - 32 -

Bảng 3.1 Các trường tiêu đề MAC chung - 42 -

Bảng 3.2 Các trường tiêu đề MAC yêu cầu dải thông - 44 -

Bảng 3.3 Đặc tả vật lý chuẩn IEEE 802.16 - 48 -

Bảng 4.1: Tính toán quỹ đường lên cho dịch vụ tiếng 128kbps - 72 -

Bảng 4.2: Tính toán quỹ đường xuống cho dịch vụ số liệu 2048kbps - 73 -

Bảng 4 3: Quan hệ giữa diện tích cell và bán kính - 75 -

Bảng 4.4: Nhu cầu trung bình giờ cao điểm của người sử dụng - 76 -

Bảng 4.5: Kết quả quy hoạch dung lượng - 77 -

Bảng 4.6: Tổng hợp những đặc tính kỹ thuật chính của ULAP - 88 -

Bảng 4.7: Đặc tính kỹ thuật vô tuyến của ULAP - 89 -

Bảng 4.8: Các thông số kỹ thuật Module và Anten thuê bao - 90 -

Bảng 4.9: Đặc tính kỹ thuật anten của ULAP - 91 -

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Account

Nhận thực, cấp phép và lập tài khoản

của một thuê bao/tháng

CCMP Cipher Block Chaining Message

kênh

rộng

nhanh

FDMA Frequence Division Mutiplexing

tập vĩ mô

Kỹ thuật sử dụng nhiều ten phát và nhiều ăng-ten thu

ăng-để truyền và nhận dữ liệu

mạng

PKM Protocal of Key Management Phương thức quản lý khóa

đầu thu

dụng có thể di chuyển được

Protocol đơn giản

WAC Wireless Access Controlle Điều khiển truy cập không

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

1.1 Đặt vấn đề

Wimax thực hiện việc truyền tải dữ liệu tốc độ cao không dây bằng sóng siêu cao tần theo độ chuẩn IEEE 802.16 với khoảng cách rất lớn, Wimax được phát triển dựa trên nền tảng công nghệ ghép kênh chia theo tần số trực giao vì thế các nhà cung cấp dịch vụ có thể dễ dàng cung cấp cho khách hàng dịch vụ truy nhập không dây

Hiện nay, công nghệ Wimax đã có phiên bản đầu tiên dựa trên toàn bộ chuẩn IEEE 802 16 - 2004 đang được thử nghiệm và chế tạo chipset Giai đoạn phát triển tiếp theo của Wimax được dựa trên bộ chuân IEEE 802.16e Giống như Wi- fi, Wimax

có thể kết nối băng thông rộng cho cả khách hàng sử dụng máy tính xách tay trong phạm vi điểm nóng truy cập hoặc trong một toà nhà có thể di chuyển mà vẫn giữ được kết nối băng rộng

Việc sử dụng công nghệ Wimax đem lại nhiều lợi ích, nhất là ở khu vực nông thôn, vùng sâu, vùng xa và những nơi dân cư đông đúc khó triển khai hạ tầng cơ sở mạng dây dẫn băng rộng Vì thế, Wimax được xem như công nghệ có hiệu quả kinh

tế cao cho việc triển khai nhanh trong các khu vực mà các công nghệ khác khó có thể cung cấp dịch vụ băng thông rộng

Theo đánh giá của các chuyên gia, Wimax sẽ nhanh chóng vượt qua các công nghệ hiện có như Wi- Fi hay 3G, bởi khả năng kết nối băng thông rộng tốc độ cao trong phạm vi rộng lớn hơn Hơn nữa, việc cài đặt Wimax dễ dàng, tiết kiện chi phí cho các nhà cung cấp dịch vụ và giảm giá thành dịch vụ cho người sử dụng

Việc nghiên cứu công nghệ WIMAX và các giải pháp triển khai thực tế là một yêu cầu cấp thiết đối với các nhà nghiên cứu và cung cấp dịch vụ

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là:

- Nghiên cứu các đặc điểm công nghệ WIMAX và các yêu cầu triển khai

- Đưa ra giải pháp thiết kế hệ thống mạng WIMax cho thành phố Thái Nguyên

1.3 Nội dung chính

Luận văn này nghiên cứu một cách tổng quan nhất về công nghệ WiMAX , mô hình ứng dụng và các vấn đề kỹ thuật cơ bản cần quan tâm khi tiến hành thiết kế, triển khai mạng WiMAX vào thực tế Chương 4 của luận văn tập trung nghiên cứu và xây dựng mạng Wimax ứng dụng cho thành phố Thái Nguyên

Bố cục của luận văn gồm 4 chương:

Chương I: Trình bày tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương II: Trình bày các kiến thức tổng quan về mạng truy nhập Wimax, cơ sở

về lý thuyết OFDM và các chuẩn Wimax, các kỹ thuật triển khai trong Wimax

Chương III: Nghiên cứu kiến thức tổng quan về mô hình tham chiếu, cấu trúc của mạng Wimax

Chương IV: Trình bày phương pháp tính toán thiết kế mạng Wimax áp dụng cho thành phố Thái Nguyên

1.4 Phương pháp nghiên cứu:

Nghiên cứu tổng quan và các đặc điểm chính, then chốt của mạng truy nhập băng rộng Wimax

Tính toán vùng phủ, đưa ra phương án quy hoạch hệ thống mạng truy nhập băng rộng Wimax cho thành phố Thái Nguyên

CHƯƠNG II CƠ SỞ MẠNG TRUY NHẬP BĂNG RỘNG WIMAX

2.1 Tổng quan về WiMAX

WiMAX (Worldwide Interoperability of Microwave Access) là hệ thống truy nhập vi ba có tính tương thích toàn cầu dựa trên cơ sở tiêu chuẩn IEEE 802.16 WirelessMAN (Wireless Metropolitan Area Network) Họ 802.16 này đưa ra những tiêu chuẩn, chỉ tiêu kỹ thuật nhằm tập trung giải quyết các vấn đề trong mạng vô tuyến băng rộng điểm – đa điểm về giao diện vô tuyến bao gồm: Lớp điều khiển truy cập môi trường (MAC) và lớp vật lý (PHY)

Công nghệ WiMAX, là công nghệ không dây băng thông rộng đang phát triển rất nhanh với khả năng triển khai trên phạm vi rộng và được coi là có tiềm năng to lớn để trở thành giải pháp “dặm cuối” lý tưởng nhằm mang lại khả năng kết nối Internet tốc

