OFDM và ỨNG DỤNG TRONG WIMAX

MỤC LỤC 1 DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ 3 DANH SÁCH CÁC BẢNG 4 DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 5 LỜI NÓI ĐẦU 10 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ OFDM 12 1.1 Nguyên lý cơ bản OFDM 12 1.1.1 Điều chế đa sóng mang 12 1.1.2 Nguyên lý cơ bản OFDM 16 1.2 Sơ đồ khối hệ thống OFDM 17 1.3 Những vấn đề cơ bản đặc thù của OFDM 20 1.3.1 Khoảng phòng vệ 20 1.3.2 Tích chập vòng và DFT 21 1.3.3 Tiếp đầu tuần hoàn 22 1.3.4 San bằng trong miền tần số 24 1.4 Ưu, nhược điểm hệ thống OFDM 25 1.4.1 Ưu điểm 25 1.4.2 Nhược điểm 27 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ WiMAX 29 2.1 Giới thiệu chung 29 2.1.1 WiMAX là gì? 30 2.1.2 Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản 31 2.1.3 Vai trò của WiMAX trong mạng viễn thông 37 2.2 Các chuẩn WiMAX 38 2.2.1 Chuẩn WiMAX cố định (IEEE 802.162004) 39 2.2.2 Chuẩn WiMAX di động (IEEE 802.16e2005) 40 2.3 Cấu hình tham chiếu mạng WiMAX 43 2.3.1 Nguyên lý thiết kế nói chung 43 2.3.2 Mô hình tham chiếu mạng WiMAX 45 CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG OFDM TRONG WiMAX 52 3.1 Tại sao phải ứng dụng OFDM trong WiMAX 52 3.2 Ứng dụng công nghệ OFDM trong WiMAX 54 3.2.1 Các vấn đề OFDM cơ bản 56 3.2.2 Các thông số OFDM trong WiMAX 58 3.2.3 Kênh con hoá: OFDMA 61 3.2.4 Cấu trúc khe và khung 63 3.2.5 Mã hoá và điều chế thích nghi trong WiMAX 66 3.2.6 Đa truy cập OFDMA 68 3.3 So sánh với WiFi, ADSL và truyền hình 73 3.3.1 Ứng dụng OFDM trong WiFi 73 3.3.2 Ứng dụng OFDM trong ADSL 75 3.3.3 Ứng dụng OFDM trong truyền hình DVBT 76 KẾT LUẬN 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO 83

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ 2

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 4

LỜI NÓI ĐẦU 8

CHƯƠNG 1 10

GIỚI THIỆU VỀ OFDM 10

1.1 Nguyên lý cơ bản OFDM 10

1.1.1 Điều chế đa sóng mang 10

1.1.2 Nguyên lý cơ bản OFDM 14

1.3 Những vấn đề cơ bản đặc thù của OFDM 18

1.3.1 Khoảng phòng vệ 18

1.3.2 Tích chập vòng và DFT 19

1.3.3 Tiếp đầu tuần hoàn 20

1.3.4 San bằng trong miền tần số 23

1.4 Ưu, nhược điểm hệ thống OFDM 23

1.4.1 Ưu điểm 23

1.4.2 Nhược điểm 26

CHƯƠNG 2 27

TỔNG QUAN VỀ WiMAX 27

2.1 Giới thiệu chung 27

2.1.1 WiMAX là gì? 28

2.1.2 Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản 30

2.1.3 Vai trò của WiMAX trong mạng viễn thông 35

2.2 Các chuẩn WiMAX 37

2.2.1 Chuẩn WiMAX cố định (IEEE 802.16-2004) 38

2.2.2 Chuẩn WiMAX di động (IEEE 802.16e-2005) 39

2.3 Cấu hình tham chiếu mạng WiMAX 41

2.3.1 Nguyên lý thiết kế nói chung 42

2.3.2 Mô hình tham chiếu mạng WiMAX 44

ỨNG DỤNG OFDM TRONG WiMAX 50

3.1 Tại sao phải ứng dụng OFDM trong WiMAX 50

3.2 Ứng dụng công nghệ OFDM trong WiMAX 53

3.2.1 Các vấn đề OFDM cơ bản 55

3.2.2 Các thông số OFDM trong WiMAX 57

3.2.3 Kênh con hoá: OFDMA 60

3.2.4 Cấu trúc khe và khung 61

3.2.5 Mã hoá và điều chế thích nghi trong WiMAX 65

3.2.6 Đa truy cập OFDMA 67

3.3.1 Ứng dụng OFDM trong WiFi 72

3.3.2 Ứng dụng OFDM trong ADSL 74

3.3.3 Ứng dụng OFDM trong truyền hình DVB-T 75

KẾT LUẬN 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ MỤC LỤC 1

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ 2

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 4

LỜI NÓI ĐẦU 8

CHƯƠNG 1 10

GIỚI THIỆU VỀ OFDM 10

CHƯƠNG 2 27

TỔNG QUAN VỀ WiMAX 27

ỨNG DỤNG OFDM TRONG WiMAX 50

KẾT LUẬN 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

DANH SÁCH CÁC BẢNG MỤC LỤC 1

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ 2

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 4

LỜI NÓI ĐẦU 8

CHƯƠNG 1 10

GIỚI THIỆU VỀ OFDM 10

CHƯƠNG 2 27

TỔNG QUAN VỀ WiMAX 27

ỨNG DỤNG OFDM TRONG WiMAX 50

3.3.3 Ứng dụng OFDM trong truyền hình DVB-T 75

KẾT LUẬN 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

AAA Authentication, Authorization,

and Accounting

Nhận thực, cho phép và tính toán

AES Advanced Encryption Standard Chuẩn mã hoá mật tiên tiến

ASP Application Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ ứng

dụng ASN Acess Service Network Mạng dịch vụ truy cập

ASS Advanced Antenna System Hệ thống anten tiên tiến

AMC Adaptive Modulation and

Coding

Mã hoá và điều chế thích nghi

ARQ Automatic Retransmission

Request

Yêu cầu truyền lại tự động

CDMA Code Division Multiple Đa truy cập phân chia theo mã

BLER BLock Error Rate Tỉ lệ lỗi khối

BPSK Binary Phase Shift Keying Khoá dịch pha nhị phân

BWA Broadband Wireless Access Truy cập vô tuyến băng rộng

CPE Customer Premises Equipment Thiết bị trong nhà khác hàngCQICH Channel-Quality Indicator

Channel

kênh chỉ định chất lượng kênh

CSN Connectivity Service Network Mạng dịch vụ kết nối

DFT Decret Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc

DS-CDMA

Direct Sequence CDMA CDMA chuỗi trực tiếp

DSL Digital Subscriber Line Đường dây thuê bao số

DVB-H Digital Video

EDGE Enhanced Data Rate For GSM

Evolution

Tốc độ dữ liệu nâng cao cho sựphát triển GSM

ETH-CS Ethernet Convergence

Sublayer

Lớp con hội tụ Ethernet

FCH Frame Control Header Header điều khiển khung

FDD Frequencies Division Duplex Song công phân chia theo tần

sốFDM Frequencies Division

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số

FEC Forward Error Correction Mã sửa lỗi hướng đi

FFT Fast Fourier Transform Biến đổi ngược Fourier

FIR Finite Impulse Response Đáp ứng xung hạn chế

GPRS General Package Radio Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp

GSM Globle System For Mobile

Communication

Hệ thống liên lạc di động toàn cầu

ICI Inter-Channel Interference Nhiễu xuyên kênh

IDFT Inverse Decret Fourier

Transform

Biến đổi ngược Fourier rời rạc

IEEE Institute of Electrical and

Lực lượng quản lý kỹ thuật

IGMP Internet Group Management

Protocol

Giao thức quản lý nhóm Internet

IP Internet Protocol Giao thức Internet

ISI Inter Symbol Interference Xuyên nhiễu giữa các ký tự

KEK Key Encryption Key Khoá mã mật cơ bản

LDPC Low-Density Parity Check Mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ

NRM Network Reference Model Mô hình tham chiếu mạng

NSP Network Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ mạng NWG Network Working Group Nhóm nghiên cứu mạng

OFDM Orthogonal Frequency

Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần

số trực giaoOFDMA Orthogonal Frequency

Division Multiple Acess

Đa truy cập phân chia theo tần

số trực giaoPDA Personal Digital Assistant Thiết bị trợ giúp cá nhân kỹ

thuật số PEP Policy Enforcement Point Điểm nâng cao chính sách

PUSC Partial Usage of Subcarriers Sử dụng một phần các sóng

mang con QoS Quality Of Service Chất lượng dịch vụ

QAM Quadrature Amplitude

Modulation

Điều chế biên độ cầu phương

QPSK Quadature Phase Shift Keying Khoá dịch pha cầu phương

RFC Request For Comments Đề nghị duyệt thảo và bình

luận

RRM Radio Resource Manegement Quản lý nguồn vô tuyến

RSVP Resource Reservation Protocol Giao thức nguồn dành riêng

SFA Service Flow Authorization Cho phép luồng dịch vụ

SINR Signal to Interference and

TDD Time Division Duplex Song công phân chia theo thời

gianTDM Time Division Multplexing Ghép kênh phân chia theo thời

gian TDMA Time Division Multple Access Đa truy nhập phân chia theo

thời gianTEK Traffic Encryption Key Khoá mã mật lưu lượng

UNII Unlicenced National

VPN Virtual Private Network Mạng riêng ảo

WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục bộ không dây

WMAN Wireless Metropolitan Area Mạng đô thị không dây

NetworkWIMAX Worldwide Interoperability for

LỜI NÓI ĐẦU

Trong vài năm gần đây công nghệ WiFi IEEE 802.11 đã gặt hái được nhữngthành công rực rỡ với minh chứng là nó được triển khai rộng rãi khắp nơi Hầunhư tất cả các máy tính cá nhân, điện thoại thông minh, PDA đều được tích hợpWiFi Tốc độ dữ liệu của WiFi có thể đạt được 54Mpbs Tuy nhiên vùng phủsóng của WiFi chỉ hạn chế ở tầm vài chục đến vài trăm mét Để đáp ứng nhu cầu

phủ sóng xa hơn, WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access)

là một công nghệ truy nhập không dây băng thông rộng mới, dựa trên chuẩnIEEE 802.16 đã ra đời WiMax gần giống với Wi-Fi nhưng được cải thiện khánhiều để có thể tăng tốc độ truyền dẫn dữ liệu tới 70 Mbps với phạm vi hoạtđộng 2-10 km trong khu vực thành thị và 50 km tại những vùng hẻo lánh

Một trong những yêu cầu chính trong hệ thống vô tuyến băng rộng là khả

năng hoạt động trong các điều kiện không có tầm nhìn thẳng NLOS (Non Line

Of Sight) Hoạt động trong các điều kiện như vậy là một vấn đề gây rất nhiều

khó khăn và hạn chế đối với các nhà khai thác viễn thông khi cung cấp dịch vụcho các khách hàng tiềm năng

Do các vấn đề về nhiễu và các vấn đề về đa đường, một số công nghệtrước đây cũng đã đưa ra giải pháp điều chế sóng mang đơn dùng cho các ứngdụng NLOS nhưng cũng chưa mang lại hiệu quả cao Thay vào đó là sự ra đời

của kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao – OFDM (Orthogonal

Frequency Division Multiplexing) Đây chính là một bước đột phá trong thị

trường truy cập vô tuyến băng rộng

Chính từ những vấn đề cơ bản như vậy nên tôi đã lựa chọn nghiên cứu về

OFDM và WiMAX, với tên đồ án là “OFDM và ứng dụng trong WiMAX ” Đồ

án tốt nghiệp của tôi chia làm 3 chương với nội dung cụ thể như sau:

Chương 1: Giới thiệu về OFDM

Tìm hiểu về nguyên lý cơ bản OFDM, sơ đồ khối hệ thống OFDM, các vấn đề

cơ bản đặc thù và những ưu nhược điểm của OFDM

Chương 2: Tổng quan về WiMAX

Trong chương II tôi xin trình bày những hiểu biết của mình về công nghệWiMAX, các chuẩn WiMAX và mô hình tham chiếu của hệ thống WiMAX

Chương 3: OFDM và ứng dụng trong WiMAX

Chương này giới thiệu về việc công nghệ OFDM được ứng dụng như thế nàotrong hệ thống WiMAX và đưa ra những so sánh với việc ứng dụng OFDMtrong một số hệ thống thông tin khác

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo, Đại tá, PGS, TSNguyễn Quốc Bình, người đã hướng dẫn tôi rất tận tình, cùng các thầy cô giáotrong bộ môn thông tin đã tạo mọi điều kiện tốt nhất giúp tôi hoàn thành đồ ántốt nghiệp đúng tiến độ

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên

Phạm Thị Vân Anh

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ OFDM 1.1 Nguyên lý cơ bản OFDM

Trong thông tin vô tuyến, công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số trực

giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) nằm trong lớp các

kỹ thuật điều chế đa sóng mang Do đó trước khi tìm hiểu về nguyên lý cơ bảnOFDM, chúng ta xem xét về nguyên lý điều chế đa sóng mang

1.1.1 Điều chế đa sóng mang

Ý tưởng điều chế đa sóng mang hình thành từ mong muốn có được tốc độ

truyền dữ liệu cao và các kênh truyền không có ISI (Inter Symbol Interference).

Để kênh truyền không có ISI thì thời gian symbol phải đủ lớn và thường thì lớn

hơn trải trễ lớn nhất của kênh ∆τ max Đối với các kênh băng rộng cung cấp tốc độcao ngày nay, thời gian tồn tại của symbol thường nhỏ hơn rất nhiều độ trải trễcủa kênh nên ISI rất lớn

Để khắc phục vấn đề này, điều chế đa sóng mang chia độ rộng băng thông

kênh có sẵn B thành L băng con được gọi chung là các sóng mang con như được minh hoạ trong hình 1.1 Như vậy mỗi sóng mang con có độ rộng là ∆f = B/L Số

lượng các luồng con được chọn sao cho độ rộng băng thông mỗi kênh con nhỏhơn rất nhiều độ rộng băng kết hợp của kênh nên các kênh con này chịu ảnhhưởng của pha đinh tương đối phẳng Như vậy thay vì phát luồng bit nối tiếp tốc

độ cao R thì máy phát đa sóng mang chia luồng dữ liệu đó thành L luồng con tốc

dàng thấy là T >> ∆τ max , với ∆τ max là thời gian trải trễ lớn nhất của kênh, và vì vậyISI trên mỗi kênh con tương đối nhỏ Sau đó các luồng con riêng biệt này được

phát trên L kênh con song song nên duy trì được tốc độ dữ liệu mong muốn tổng

cộng Khi các kênh con này được duy trì trực giao với nhau thì điều chế đa sóngmang được gọi là ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM)

Hình 1.1 Chia độ rộng băng thông thành L băng con

Một hệ thống gồm máy phát và máy thu đa sóng mang với L sóng mang

con như được biểu diễn trong hình 1.2 và hình 1.3 Tại máy phát, luồng tín hiệu

tốc độ cao R bps với độ rộng băng thông dải B được chia thành L luồng con song song, mỗi luồng con này có tốc độ R/L và độ rộng băng thông là B/L Mỗi luồng

con này điều chế một sóng mang con riêng biệt và được tổng lại thành tín hiệu

x(t) Sau đó tín hiệu x(t) này được truyền qua kênh có hàm truyền H(f) để tạo ra tín hiệu ở đầu vào máy thu là y(t) Tại máy thu, có L bộ thu độc lập và mỗi sóng

mang con được giải điều chế riêng biệt Khi số lượng các sóng mang con đảmbảo cho độ rộng băng thông của chúng nhỏ hơn nhiều độ rộng băng thông kết

hợp, tức là B/L<<B c, thì khi đó pha đinh tác động lên mỗi sóng mang con gần

như là pha đinh phẳng Do đó máy thu chỉ cần yêu cầu một bộ san bằng tươngđối đơn giản nên làm cho cấu trúc máy thu cũng đơn giản hơn.

Hình 1.2 Máy phát đa sóng mang cơ sở

Hình 1.3 Máy thu đa sóng mang cơ sở

Kỹ thuật đa sóng mang là một giải pháp được sử dụng cả trong miền thờigian và miền tần số Trong miền thời gian, thời gian tồn tại của symbol trên mỗi

sóng mang con tăng lên bằng T = LT s , vì vậy tăng L để đảm bảo rằng thời gian tồn tại của symbol lớn hơn rất nhiều trải trễ của kênh, tức là T >> ∆τ max Đây làyêu cầu cho truyền dẫn không có ISI Trong miền tần số, các sóng mang con có

độ rộng băng thông B/L <<B c là điều kiện để đảm bảo pha đinh phẳng và cũngtương đương với việc truyền dẫn trong miền thời gian không có ISI Hình 1.4minh hoạ trong trường hợp khi trải trễ của kênh nhỏ hơn độ rộng symbol trongmiền thời gian và tương ứng là biến đổi Fourier của nó trong miền tần số Kếtquả là không có ISI trong miền thời gian và pha đinh gần như là phẳng trongmiền tần số