độ cao tới các gia đình và công sở

Diễn đàn đã hợp tác chặt chẽ với các nhà cung cấp và các cơ quan quản lý Đảm bảo các hệ thống được diễn đàn phê chuẩn sẽ đáp ứng các yêu cầu của khách hàng và của các chính phủ nhằm loại bỏ các rào cản tiến tới việc chấp nhận rộng rãi công nghệ truy cập vô tuyến băng rộng BWA (Broadband Wireless Access), vì riêng một chuẩn thì không đủ để khuyến khích việc chấp nhận rộng rãi một công nghệ

2.1.2 Các đặc điểm của WiMAX

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

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

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

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

Dải tần làm việc 2-11GHz và từ 10-66GHz hiện đã và đang được tiêu chuẩn hoá Trong WiMAX hướng truyền tin được chia thành hai đường lên và xuống Đường lên có tần số thấp hơn đường xuống và đều sử dụng công nghệ OFDM

WiMAX sử dụng điều chế nhiều mức thích ứng từ BPSK, QPSK đến 256-QAM kết hợp các phương pháp sửa lỗi dữ liệu như ngẫu nhiên hoá, với mã hoá sửa lỗi Reed Solomon, mã xoắn tỷ lệ mã từ 1/2 đến 7/8

Độ rộng băng tần của WiMAX từ 5MHz đến trên 20MHz được chia thành nhiều băng con Với công nghệ OFDMA, cho phép nhiều thuê bao có thể truy cập đồng thời một hay nhiều kênh một cách linh hoạt để đảm bảo tối ưu hiệu quả sử dụng băng tần Cho phép sử dụng cả hai công nghệ TDD (time division duplexing) và FDD (frequency division duplexing) cho việc phân chia truyền dẫn của hướng lên (uplink)

và hướng xuống (downlink)

Hệ thống WiMAX được phân chia thành 4 lớp con : Các lớp này tương đương với hai lớp dưới của mô hình OSI và được tiêu chuẩn hoá để có thể giao tiếp với nhiều ứng dụng lớp trên

2.1.3 Chuẩn IEEE 802.16

WiMAX dựa trên tiêu chuẩn 802.16 của IEEE và HiperMAN của ETSI

IEEE 802.16-2001: Chuẩn này được xây dựng từ tháng 9/2000 và được IEEE

thông qua vào tháng 12/2001 802.16-2001 xác định giao diện vô tuyến gồm lớp MAC

và PHY của hệ thống truy nhập vô tuyến cố định điểm – đa điểm với những mục đích: Cho phép triển khai nhanh chóng và rộng rãi các hệ thống truy nhập vô tuyến băng rộng với chi phí hiệu quả

Đảm bảo khả năng tương thích giữa các thiết bị truy nhập vô tuyến băng rộng của các hãng khác nhau

Tăng tốc quá trình thương mại hóa, phổ cập truy nhập vô tuyến băng rộng, đưa ra các giải pháp thay thế cho truy nhập băng rộng hữu tuyến

Hình 2.1 : Các chuẩn của IEEE 802.16

IEEE 802.16.2-2001 Đề cập vào tháng 10/2007 tập trung vào giải quyết vấn đề can nhiễu.trong dải hoạt động cố định 10 – 66GHz nhƣng đặc biệt quan tâm tới dải từ 23.5-43.5GHz

IEEE802.16 Con 1-2003: chuẩn này công bố sự phù hợp về thực thi giao diện

không gian MAN-SC vô tuyến trong dải 10-66GHz Tiêu chuẩn này công bố sự phù hợp về thực thi giao thức các chỉ tiêu kỹ thuật phù hợp của các trạm gốc và các trạm thuê bao dựa trên giao diện không gian MAN-SC (10-66GHz) đƣợc xác định trong tiêu chuẩn 802.16

IEEE 802.16 Con 2-2003: Tiêu chuẩn này giới thiệu cấu trúc thiết bị đo và mục

đích đo ,kiểm tra sự phù hợp các chỉ tiêu kỹ thuật của các trạm gốc và các trạm thuê bao dựa trên giao diện không gian đƣợc xác định trong chuẩn 802.16

IEEE 802.16a đƣợc thông qua tháng 1/2003.phiên bản này bổ sung cho thiếu

sót của 802.16-2001 với việc bổ xung thêm dải tần số 2- 11 GHz Giúp cho việc

truyền sóng trong môi trường có vật cản và bị che khuất đễ dàng hơn.,bổ sung các kỹ thuật cho lớp vật lý giúp tối ưu kênh truyền theo bằng tần của ứng dụng

IEEE 802.16b: Chuẩn này hoạt động trên băng tầng từ 5 – 6 Ghz với mục đích

cung ứng dịnh vụ với chất lượng cao (QoS) Cụ thể chuẩn ưu tiên truyền thông tin của những ứng dụng video, thoại, real-time thông qua những lớp dịch vụ khác nhau Chuẩn này sau đó đã được kết hợp vào chuẩn 802.16a

IEEE 802.16c được chấp nhận vào tháng 12/2002 đây là bản sửa đổi của chuẩn

802.16-2001 Chuẩn này định nghĩa thêm các profile mới cho dải băng tầng từ 66GHz với mục đích cải tiển thao tác gữa các phần(interoperability)

10-IEEE 802.16-2004 hay 10-IEEE 802.16d được 10-IEEE thông qua tháng 6/2004

Chuẩn này sử dụng băng tầng có bản quyền từ 2 – 11 Ghz Đây là băng tầng thu hút được nhiều quan tâm nhất vì tín hiệu truyền có thể vượt được các chướng ngại trên đường truyền 802.16a còn thích ứng cho việc triển khai mạng Mesh mà trong đó một thiết bị cuối (terminal) có thể liên lạc với BS thông qua một thiết bị cuối khác Với đặc tính này, vùng phủ sóng của 802.16a BS sẽ được mở rộng

IEEE 802.16-2004 Tập trung vào các ứng dụng cố định và lưu trú trong dải tần

số 2 -11 GHz Hai kỹ thuật điều chế đa sóng mang được hỗ trợ trong 802.16-2004: OFDM với 256 sóng mang và

OFDMA với 2048 sóng mang

Các hồ sơ chứng nhận đầu tiên của Diễn đàn WiMAX đều dựa trên OFDM, như được định nghĩa trong phiên bản này của tiêu chuẩn Các thiết bị WiMAX hiện tại có trên thị trường là dựa trên chuẩn này