Hình 1.4 Ảnh hưởng của kênh truyền khi T » ∆τmax

Vì vậy việc tăng số lượng các luồng con L làm giảm ISI và đơn giản hoá

bộ san bằng ở máy thu Tuy nhiên, không thể tăng L một cách tuỳ tiện được Với

các kênh thay đổi theo thời gian thì cávc symbol có thời gian tồn tại dài sẽ làmgiảm chất lượng truyền dẫn Nếu thời gian kết hợp Tc của kênh nhỏ có thể so

sánh được với T s thì đáp ứng tần số kênh thay đổi đáng kể trong suốt quá trình

truyền một symbol và vì vậy cũng không thể tách một cách tin cậy thông tin đãphát đi Do đó, thời gian kết hợp của kênh định nghĩa giới hạn trên cho số lượngcác sóng mang con Cùng với điều kiện đảm bảo pha đinh phẳng trên các băng

con thì ta có một dải giới hạn cho L như sau:

c c

ưu điểm của phương pháp điều chế đa sóng mang, người ta sử dụng phươngpháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM

1.1.2 Nguyên lý cơ bản OFDM

OFDM là một dạng đặc biệt của ghép kênh phân chia theo tần số thông

thường FDM (Frequency Division Multiplexing), trong đó độ rộng băng thông

kênh có sẵn được chia thành các băng con, hay còn gọi là các sóng mang con.Hơn nữa các sóng mang con trong một hệ thống OFDM chồng lấn lên nhau đểtối đa hoá hiệu quả băng thông Thông thường, các kênh con kế cận chồng lấnlên nhau có thể nhiễu lẫn nhau Tuy nhiên, các sóng mang con trong hệ thốngOFDM được trực giao một cách chính xác với nhau nên chúng có thể chồng lấn

mà không gây nhiễu lẫn nhau Do đó, các hệ thống OFDM có thể tối đa hoá hiệuquả độ rộng băng thông mà không gây nhiễu cho các kênh lân cận

Điều kiện trực giao của hai sóng mang con f và k f là: l

ïïî

Hình 1.5 (a) minh hoạ phổ dữ liệu riêng biệt của một kênh con và hình 1.5(b) là phổ tín hiệu OFDM với các kênh con chồng lấn lên nhau.

Hình 1.5 Phổ một kênh con OFDM (a) và một tín hiệu OFDM (b)

Các hệ thống thông tin OFDM có thể tận dụng tốt hơn hiệu quả phổ tần sốthông qua việc chồng lấn các sóng mang con Các sóng mang con này được sắpxếp trên miền tần số cách nhau một khoảng đều đặn sao cho công suất cực đạicủa mỗi sóng mang con tương ứng với công suất cực tiểu của các sóng mang conlân cận, nên chúng có thể chồng lấn một phần mà không gây nhiễu cho cácsymbol bên cạnh Trong hình 1.5, mỗi sóng mang con được biểu diễn bằng mộtđỉnh khác nhau và đỉnh mỗi sóng mang con tương ứng lập tức về không qua tất

cả các kênh của sóng mang con lân cận

Chú ý rằng các kênh OFDM khác so với các kênh FDM do việc sử dụng

bộ lọc tạo dạng xung Với hệ thống FDM, một xung hình sinc được sử dụngtrong miền thời gian để tạo dạng mỗi symbol riêng biệt và ngăn chặn ISI Còncác hệ thống OFDM lại sử dụng một xung hình sinc trong miền tần số nên mỗisóng mang con có thể duy trì được tính trực giao với sóng mang con khác

1.2 Sơ đồ khối hệ thống OFDM

Hình 1.6 biểu diễn hệ thống OFDM sử dụng IFFT (Inverse Fast Fourier

phát và bộ giải điều chế ở máy thu và có sử dụng tiếp đầu tuần hoàn CP (Cyclic Prefix)

Hình 1.6 Sơ đồ khối hệ thống OFDM Chức năng cơ bản của các khối trong sơ đồ khối hệ thống OFDM:

Bộ chuyển đổi nối tiếp thành song song: Trong hệ thống OFDM, một

luồng dữ liệu tốc độ lớn đầu vào (R bps) được chia thành rất nhiều luồng con

khác nhau với tốc độ nhỏ hơn rất nhiều tốc độ luồng dữ liệu đầu vào, do đó làmgiảm ISI và hạn chế pha đinh đa đường Các luồng con này được phát đồng thờitrên các sóng mang con Để thực hiện quá trình xử lý này, máy phát cần thiếtphải có bộ chuyển đổi một luồng bit dữ liệu nối tiếp thành một vài luồng bit dữliệu song song được phân chia giữa các sóng mang riêng biệt Một khi luồng bit

được phân chia giữa các sóng mang con riêng biệt thì mỗi sóng mang con đượcđiều chế trên một kênh con riêng trước khi tất cả các kênh được kết hợp lại vớinhau và được phát như là một tổng thể Máy thu thực hiện quá trình ngược lại đểphân chia tín hiệu đến thành các sóng mang con thích hợp và sau đó giải điềuchế riêng từng sóng mang con trước khi khôi phục lại luồng bit gốc.

Điều chế với biến đổi Fourier nhanh ngược (IFFT): Việc điều chế dữ

liệu thành một dạng sóng phức được thực hiện tại bộ biến đổi Fourier ngược rời

rạc IDFT (Inverse Decret Fourier Transform) của máy phát, và trong trường hợp

là bội số của 2 thì phép biến đổi IDFT này được thay thế bằng phép biến đổiIFFT Tại đây, hệ thống điều chế có thể được chọn hoàn toàn độc lập với kênh cụthể đang được sử dụng và có thể được chọn dựa trên các yêu cầu kênh Trongthực tế, mỗi sóng mang con riêng biệt có thể sử dụng một hệ thống điều chế khácnhau Vai trò của IFFT là để điều chế mỗi kênh con trên sóng mang tương ứng

Bộ chuyển đổi song song thành nối tiếp: Giai đoạn chuyển đổi song

song thành nối tiếp là quá trình tổng cộng tất cả các sóng mang con và kết hợpchúng thành một chuỗi gồm nhiều symbol OFDM nối tiếp nhau