IEEE 802.16e được thông qua tháng 12/2005 Diễn đàn WiMAX sẽ bắt đầu quá

trình chứng nhận thiết bị ban đầu trong các băng tần 3.3 đến 3.8 GHz và 5.7 đến 5.8 GHz.Với khả năng đáp ứng cả các ứng dụng cố định cũng như các dịch vụ di động, nên còn được gọi là WiMAX di động Chuẩn này đã và đang được thử nghiệm ở nhiều nước Hiện tại, WiMAX di động "Wave 2" dùng 2 ăng-ten phát và 2 ăng-ten thu đã cho tốc độ tối đa tầm 75Mbps

IEEE 802.16e: Hỗ trợ cho việc khai thác sự kết hợp giữa dịch vụ cố định và di động tại các tần số dưới 6 GHz

Tiêu chuẩn này mở ra sự hỗ trợ SOFDMA (một biến thể của OFDMA), nó tính đến số lượng các sóng mang có thể biến đổi, ngoài các phương thức OFDM và OFDMA đã được định nghĩa trước đây Việc gán sóng mang trong các phương thức

OFDMA được thiết kế để giảm thiểu tác động của can nhiễu tới thiết bị người dùng với các anten toàn hướng

Tăng cường hỗ trợ cho MIMO (Multiple Input Multiple Output) và các hệ thống anten thích nghi (AAS), cũng như chuyển vị (handoff) cứng và mềm Nó cũng

đã cải thiện được các khả năng tiết kiệm nguồn cho các thiết bị di động và các tính năng an toàn mạnh hơn Cả hai sản phẩm dựa trên OFDM và trên OFDMA đều có thể tận dụng các dung lượng mới mở rộng

Trong phần sau, chúng ta coi các định dạng của 802.16e WiMAX chủ yếu như là việc chấp nhận SOFDMA, còn các định dạng 802.16-2004 như là việc sử dụng OFDM với 256 sóng mang Phiên bản mới của tiêu chuẩn 802.16 có tính tương thích ngược, cho nên các yêu cầu kỹ thuật mới của phương thức OFDM là tương thích với các phiên bản trước Tuy nhiên, các hương thức OFDM và SOFDMA sẽ không tương thích nếu chúng dựa trên hai kỹ thuật điều chế khác nhau Kết quả là, loại CPE của OFDM chế độ đơn mode (single mode) sẽ không làm việc được trong một mạng SOFDMA và ngược lại, một CPE của SOFDMA sẽ không làm việc trong một mạng OFDM

IEEE 802.16j: Bây giờ IEEE đang bắt tay vào chuẩn hóa 802.16j để phục vụ cho

việc Relay (WiMAX Mesh network)

Hình 2.2: Mô hình mạng Mesh trong WiMAX

Lợi ích của việc dùng những relay BS đã được liệt kê trong hình vẽ Có thể kể đến các lợi ích sau:

Thay vì liên lạc trực tiếp với BS, người dùng có thể liên lạc thông qua nhiều Relay BS với đường truyền tốt hơn và tốc độ cao hơn, hiệu quả truyền cao hơn, v.v Relay BS có thể dùng để tăng vùng phủ sóng của mạng WiMAX (relay BS rẻ hơn lắp đặt BS WiMAX)

Người dùng sẽ không cần tiêu tốn một năng lượng lớn để liên lạc với BS (tiết kiệm năng lượng tiêu thụ ở thiết bị di động)

802.16m: Đang được nghiên cứu và chuẩn hóa Chuẩn này hướng tới tăng tốc độ

truyền của WiMAX lên 1Gbps bằng cách dùng MIMO trên nền công nghệ đa truy nhập OFDMA với số lượng ăngten phát và thu nhiều hơn WiMAX di động « Wave 2

» 802.16m trang bị 4 ăng-ten phát và 4 ăng-ten thu sẽ có thể đẩy tốc độ truyền lên lớn hơn 350Mbps,và vẫn tương thích với WiMAX cố định và di động đã và đang được triển khai Theo dự kiến, WiMAX Release 2 với sự hoàn thiện của 802.16m sẽ hoàn thành vào cuối năm 2009 và có thể bắt đầu triển khai dịch vụ từ 2010

<=70 MHz Kênh 20 MHz

15 Mbps (max

75 Mbps) Kênh 5 MHz Điều chế

QPSK, 16QAM, 64QAM

sóng mang con QPSK

,16QAM ,64QAM

OFDM 256 sóng mang con, BPSK QPSK

,16QAM,64QAM

OFDM 512/1024/2048 BPSK,QPSK ,16QAM ,64QAM

WiMAX 802.16-2004 Chuẩn này dựa trên phiên bản 802.16-2004 của IEEE

802.16 và ETSI - HiperMAN Nó sử dụng Ghép kênh Phân chia theo tần số trực giao (OFDM -Orthogonal Frequency Division Multiplexing), hỗ trợ truy nhập cố định và di trú trong các môi trường Trực thị (LOS - Line of Sight ) và Không trực thị (NLOS – Non Line of Sight) Các hãng sản xuất đang triển khai Thiết bị khách hàng (CPE) trong nhà và ngoài trời và thẻ PCMCIA cho laptop Các định dạng (profile) ban đầu của Diễn đàn WiMAX trong băng tần 3,5 GHz và 5,8 GHz Các sản phẩm được chứng nhận đầu tiên đã xuất hiện vào cuối năm 2005

WiMAX 802.16e Tối ưu hoá cho các kênh vô tuyến di động, phiên bản này dựa

trên sự hiệu chỉnh 802.16e và hỗ trợ chuyển vị (handoff) và chuyển vùng (roaming)

Nó sử dụng Truy nhập ghép kênh phân chia theo tần số trực giao có thể mở rộng thang độ (SOFDMA – Scalable Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access), một kỹ thuật điều chế đa sóng mang có sử dụng tạo kênh phụ (sub-channelization) Các nhà cung cấp dịch vụ đang triển khai 802.16e cũng có thể sử dụng mạng này để cung cấp dịch vụ cố định Việc cấp chứng chỉ dự kiến sẽ được bắt đầu vào giữa năm 2006, khi khai trương các phòng thí nghiệm chứng nhận WiMAX

di động, với các sản phẩm được cấp chứng chỉ đầu tiên đã có mặt năm 2007

Điểm khác nhau giữa IEEE 802.16 và công nghệ WiMAX

Mục tiêu chính của Diễn đàn WiMAX là tạo ra một chuẩn tương thích từ chuẩn 802.16 của IEEE và các chuẩn HiperMAN của ETSI Điều này sẽ thực hiện được nhờ việc hình thành các mô tả hệ thống Dựa trên những gì mà Diễn đàn WiMAX xem xét

về các điều khoản của nhà cung cấp dịch vụ và các kế hoạch thiết bị của các nhà cung cấp, Diễn đàn WiMAX đã quyết định tập trung trước tiên vào các mô tả cho phương thức PHY OFDM 256 của chuẩn 802.16 năm 2004, được IEEE thông qua vào tháng 6/2004 Lớp vật lý (PHY) sẽ được kết hợp với một bộ điều khiển truy nhập phương tiện (MAC) độc lập đảm bảo một nền tảng thống nhất cho tất cả những triển khai WiMAX