Chèn tiếp đầu tuần hoàn : Vì các hệ thống thông tin vô tuyến khá nhạy

cảm với các phản xạ kênh đa đường nên một tiếp đầu tuần hoàn được gắn thêmvào để giảm ISI Tiếp đầu tuần hoàn này được chọn sao cho khoảng thời gian tồntại của nó lớn hơn trải trễ lớn nhất của kênh truyền Nó là bản sao chép của phầncuối một symbol và được gắn thêm vào phần đầu của symbol này Điều này đảmbảo tín tuần hoàn của các sóng mang con trong thời gian một chu kỳ tín hiệu, do

đó nó có thể đảm bảo tính trực giao giữa các sóng mang con, nên làm đơn giảnhoá cấu trúc bộ ước lượng kênh và bộ san bằng ở máy thu

Bộ chuyển đổi D/A: Sau khi các symbol OFDM được chèn thêm tiếp đầu

tuần hoàn thì chúng được đưa qua bộ chuyển đổi D/A để chuyển thành các tínhiệu tương tự

Ở máy thu thực hiện ngược lại với các quá trình diễn ra ở máy phát

1.3 Những vấn đề cơ bản đặc thù của OFDM

Trong phần này chúng ta tìm hiểu một số vấn đề cơ bản đặc thù củaOFDM như khoảng phòng vệ, tích chập vòng, biến đổi Fourier nhanh, tiếp đầutuần hoàn và san bằng trên miền tần số

1.3.1 Khoảng phòng vệ

Xét một symbol OFDM là một khối gồm các symbol dữ liệu L có khoảng

thời gian tồn tại là T(s), với T = LT S Sau khi truyền qua một kênh truyền vôtuyến, để các symbol OFDM này độc lập với nhau thì cần thiết phải sử dụng mộtkhoảng phòng vệ giữa chúng Hình 1.7 minh hoạ điều này

Như vậy với khoảng phòng vệ giữa các symbol OFDM lớn hơn trải trễ lớn

nhất của kênh ∆τ max thì mỗi symbol này chỉ gây nhiễu cho chính nó Nói cáchkhác, việc truyền OFDM chỉ có thể tạo ra ISI trong bản thân một symbol OFDM

và khi khoảng phòng vệ đủ lớn thì nó sẽ đảm bảo không có nhiễu lẫn nhau giữacác symbol OFDM kế cận như được chỉ ra trong hình 1.8

Hình 1.7 OFDM với khoảng phòng vệ

Hình 1.8 Ảnh hưởng của trải trễ kênh

1.3.2 Tích chập vòng và DFT

Nhờ sử dụng một khoảng phòng vệ thì các symbol OFDM kế cận đã hoàntoàn trực giao với nhau Nhiệm vụ tiếp theo là khắc phục ISI trong mỗi symbolOFDM Khi luồng dữ liệu đầu vào x(n) được truyền thông qua một kênh đáp ứngxung hạn chế FIR (Finite Impulse Response) không thay đổi theo thời gian tuyếntính h[n] thì đầu ra là tích chập tuyến tính của đầu vào và kênh truyền y[n] = x[n]

*h[n] Tuy nhiên có thể thay việc tính toán y[n] bằng tích chập vòng:

1.3.3 Tiếp đầu tuần hoàn

Thêm tiếp đầu tuần hoàn (CP) vào tín hiệu được phát như trong hình (1.9)

để tạo ra một tín hiệu x[n]L, và vì vậy ta có thể tính được tín hiệu ở đầu thu theocông thức y[n]=x[n] h[n]

Hình 1.9 Tiếp đầu tuần hoàn OFDM

Nếu trải trễ lớn nhất của kênh có khoảng thời gian là ν + 1 mẫu thì việc thêm một khoảng phòng vệ với ít nhất là ν mẫu giữa các symbol OFDM làm cho

mỗi symbol OFDM độc lập với các symbol trước và sau nó, và vì vậy chỉ cầnxem xét một symbol OFDM đơn lẻ Tạo ra một symbol OFDM như vậy trong

miền thời gian như là một vectơ có chiều dài L:

Hình 1.10 Minh hoạ tiếp đầu tuần hoàn

Hình 1.11 Giả tích chập vòng bằng tiếp đầu tuần hoàn

Vì vậy, bằng việc giả tích chập vòng như được minh hoạ trong hình 1.11,một tiền tố chu kỳ có chiều dài ít nhất bằng khoảng thời gian tồn tại của kênhcho phép đầu ra kênh y là kết quả của một phép nhân đơn giản của đáp ứng xungtần số của kênh H = DFT{h} và đầu vào miền tần số của kênh X = DFT{x}

Mặc dù tiền tố chu kỳ đơn giản và hiệu quả nhưng nó cũng có vài nhượcđiểm Nó làm tăng độ rộng băng thông và thiệt hại về công suất Nhưng có thể

thấy rằng với L >> ν thì việc mất hiệu quả phổ gây bởi tiền tố chu kỳ có thể nhỏ

một cách võ đoán bằng cách tăng số các sóng mang con

1.3.4 San bằng trong miền tần số

Khi sử dụng OFDM thì pha đinh tác động lên tín hiệu gần như là phẳng vàISI rất nhỏ Tuy nhiên, để ước lượng các symbol nhận được thì cần phải biết độlợi kênh phức cho mỗi symbol, từ đó mới xác định biên độ và pha của chúng

Do đó sau khi thực hiện FFT thì các symbol được ước lượng sử dụng một

bộ san bằng một khâu miền tần số hay còn gọi là FEQ theo công thức: ˆt t

t

Y X H

=

Trong đó, H t là đáp ứng phức của kênh tại tần số f c + (l - 1)∆f , và như vậy có thể

sửa được cả pha và san bằng cả biên độ trước khi đưa vào bộ quyết định

1.4 Ưu, nhược điểm hệ thống OFDM

1.4.1 Ưu điểm

Ngày nay, OFDM được ứng dụng rộng rãi trong nhiều hệ thống thông tin,đặc biệt là các hệ thống thông tin vô tuyến băng thông rộng bởi vì nó có nhiều ưuđiểm nổi bật

a, Hiệu quả sử dụng băng thông

Trong một hệ thống FDM truyền thống, mỗi kênh con được đặt cách nhaubởi khoảng phòng vệ để đảm bảo các kênh lân cận không nhiễu lẫn nhau Trongkhi đó hệ thống OFDM có các kênh con chồng lấn lên nhau Do đó nó có thể sửdụng tối đa băng thông hệ thống như được minh hoạ trong hình 1.12

Hình 1.12 Hiệu quả sử dụng phổ của OFDM

Theo lý thuyết, các bộ điều chế số M-mức sử dụng OFDM có thể đạt được hiệu

quả băng thông là log2M bit s Hz( / / ) Điều này được chứng minh như sau.

Ta có tốc độ symbol của luồng dữ liệu nối tiếp là 1/∆t, và tốc độ bit cho một

hệ thống M-mức tương ứng là log M2

t

D Tuy nhiên trong hệ thống OFDM, mỗi

kênh con phát với tốc độ nhỏ hơn L lần thì tốc độ bit là log M2

với f n là sóng mang con thứ n (n = 0, 1,…, L-1) và δ là độ rộng băng thông một

phía của kênh con Các sóng mang con này được đặt cách nhau một khoảng bằng

nhau sao cho f L-1 - 0 =(L - 1)Df . Vì 1

M t L

D , thì hiệu quả sử dụng phổ là h = log M2

(bit/s/Hz) Tuy nhiên trong thực tế, thực hiện phổ chồng lấn trên độ rộng băng

thông tối thiểu bằng hệ số α sao cho ( 1 ) 1

M

M L

Các hệ thống OFDM hạn chế được vấn đề này bằng cách tạo ra một khoảngsymbol dài hơn trải trễ của kênh truyền Tín hiệu từ một luồng dữ liệu tốc độ cao

được chia thành L luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn Thời gian tồn tại symbol của các kênh con tăng lên L lần sẽ làm giảm được ISI Hơn nữa ta còn có thể loại bỏ

được hoàn toàn ISI nếu thêm vào tín hiệu OFDM chuỗi tiếp đầu tuần hoàn (CP)

với độ dài của chuỗi lớn hơn trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh ∆τ max

c, Giảm pha đinh chọn lọc theo tần số và cấu trúc hệ thống đơn giản

Với hệ thống OFDM, pha-đinh chọn lọc tần số chỉ tác động đến một hoặcmột vài kênh con có băng tần tín hiệu nhỏ nên có thể coi là pha đinh phẳng Bởivậy, độ phức tạp của bộ san bằng và lọc nhiễu cũng giảm cho phép cấu trúc bộthu OFDM đơn giản đi rất nhiều Hơn nữa nhờ việc sử dụng sử dụng các bộ biếnđổi IFFT/FFT tương ứng thay cho các bộ điều chế và giải điều chế thì cấu trúcmáy phát và máy thu cũng đơn giản hơn rất nhiều Đặc biệt ngày nay khi côngnghệ chế tạo vi mạch phát triển với tốc độ xử lý cao thì công nghệ OFDM càng

có khả năng ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin, đặc biệt là trong các

hệ thống thông tin băng thông rộng như WiMAX

của tín hiệu lớn hơn đáng kể giá trị trung bình Tỉ số PAR cao là một trongnhững thách thức lớn nhất của hệ thống OFDM, bởi vì nó làm giảm hiệu quả phổ

và đẩy điểm làm việc của bộ khuếch đại công suất về vùng phi tuyến nên làm

tăng giá của bộ khuếch đại công suất tần số vô tuyến RF (Radio Frequency),

đây là một trong những thiết bị đắt nhất trong một hệ thống thông tin vô tuyến

Do đó cần thiết phải có các biện pháp làm giảm PAR của các tín hiệu OFDMtrước khi đưa qua bộ khuếch đại công suất

b, Dịch tần số và quá trình đồng bộ

Hệ thống OFDM rất nhạy cảm với lỗi dịch tần số vì xuất phát từ nguyên lý

cơ bản của OFDM là sự chồng lấn phổ giữa các sóng mang con chứ không phải

là các sóng mang con này được cách ly về phổ Hiện tượng dịch tần số này làmcho các sóng mang con không còn tính trực giao với nhau nữa, điều này dẫn đếnxuyên nhiễu giữa các sóng mang con lân cận và gây ra ICI Do đó hệ thốngOFDM yêu cầu việc đồng bộ tần số rất ngặt nghèo

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ WiMAX 2.1 Giới thiệu chung

Ngày nay nhu cầu các dịch vụ băng rộng đang phát triển mạnh mẽ Cácgiải pháp truyền thống cung cấp truy cập băng rộng tốc độ cao sử dụng các kỹ

thuật truy cập hữu tuyến như modem cáp, đường dây thuê bao số DSL (Digital

xây dựng và duy trì các mạng hữu tuyến, đặc biệt ở các vùng nông thôn vànhững vùng xa xôi hẻo lánh Kỹ thuật truy cập vô tuyến băng rộng BWA

(Broadband Wireless Access) là một giải pháp linh hoạt, hiệu quả và giá cả hợp

lý để khắc phục những vấn đề này Việc không tuân theo quy luật phổ vô tuyếntoàn cầu cũng khuyến khích sự phát triển các công nghệ BWA WiMAX là mộttrong số những công nghệ BWA phổ biến nhất hiện nay, nó hướng tới cung cấptruy cập vô tuyến băng rộng tốc độ cao cho các mạng đô thị không dây WMANs

(Wireless Metropolitan Area Networks) Chuẩn giao diện vô tuyến IEEE 802.16

nói chung được xem như là WiMAX, đây là một đặc điểm kỹ thuật cho cácchuẩn thông tin vô tuyến băng rộng được phát triển cho WMANs, hỗ trợ các truycập băng rộng cố định, lưu động, mang xách và di động Đồng thời nó cũng chophép khả năng liên thông và cùng tồn tại các hệ thống BWA giữa các nhà sảnxuất khác nhau với một giá cả hợp lý So sánh với mạng hữu tuyến phức tạp, một

hệ thống WiMAX chỉ bao gồm 2 phần: trạm gốc WiMAX BS (Base Station) và trạm thuê bao WiMAX SS (Subscriber Station) được xem như là các thiết bị

trong nhà khách hàng Do đó có thể xây dựng nhanh chóng với một chi phí thấp.Một cách cơ bản, WiMAX được xem như là một bước tiếp theo có thể được lựachọn trong con đường tiến hoá công nghệ di động

• Truy nhập cố định: Thiết bị của người sử dụng cố định tại một vị trí trongsuốt thời gian đăng ký hoạt động và luôn kết nối với cùng sector hay ôtrạm gốc.