Tuân thủ theo chuẩn 802.16 không có nghĩa là thiết bị được Diễn đàn WiMAX chứng nhận hoặc có thể tương thích với các thiết bị của các nhà cung cấp khác Tuy nhiên nếu một thiết bị tuân thủ thiết kế được Diễn đàn WiMAX chứng nhận thì vừa tuân thủ chuẩn 802.16 và tương thích với cả thiết bị của các nhà khai cấp khác

2.1.4 Các định dạng của diễn dàn WiMAX

Việc lựa chọn các định dạng được thúc đẩy bởi nhu cầu thị trường, độ khả dụng của phổ tần, những ràng buộc về chính sách, các dịch vụ cần cung cấp và đầu tư của công ty

Ví dụ như, tính khả dụng phổ tần cho các dịch vụ vô tuyến băng rộng ở một số nước là động lực thúc đẩy việc tạo ra các định dạng ban đầu trong băng tần 3,5 GHz Tính khả dụng của các phổ miễn phép và nhu cầu về các dịch vụ cố định đã quyết định việc tạo ra một định dạng trong băng tần 5,8 GHz Nhu cầu về các dịch vụ

di động và tính khả dụng phổ làm cho các băng tần 2,3 GHz và 2,5 GHz chắc chắn trở thành mục tiêu cho các định dạng của 802.16e Các định dạng của Diễn đàn WiMAX được xác định bởi các tham số sau đây:

Dải phổ: băng tần được dùng cho dịch vụ WiMAX do các tổ chức quản lý cung cấp Hiện tại có 2 loại băng tần dành cho WiMAX là:

Băng tần cấp phép: 2.3 – 2.6 GHz và 3.3 – 3.6 GHz

Băng tần không cấp phép 5.7 -5.8 GHz

Song công Hai tuỳ chọn sẵn có: Song công phân chia theo thời gian (TDD) cho

các nhà khai thác có phổ không cặp đôi hoặc phổ miễn phép, và Song công Chia theo Tần số (FDD) FDD đòi hỏi hai kênh, một cho lưu lượng tuyến lên và kênh kia cho lưu lượng tuyến xuống Trong một mạng TDD, lưu lượng chỉ chiếm một kênh duy nhất với lưu lượng tuyến lên và tuyến xuống được gán các khe thời gian khác nhau

Độ rộng (Băng thông) kênh Băng thông của kênh phụ thuộc rất cao vào

phổ do các nhà chính sách phân bổ Những định dạng ban đầu được hạn chế cho 3,5 MHz và 7 MHz trong phổtần được cấp phép khi chúng là các kênh có phổ thông dụng được phân bổ trong băng tần 3,5 GHz Khi các nhà khai thác có khả năng sử dụng các kênh rộng hơn, thì các thành viên của Diễn đàn WiMAX sẽ bổ sung các định dạng chứng nhận với các băng thông của kênh rộng hơn

Tiêu chuẩn IEEE Các định dạng của 802.16-2004 sử dụng OFDM với 256

sóng mang Các định dạng của 802.16e hầu như chắc chắn dựa trên SOFDMA Chỉ tiêu chuẩn này mới hỗ trợ tính di động

Tất cả các định dạng chứng nhận dựa trên 802.16-2004 đều theo một định dạng

hệ thống chung Định dạng này bao gồm các yêu cầu kỹ thuật của WiMAX, duy trì bất

kỳ tham số nào dù là tần số, kích thước kênh hay phương pháp tạo song công Một định dạng hệ thống mới vừa được phát triển gần đây cho các định dạng chứng nhận 802.16e Nếu có đủ mối quan tâm từ cộng đồng các nhà sản xuất, một định dạng hệ thống thứ ba có thể được giới thiệu cho các sản phẩm 802.16-2004 để hỗ trợ khả năng xách tay và di động giới hạn Các định dạng ban đầu được Diễn đàn WiMAX xác định

hỗ trợ truy nhập cố định và lưu trú trong các băng tần 3,5 GHz và 5,8 GHz

Bảng 2.2: các định dạng đã chứng nhận của điễn đàn WiMAX

(MHz)

Song công

Băng thông kênh

(MHz)

Ký hiệu định dạng

2.1.5 Các mô hình ứng dụng

WiMAX được đề xuất 2 mô hình ứng dụng là cố định và di động

a Mô hình ứng dụng cố định (Fixed WiMAX)

Mô hình cố định sử dụng các thiết bị theo tiêu chuẩn IEEE.802.16-2004 Tiêu chuẩn này gọi là “không dây cố định” vì thiết bị thông tin làm việc với các anten đặt

cố định tại nhà các thuê bao Anten đặt trên nóc nhà hoặc trên cột tháp tương tự như chảo thông tin vệ tinh

Tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004 cũng cho phép đặt anten trong nhà nhưng tất nhiên tín hiệu thu không tốt bằng anten ngoài trời Băng tần công tác (theo quy định và phân bổ của quốc gia) trong băng 2,5GHz hoặc 3,5GHz Độ rộng băng tầng là 3,5MHz Trong mạng cố định, WiMAX thực hiện cách tiếp nói không dây đến các modem cáp, đến các đôi dây thuê bao của mạch xDSL hoặc mạch Tx/Ex (truyền phát/chuyển mạch) và mạch OC-x (truyền tải qua sóng quang)

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

- Tốc độ truyền có thể thay đổi, tối đa là 70Mb/s

- Hoạt động trong cả 2 môi trường truyền dẫn: đường truyền tầm nhìn thẳng LOS

và đường truyền che khuất NLOS

Các phương pháp điều chế số được sử dụng là: QPSK, 16QAM, 64QAM; dùng phối hợp các phương pháp mã hóa sửa lỗi là mã khối (Reed Salomon) và mã xoắn (mã chập) CC

- Độ rộng băng tần của WiMAX từ 5MHz đến trên 20MHz được chia thành nhiều băng con 1,75MHz Mỗi băng con này đựoc chia nhỏ hơn nữa nhờ công nghệ OFDM, cho phép nhiều thuê bao có thể truy cập đồng thời một hay nhiều kênh một cách linh họat để đảm bảo tối ưu hiệu quả sử dụng băng tần