• Truy nhập lưu động: Thiết bị của người sử dụng luôn cố định tại một vị trítrong suốt thời gian diễn ra kết nối mạng Nếu người sử dụng di chuyểnđến một vị trí khác thì thiết bị của người sử dụng sẽ được nhận dạng và cóthể thiết lập kết nối với mạng Khi kết nối, thiết bị người sử dụng có thểlựa chọn trạm gốc tốt nhất và trong khi đang kết nối nó sẽ kết nối với cùngsector hay ô trạm gốc

• Truy nhập xách tay (portable): Thiết bị người sử dụng luôn kết nối vớimạng khi người sử dụng di chuyển với tốc độ đi bộ trong vùng phủ sóngcủa mạng Khả năng chuyển vùng hạn chế có thể thực hiện được khi người

sử dụng di chuyển từ vùng phủ của ô này sang ô khác trong cùng mạng

• Di động hạn chế: Thiết bị người sử dụng có thể kết nối mạng với các ứngdụng phi thời gian thực trong khi di chuyển với tốc độ ô tô trong vùng phủsóng của mạng Chức năng chuyển vùng giữa các sector và các trạm gốccho phép kết nối được liên tục đối với các ứng dụng phi thời gian thực

• Di động đầy đủ: Thiết bị luôn được kết nối khi người sử dụng di chuyểnvới tốc độ cao trong vùng phủ sóng của mạng Chức năng chuyển vùngcho phép dịch vụ được liên tục với mọi ứng dụng

Trong các trường hợp trên, kết nối từ thiết bị đầu cuối của thuê bao tới trạmgốc của hệ thống có thể không cần trong tầm nhìn thẳng

Trong một tế bào điển hình có bán kính từ 3 km đến 10 km, các hệ thốngđược diễn đàn WiMAX (WiMAX Forum) chứng nhận sẽ có khả năng cung cấp

mang xách được Điều này có nghĩa là đủ băng thông để đồng thời hỗ trợ hàngtrăm doanh nghiệp với tốc độ kết nối T1 và hàng trăm hộ gia đình với phạm vibán kính của một tế bào điển hình lên tới 3 km

2.1.2 Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản

WiMAX là giải pháp băng rộng không dây yêu cầu các chỉ tiêu kỹ thuật cơbản với tính linh hoạt để đảm bảo các lựa chọn hiệu quả và các yêu cầu dịch vụtiềm năng Một số đặc điểm nổi bật và chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của WiMAXđược liệt kê dưới đây:

Lớp vật lý dựa trên OFDM: Lớp vật lý WiMAX dựa trên OFDM, đây là

sơ đồ khắc phục tốt truyền lan đa đường và cho phép WiMAX hoạt động trong

các điều kiện NLOS (Non–Line-Of-Sight) Ngày nay OFDM được thừa nhận như

là một phương pháp khả thi cho truyền dẫn đa đường vô tuyến băng rộng

Các tốc độ dữ liệu đỉnh rất cao: WiMAX có thể hỗ trợ các tốc độ dữ liệu

đỉnh rất cao Trong thực tế, tốc độ dữ liệu PHY đỉnh có thể đạt tới 74 Mbps khihoạt động sử dụng độ rộng phổ 20 MHz Trường hợp thông dụng hơn là hoạt

động ở phổ tần 10 MHz sử dụng sơ đồ TDD (Time Division Duplex) với tỉ lệ

đường xuống trên đường lên là 3:1, thì tốc độ dữ liệu PHY đỉnh đường lên vàđường xuống tương ứng khoảng 25 Mbps và 6,7 Mbps Cũng có thể đạt được

những tốc độ dữ liệu PHY đỉnh này khi sử dụng điều chế 64QAM (Quadrature Amplitude Modulation) với mã sửa lỗi tỉ lệ 5/6 Khi điều kiện dữ liệu tốt thì có

thể đạt được tốc độ dữ liệu đỉnh cao hơn bằng cách sử dụng nhiều anten và ghépkênh không gian

Hỗ trợ tốc độ dữ liệu và độ rộng băng thông thay đổi được: WiMAX

có một cấu trúc lớp vật lý có thể thay đổi được cho phép tốc độ dữ liệu tỉ lệ mộtcách dễ dàng với độ rộng băng thông Khả năng có thể thay đổi này được hỗ trợ

trong chế độ OFDMA, với kích thước FFT có thể thay đổi dựa trên độ rộng kênh

có sẵn Ví dụ như một hệ thống WiMAX có thể sử dụng FFT 128 bit, 512 bit,hoặc 1048 bit FFT tương ứng dựa trên hoặc độ rộng băng thông 1,25 MHz, 5MHz, hoặc 10 MHz Sự thay đổi này có thể được thực hiện động để hỗ trợ ngườidùng roaming qua các mạng có những định vùng độ rộng băng thông khác nhau

Mã hoá và điều chế thích nghi AMC (Adaptive Modulation and

Coding): WiMAX hỗ trợ một số sơ đồ điều chế và mã hoá sửa lỗi hướng đi FEC (Forward Error Correction) và cho phép thay đổi sơ đồ điều chế và mã hoá đối

với cùng một dữ liệu người sử dụng và trên mỗi cơ sở khung tuỳ thuộc vào cácđiều kiện kênh AMC là một cơ cấu hiệu quả để tối đa hoá thông lượng trongmột kênh thay đổi theo thời gian Thuật toán thích nghi một cách điển hình thôngbáo cho việc sử dụng sơ đồ mã hoá và điều chế cao nhất, sơ đồ này có thể được

hỗ trợ bởi tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm và nhiễu tại máy thu sao cho mỗi người sửdụng được cung cấp tốc độ dữ liệu cao nhất có thể