- Về cấu trúc phân lớp, hệ thống WiMAX đựoc chia thành 4 lớp: Lớp con hội tụ (convergence layer) làm nhiệm vụ giao diện giữa lớp đa truy nhập và các lớp trên, lớp

đa truy nhập (MAC layer), lớp bảo mật (Security) và lớp vật lý (Physical) Các lớp này tương đưong với hai lớp dưới cùng của mô hình OSI và đựoc tiêu chuẩn hóa để có thể giao tiếp với nhiều ứng dụng lớp trên

Hình 2.3 :Mô hình ứng dụng WiMAX cố định

WiMAX cố định có thể phục vụ cho các loại người dùng như: các xí nghiệp, các khu dân cư nhỏ lẻ, mạng cáp truy nhập WLAN công cộng nối tới mạng đô thị, các trạm gốc BS của mạng thông tin di động và các mạch điều khiển trạm BS Về cách phân bố theo địa lý, người dùng có thể phân tán tại các địa phương như nông thôn và các vùng sâu vùng xa khó đưa mạng cáp hữu tuyến đến đó

b Mô hình ứng dụng WiMAX di động

Hình 2.4: Mô hình ứng dụng WiMAX di động

Mô hình WiMAX di động sử dụng các thiết bị phù hợp với tiêu chuẩn IEEE 802.16e được thông qua trong năm 2005.Tiêu chuẩn 802.16e bổ sung cho tiêu chuẩn 802.16-2004 hướng tới các người dùng cá nhân di động, làm việc trong băng tần thấp hơn 6GHz Mạng lưới này phối hợp cùng WLAN, mạng di động cellular 3G có thể tạo thành mạng di động có vùng phủ sóng rộng Hy vọng các nhà cung cấp viễn thông hiệp đồng cộng tác để thực hiện được mạng viễn thông số truy nhập không dây có phạm vi phủ sóng rộng thỏa mãn được các nhu cầu đa dạng của thuê bao

Đặc điểm:

- Khoảng cách giữa trạm thu và phát trong khoảng 1.7 – 5 km

- Tốc độ truyền: 10 – 30Mb/s

- Không yêu cầu truyền trong tầm nhìn thẳng

- Dải tần làm việc của Mobile WiMAX tập trung trong khoảng tần số dưới 6GHz ( 2,3 GHz; 2,5 GHz; 3,3 GHz; 3,5 GHz)

512, 1024 hay lớn nhất là 2048 Số sóng mang con này đựoc chia thành các kênh con với số lượng kênh con lớn nhất là 32

- Mobile WiMAX sử dụng phương pháp điều chế và mã hóa thích ứng, hỗ trợ các kiểu điều chế QPSK, 16 QAM, 64 QAM Phương pháp mã hóa sửa lỗi dùng mã xoắn

CC (Convolutional Code) và mã CTC (Convolutional Turbo Code)

Việc lựa chọn triển khai trên diện rộng với WIMAX di động hay cố định là câu hỏi của nhiều nước Sự so sánh dưới đây sẽ làm rõ sự khác biệt giữa 2 chẩn này

2.1.6 So sánh WiMAX 802.16-2004 và 802.16e

Các triển khai di động và cố định có các nhu cầu rất khác nhau và các mục tiêu phân đoạn thị trường khác nhau về cơ bản, với các vị trí và mô hình sử dụng, các nhu cầu về thông lượng, các dạng thiết bị người dùng và các SLA khác nhau Có hai sự bổ sung của WiMAX được định nghĩa để đáp ứng các nhu cầu khác nhau của hai phân đoạn thị trường và các yêu cầu khác nhau của các ứng dụng khác nhau

Trong một triển khai cố định với các chức năng cơ bản, 802.16-2004 và 902.16e

đề nghị hiệu năng tương đương Thông lượng cực đai một sector cho cả hai phiên bản của WiMAX là 15Mbps cho kênh 5MHz, hoặc 35Mbps cho kênh 10MHz Phạm vi trạm gốc trong các vùng dân cư đông đúc có thể khoảng vài km tùy thuộc vào các thuộc tính như là loại CPE, băng tần, tính di động vv Trong các mạng mà dung lượng bị chi phối, số lượng trạm gốc được lắp đặt tùy thuộc vào nhu cầu thông lượng

và phạm vi

Tuy nhiên, hiệu năng của hai phiên bản WiMAX có thể thay đổi về cơ bản cho các ứng dụng cụ thể bởi vì 802.16-2004 là tối ưu cho truy nhập cố định và 802.16 là cho truy nhập di động mặc dù WiMAX cũng có thể được sử dụng cho truy nhập cố định

Các mạng cố định có thể thu lợi nhuận từ nhiều thuận lợi được đưa ra bởi các sản phẩm được chứng nhận của WiMAX Forum theo 802.16-2004

Điều chế ít phức tạp: OFDM là một công nghệ điều chế đơn giản hơn và phù hợp hơn để triển khai mà không yêu cầu hỗ trợ tính di động

Các băng tần không cấp phép: Các dịch vụ di động yêu cầu phổ cấp phép để cung cấp sự bao phủ trong các vùng rộng lớn Tuy nhiên các triển khai cố định thường sử dụng thành công các băng tần không cấp phép trong các vùng mà các mức nhiễu là có thể chấp nhận được Vì lí do này mà hầu hết các Profile nhằm vào các băng tần không cấp phép là phù hợp khi dựa trên cơ sở 802.16-2004

Thông lượng cao hơn: Các băng phổ cao hơn được lựa chọn cho các Profile 802.16-2004 dẫn đến kết quả thông lượng cap hơn Điều này là một thuận lợi dễ thấy, đặc biệt khi nhằm vào các người dùng kinh doanh với mức lưu lượng cao hơn và với các CPE có các anten đặt ngoài trời

Thời điểm đưa vào thị trường phù hợp hơn: Tính sẵn sàng về thương mại sớm hơn của các sản phẩm 802-16-2004 cho phép các nhà khai thác đáp ứng nhu cầu dồn nén cho các kết nối băng rộng trong các vùng dưới mức phục vụ, và để bắt đầu đạt tới

sự chia sẻ thị trường giữa các nhà cạnh tranh hàng đầu

Một mặt khác, một số nhà khai thác có thể quyết định đợi các Profile 802.16e vì nhiều lí do:

Hỗ trợ tính di động: Các sản phẩm 802.16e là tối ưu cho tính di động và sẽ được

hỗ trợ chuyển giao lên đến 120km/h

Hỗ trợ cho các kiểu công suất sleep và saving tăng thời gian sống của các thiết bị người dùng di động

Bao phủ trong nhà tốt hơn: Bao phủ trong nhà tốt hơn đạt đượng thông qua kênh con hóa và các lợi ích của tùy chọn AAS ở cả các ứng dụng cố định và di động, bởi vì các người dùng thường là ở trong nhà hay không ở trong tầm nhìn thẳng Tuy nhiên, trong khi các anten ngoài trời có thể bù lại về hạn chế bao phủ trong nhà ở các triển khai cố định thì điều này rõ ràng không phải là một tùy chọn cho các người dùng di động với một laptop hay một PDA

Độ mềm dẻo tốt hơn trong việc quản lí các tài nguyên phổ: kênh con hóa cũng mang lại khả năng sử dụng sự thông minh của mạng để cấp phát tài nguyên cho các thiết bị người dùng khi có nhu cầu Thực tế điều này dẫn đến kết quả tăng hiệu năng sử dụng phổ, điều khiển thông lượng cao hơn và độ bao phủ trong nhà tốt hơn và trong một vài trường hợp làm cho chi phí triển khai thấp hơn ĐIều này đặc biệt hiệu quả với các nhà khai thác với phổ hạn chế

Phạm vi rộng lớn của các dạng nhân tố cho các thiết bị người dùng: trong khi các CPE trong nhà và ngoài nhà, và các card PCMCIA máy tính xách tay được mong đợi

để thống trị thị trường 802.16-2004 thì các card PCMCIA máy tính xách tay, các card mini, các modem trong nhà, các PDA và các điện thoại sẽ sẵn sàng giữa các thiết bị người dùng 802.16e Sự đa dạng này cho phép các nhà khai thác mở rộng các dịch vụ của họ đến các phân đoạn thị trường mới và tăng thêm sự tự do cho các thuê bao của

họ Mặc dù các sản phẩm 802.16e được giới thiệu muộn hơn nhưng có thể hi vọng

rằng giá cả CPE của chúng sẽ nhanh chóng giảm thấp hơn các CPE theo 802.16-2004 khi các sản phẩm 802.16e được nhằm vào một thị trường rộng lớn hơn Với chi phí CPE điển hình là thay đổi quan trong nhất trong bất kì kế hoạch kinh doanh của nhà khai thác, tính sẵn có của các Chip CPE sẽ là một trong các nhân tố hướng dẫn cho việc quyết định phiên bản nào của WiMAX được thông qua

Lựa chọn giữa 802.16-2004 và các sản phẩm 802.16e tùy thuộc phần lớn vào các loại dịch vụ được cung cấp và các kiểu kinh doanh của các nhà khai thác Trong một vài trường hợp, lựa chọn sẽ là hiển nhiên Một nhà khai thác di động xây dựng một mạng bao phủ để bổ sung cho mạng 3G sẽ tiến thẳng đến 802.16e Một nhà cung cấp dịch vụ Internet không dây cung cấp truy nhập không dây cho liên lạc vùng nông thôn

sẽ chọn các sản phẩm WiMAX 802.16-2004 dựa trên OFDM ít phức tạp hơn

Thêm vào đó các nhà khai thác cần tính đến nhiều nhân tố khác mà có thể ảnh hưởng đến lựa chọn giữa các sản phẩm 802.16-2004 và 802.16e

Mục tiêu thị trường: nếu nhà khai thác nhằm vào các người dùng kinh doanh và các người dùng ở vùng dân cư trong một môi trường hầu như là tầm nhìn thẳng, các CPE với một anten ngoài trời sẽ có thông lượng tốt hơn và hiệu năng LOS có thể phù hợp hơn Điều này có thể làm cho nhà khai thác hướng tới một triển khai 802.16-2004 Nếu thay thế nhà khai thác nhằm vào thị trường di động, các CPE 802.16e chi phí thấp

có thể được yêu cầu cho kế hoạch kinh doanh có thể phát triển

Phổ: Trong khi WiMAX Forum sẽ tiếp tục thêm vào các Profile mới phù hợp với nhu cầu thị trường, điều đó chỉ phù hợp với các Profile 802.16-2004 hoặc 802.16e trong một số băng tần Trong hầu hết các trường hợp nhà khai thác sẽ có một vài lựa chọn qua các băng phổ sẵn có và lựa chọn của WiMAX có thể tùy thuộc vào tính sẵn

có của sản phẩm Nó có thể là các Prpfile 802.16e sẽ được thêm vào các băng tần điển hình dành cho các ứng dụng cố định và mang xách, bởi vì 802.16e có ít có khả năng xẩy ra nhiễu đa đường

Điều tiết: Một số nhà điều tiết ủy quyền các loại dịch vụ cụ thể mà có thể được

đề nghị trong một băng phổ Chẳng hạn, một số nhà điều tiết ở Châu Âu giới hạn phổ 3.5GHz cho các dịch vụ cố định và mang xách, điều này có thể ngăn cản sự thông qua của 802.16e khi WiMAX hỗ trợ các dịch vụ di động, thậm chí các giấy phép phổ điển hình không ủy quyền sử dụng một công nghệ cụ thể

Tính hợp thời: Tính có sẵn sớm hơn của các sản phẩm 802.16-2004 trong các băng tần 3.5GHz sẽ là một nhân tố quan trọng cho các nhà cung cấp dịch vụ muốn triển khai một mạng WiMAX nhanh chóng

2.1.7 Băng tần cho WiMAX

Các băng được WiMAX Forum tập trung xem xét và vận động cơ quan quản lý tần số các nước phân bổ cho WiMAX là:

Băng 3400-3600MHz (băng 3.5GHz)

Băng 3.5Ghz là băng tần đó được nhiều nước phân bổ cho hệ thống truy cập không dây cố định (Fixed Wireless Access – FWA) hoặc cho hệ thống truy cập không dây băng rộng (WBA) WiMAX cũng được xem là một công nghệ WBA nên có thể sử dụng băng tần này cho WiMAX Vì vậy, WiMAX Forum đó thống nhất lựa chọn băng tần này cho WiMAX

Băng tần này sử dụng cho chuẩn 802.16-2004 để cung cấp các ứng dụng cố định

và nomadic, độ rộng phân kênh là 3.5MHz hoặc 7MHz, chế độ song công TDD hoặc FDD

Một số nước quy định băng tần này chỉ dành cho các hệ thống cung cấp các dịch

vụ cố định, không có ứng dụng nomadic, nên để triển khai được WiMAX cần thiết phải sửa đổi lại quy định này

Đối với Việt Nam, do băng tần này được ưu tiên dành cho hệ thống vệ tinh Vinasat nên hiện tại không thể triển khai cho WiMAX

Băng 3600-3800MHz:

Được một số nước châu Âu xem xét để cấp cho WBA Tuy nhiên, do một phần băng tần này (từ 3.7-3.8GHz) đang được nhiều hệ thống vệ tinh viễn thông sử dụng (đường xuống băng C), đặc biệt là ở khu vực châu Á, nên ít khả năng băng tần này sẽ được chấp nhận cho WiMAX ở châu Á

Băng 3300-3400MHz (băng 3.3 GHz):

Băng tần này đó được phân bổ ở Ấn Độ, Trung Quốc và Việt Nam đang xem xét phân bổ chính thức Do Ấn Độ và Trung Quốc là hai thị trường lớn, nên dù chưa có nhiều nước cấp băng tần này cho WBA, nhưng thiết bị WiMAX cũng đã được sản xuất

Chuẩn WiMAX áp dụng ở băng tần này tương tự như với băng 3.5GHz, đó là WiMAX cố định, chế độ song công FDD hoặc TDD, độ rộng kênh 3.5MHz hoặc 7MHz

Do Ấn Độ chỉ cho phép sử dụng đoạn băng tần 3316-3400MHz, nên các thiết bị WiMAX hiện tại cũng chỉ làm việc trong đoạn này với tối đa 2x9 kênh 3.5MHz Vì vậy, nếu cú 4 nhà khai thác sử dụng băng tần này thì thường mỗi nhà khai thác chỉ được cấp sử dụng 2x2 kênh 3.5MHz Trong khi đó, theo ý kiến của các chuyên gia Alvarion, một trong những hãng cung cấp thiết bị WiMAX, thì để khai thác hiệu quả, mỗi nhà khai thác nên được cấp ít nhất 2x3 kênh 3.5MHz

Băng tần này trước đây được sử dụng phổ biến cho các hệ thống truyền hình MMDS trên thế giới, nhưng do MMDS không phát triển nên Hội nghị Thông tin Vô tuyến thế giới năm 2000 (WRC-2000) đã xác định có thể sử dụng băng tần này cho hệ thống di động thế hệ 3 (3G hay IMT-2000 theo cách đặt tên của ITU) Do chưa có câu trả lời rõ nên hiện đã có một số nước như Mỹ, Brazil, Mexico, Singapore, Canada, Liên hiệp Anh (UK), Australia cho phép sử dụng một phần băng tần tần này cho WBA Trung Quốc và Ân Độ cũng đang xem xét

Do ITU xác định băng tần này cho IMT-2000, nên WiMAX Forum đang có kế hoạch tham gia vào các nhóm nghiên cứu của ITU để thúc đẩy việc đưa chuẩn 802.16 thành một nhánh của họ tiêu chuẩn IMT-2000

Với Việt Nam, Quy hoạch phổ vô tuyến điện quốc gia được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt cuối năm 2005 đã quy định băng tần 2500-2690 MHz sẽ được sử dụng cho các hệ thống thông tin di động thế hệ mới, không triển khai thêm các thiết bị khác trong băng tần này Vì vậy, có thể hiểu công nghệ WiMAX di động cũng là một đối tượng của quy định này, nhưng băng tần này sẽ được sử dụng cho loại hình công nghệ

cụ thể nào vẫn còn để mở

Đối với Việt Nam, đây cũng là một băng tần có khả năng sẽ được sử dụng để triển khai WBA/WiMAX

Băng 5725-5850MHz (băng 5.8 GHz):

WiMAX Forum quan tâm băng tần này vì được nhiều nước cho phép sử dụng không cần cấp phép và với công suất tới cao hơn so với các đoạn băng tần khác trong dải 5GHz (5125-5250MHz, 5250-5350MHz), vốn thường được sử dụng cho các ứng dụng trong nhà.Nên băng tần này thích hợp để triển khai WiMAX cố định, độ rộng phân kênh là 10MHz, phương thức song công được sử dụng là TDD, không có FDD Băng dưới 1GHz:

Với các tần số càng thấp, sóng vô tuyến truyền lan càng xa, số trạm gốc cần sử dụng càng ít, tức mức đầu tư cho hệ thống thấp đi Vì vậy, WiMAX Forum cũng đang xem xét khả năng sử dụng các băng tần dưới 1GHz, đặc biệt là băng 700-800MHz Hiện nay, một số nước đang thực hiện việc chuyển đổi từ truyền hình tương tự sang truyền hình số, nên sẽ giải phúng được một phần phổ tần sử dụng cho WBA/WiMAX Ví dụ, Mỹ đó cấp đoạn băng tần 699-741MHz trước đây dùng cho kênh 52-59 UHF truyền hỡnh và xem xét cấp tiếp băng 747-801MHz (kênh 60-69 UHF truyền hình)

Với Việt Nam, do đặc điểm có rất nhiều đài truyền hình địa phương nên các kênh trong giải 470-806MHz dành cho truyền hình được sử dụng dày đặc cho các hệ thống truyền hình tương tự Hiện chưa có lộ trình cụ thể nào để chuyển đổi các hệ thống truyền hình tương tự này sang truyền hình số, nên chưa thấy có khả năng có băng tần

để cấp cho WBA/WiMAX ở đây

2.2 CÁC KỸ THUẬT ĐƯỢC ỨNG DỤNG TRONG WIMAX

Với công nghệ tương tự trước đây (FM, AM) và biểu đồ điều chế số hóa hiệu suất 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 cao hơn 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 và hiện tượng đa đường dẫn Cả hai yếu tố này đều phổ biến trong các triển khai mạng không dây có mặt khắp nơi và số lượng người dùng lớn

OFDM, OFDMA và S-OFDMA là những công nghệ truy nhập mới cải tiến hỗ trợ kênh cần thiết để đạt được hiệu quả trải phổ tốt hơn và thông lượng kênh cao hơn Những công nghệ truy nhập mới này là nền tảng cho WiMAX và là lựa chọn cho các

hệ thống băng rộng di động tiếp theo khác nhằm cung cấp nhiều loại hình dịch vụ truyền thông đa phương tiện tốc độ cao

Trong phần này, chúng ta sẽ khảo sát tổng quan các kỹ thuật tiên tiến được áp dụng trong công nghệ WiMAX như là kỹ thuật OFDM, OFDMA, hệ thống anten tiên tiến…

2.2.2 Kỹ thuật OFDM

a Khái niệm

Kỹ thuật OFDM là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Trong OFDM, chuỗi dữ liệu tới đầu phát thường có tốc độ rất cao Dòng dữ liệu này được chia thành nhiều dòng dữ liệu song song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp-song song (S/P) Mỗi dòng dữ liệu song song sau đó được điều chế bởi một sóng mang, các sóng mang này được chọn trực giao với nhau để đảm bảo có thể tách riêng từng luồng dữ liệu tại đầu thu

Kế đến các sóng mang này được tổng hợp lại và đưa lên tần số phát

Hình 2.5 So sánh giữa FDM và OFDM

Số lượng các sóng mang con phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ rộng kênh và mức độ nhiễu Con số này tương ứng với kích thước FFT Chuẩn giao tiếp vô tuyến 802.16-2004 xác định 256 sóng mang con tương ứng FFT 256 điểm, hình thành chuẩn Fixed WiMAX, với độ rộng kênh cố định Chuẩn giao tiếp 802.16-2005 cho phép kích

cỡ FFT từ 512 đến 2048 phù hợp với độ rộng kênh 5MHz đến 20MHz, hình thành chuẩn Mobile WiMAX (Scalable OFDMA), để duy trì tương đối khoảng thời gian không đổi của các kí hiệu và khoảng dãn cách giữa các sóng mang với độ rộng kênh

Có thể thấy rõ lợi ích của OFDM khi xét qua kênh truyền Nếu luồng dữ liệu gốc được chuyển trực tiếp lên sóng mang và phát lên kênh truyền, thì băng thông rộng của tín hiệu phát sẽ bị tác động chọn lọc tần số Bởi vì, khi tín hiệu truyền có băng thông rộng (do tốc độ bit cao), các tần số khác nhau sẽ có độ suy hao khác nhau khi truyền qua kênh truyền vô tuyến Điều này dẫn đến việc khôi phục tín hiệu tại máy thu sẽ phức tạp, đòi hỏi phải có bộ cân bằng Trong OFDM, luồng dữ liệu được tách thành N luồng dữ liệu tốc độ thấp, có băng thông hẹp Do đó, khi truyền, các luồng dữ liệu này chịu Fading phẳng cùng độ

Tại máy thu, luồng dữ liệu trước tiên được đưa về băng gốc bởi bộ trộn Luồng

dữ liệu này sau đó được tách ra thành N luồng dữ liệu tốc độ thấp, theo sau là bộ lọc thông thấp và bộ quyết định

b Sơ đồ khối OFDM

Hình 2.6 Sơ đồ khối hệ thống OFDM

Đầu tiên, dòng dữ liệu vào với tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu song song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp-song song (S/P) Mỗi dòng dữ liệu song song sau đó được mã hóa (Coding) sử dụng thuật toán FEC (Forward Error Correcting) và được sắp xếp (Mapping) theo một trình tự hỗn hợp Những ký tự hỗn hợp được đưa đến đầu vào của khối IDFT (ở đây để thực hiện phép biến đổi IDFT người ta dùng thuật toán IFFT) Sau đó khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự (ISI), nhiễu xuyên kênh (ICI) do truyền trên các kênh vô tuyến di động đa đường Dòng dữ liệu song song lại được chuyển thành nối tiếp nhờ bộ chuyển đổi song song-nối tiếp (P/S) Cuối cùng, bộ A/D phía phát định dạng tín hiệu thời gian liên tục

và chuyển đổi lên miền tần số cao để truyền đi xa

Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu tác động đến như nhiễu Gausian trắng cộng (Additive White Gaussian Noise-AWGN)

Ở phía thu, tín hiệu thu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc nhận được sau bộ D/A thu Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển đổi từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT dùng thuật toán FFT (khối FFT) Sau đó, tùy vào sơ đồ điều chế được sử dụng, sự dịch chuyển về biên độ và pha của các sóng mang nhánh sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã Cuối cùng, chúng ta nhận lại được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu

c Chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM

Ưu điểm của phương pháp điều chế OFDM không chỉ thể hiện ở hiệu quả sử dụng băng thông mà còn có khả năng làm giảm hay loại trừ nhiễu xuyên kí hiệu ISI

Chèn

Chèn dải bảo vệ

P/S

Kênh truyền

P/S

sắp xếp lại &

giải

mã

ước lưọng kênh

FFT

Loại

bỏ dải

AWGN w(n)

nhờ sử dụng chuỗi bảo vệ (Guard Interval- GI) Một mẫu tín hiệu có độ dài là TS,

lên phần phía trước của mẫu tín hiệu này như hình vẽ sau (do đó, GI còn được gọi là Cyclic Prefix-CP) Sự sao chép này có tác dụng chống lại nhiễu xuyên kí hiệu ISI do hiệu ứng phân tập đa đường

Hình 2.7 Khái niệm về chuỗi bảo vệ

Nguyên tắc này giải thích như sau: Giả sử máy phát đi một khoảng tín hiệu có chiều dài là TS, sau khi chèn thêm chuỗi bảo vệ có chiều dài TG thì tín hiệu này có

theo nhiều đường khác nhau Trong hình vẽ mô tả dưới đây, hình a, tín hiệu theo đường thứ nhất không có trễ, các đường thứ hai và thứ ba đều bị trễ một khoảng thời gian so với đường thứ nhất.Tín hiệu thu được ở máy thu sẽ là tổng hợp của tất cả các tuyến, cho thấy kí hiệu đứng trước sẽ chồng lấn vào kí hiệu ngay sau đó, đây chính là

lấn ISI nằm trong khoảng của chuỗi bảo vệ, còn thành phần tín hiệu có ích vẫn an toàn

Ở phía máy thu sẽ gạt bỏ chuỗi bảo vệ trước khi gửi tín hiệu đến bộ giải điều chế OFDM Do đó, điều kiện cần thiết để cho hệ thống OFDM không bị ảnh hưởng bởi ISI

Không có GI

Phần tín hiệu có ích Phần tín hiệu có ích

GI

Có GI

Hình 2.8 ISI và cyclic prefix

d Nguyên tắc giải điều chế OFDM

Các bước thực hiện ở đây đều ngược lại so với phía máy phát Tín hiệu thu sẽ được tách chuỗi bảo vệ, giải điều chế để khôi phục băng tần gốc, giải điều chế ở các sóng mang con, chuyển đổi mẫu tín hiệu phức thành dòng bit (tín hiệu số) và chuyển

đổi song song sang nối tiếp

Hình 2.9 Tách chuỗi bảo vệ

e Các ưu và nhược điểm của kĩ thuật OFDM

Qua việc phân tích về cơ bản kỹ thuật OFDM như trên, chúng ta có thể rút ra một

số ưu điểm, nhược điểm chính của OFDM như sau:

(k-1)T S

kT

kT S