Việc truyền lại lớp liên kết: Đối với các kết nối yêu cầu khả năng đáng

tin cậy cao, WiMAX hỗ trợ các yêu cầu truyền lại tự động ARQ (Automatic Retransmission Request) tại lớp liên kết Các kết nối cho phép ARQ yêu cầu mỗi

gói được phát lại được xác nhận bởi máy thu; các gói không được xác nhận sẽđược kết luận là bị mất và được phát lại WiMAX cũng hỗ trợ khả năng lựa chọnARQ lai là một sự kết hợp hiệu quả giữa FEC và ARQ

Hỗ trợ cho TDD và FDD: IEEE 802.16-2004 và IEEE 802.16e-2005 hỗ

trợ cả song công phân chia theo thời gian TDD (Time Division Duplex) và theo tần số FDD (Frequencies Division Duplex) cũng như FDD bán song công cho

phép việc thực thi hệ thống với chi phí thấp TDD được yêu thích hơn vì những

ưu điểm của nó: (1) sự linh hoạt trong việc lựa chọn tỉ lệ tốc độ dữ liệu đường

thực hiện trong phổ không đối xứng, và (4) ít phức tạp trong việc thiết kế máyphát Tất cả các cấu hình WiMAX ban đầu đều dựa trên TDD, ngoại trừ 2 cấuhình WiMAX cố định ở băng tần 3.5 GHz.

OFDMA: WiMAX di động sử dụng OFDM như là một kỹ thuật đa truy

cập, ở đó những người sử dụng khác nhau có thể được gán những tập con khácnhau của các sóng mang con OFDM OFDMA dễ dàng triển khai phân tập tần số

và phân tập đa người dùng để cải thiện đáng kể dung lượng hệ thống

Việc gán nguồn người sử dụng linh hoạt và động: Cả việc gán nguồn

đường lên và đường xuống được điều khiển bởi một bộ lập lịch trong trạm gốc.Dung lượng được chia sẻ giữa những người sử dụng tuỳ theo nhu cầu sử dụng

một sơ đồ luồng TDM (Time Division Multplexing) Khi sử dụng chế độ

OFDMA-PHY, ghép kênh được thực hiện bổ sung trong miền tần số bằng cáchgán những tập con các sóng mang con OFDM khác nhau cho những người sửdụng khác nhau Các nguồn có thể được gán trong miền không gian khi sử dụng

các hệ thống anten tiên tiến tuỳ chọn AAS (Advanced Antenna System) Tiêu

chuẩn này cho phép các nguồn độ rộng băng thông được gán trong miền thờigian, tần số và không gian và có một cơ chế linh hoạt để truyền đi thông tin định

vị nguồn trên cơ sở từ khung này đến khung khác

Hỗ trợ các kỹ thuật anten thích nghi: Giải pháp WiMAX có một số

lượng các hook được xây dựng thành bản thiết kế lớp vật lý cho phép sử dụngcác kỹ thuật đa anten như beamforming, mã không gian thời gian, và ghép kênhkhông gian Các hệ thống này có thể được sử dụng để cải thiện dung lượng toàn

bộ hệ thống và hiệu quả phổ bằng cách sử dụng đa anten tại máy phát và/hoặcmáy thu

Hỗ trợ chất lượng dịch vụ: Lớp điều khiển truy cập môi trường MAC

kế để hỗ trợ các ứng dụng khác nhau, bao gồm thoại và các dịch vụ đa phươngtiện Các hệ thống yêu cầu hỗ trợ tốc độ bit không thay đổi, tốc độ bit thay đổi,các luồng lưu lượng thời gian thực, và phi thời gian thực, cùng với lưu lượng dữliệu nỗ lực tốt nhất MAC WiMAX được thiết kế để hỗ trợ một số lượng lớnngười sử dụng với đa kết nối trên mỗi đầu cuối, mỗi kết nối này có một yêu cầuQoS của chính nó.

Bảo mật tốt: WiMAX hỗ trợ tốt mã hoá mật, sử dụng chuẩn mã hoá mật

tiên tiến AES (Advanced Encryption Standard) đảm bảo tính riêng tư và giao

thức quản lý cơ bản Hệ thống này cũng yêu cầu một cấu trúc nhận thực linh hoạt

dựa trên giao thức nhận thực mở rộng EAP (Extensible Authentication Protocol)

tạo ra một loạt các khả năng người sử dụng như username/password, các chứngnhận số và các thẻ thông minh

Hỗ trợ khả năng di động: Biến thể WiMAX di động của hệ thống này có

các cơ chế hỗ trợ chuyển vùng kết hợp bảo mật cho các ứng dụng di động hoàntoàn bỏ qua trễ (delay-tolerant) như VoIP Hệ thống này cũng xây dựng việc hỗtrợ các cơ chế tiết kiệm công suất để kéo dài tuổi thọ nguồn của các thiết bịmang xách người sử dụng Việc nâng cao lớp vật lý như có nhiều hơn ước lượngkênh tần số, kênh con hoá đường lên và điều khiển công suất cũng được cụ thểhoá trong việc hỗ trợ các ứng dụng di động

Cấu trúc dựa trên IP: Diễn đàn WiMAX định nghĩa một cấu trúc mạng

tham chiếu dựa trên một platform all-IP Tất cả các dịch vụ đầu cuối tới đầu cuối

được phân phối trên một cấu trúc IP (Internet Protocol) nằm trên các giao thức

dựa trên IP cho việc truyền đầu cuối tới đầu cuối, QoS, quản lý phiên, bảo mật

và di động Việc dựa trên IP cho phép WiMAX điều khiển suy giảm quá trình xử

lý IP, tương đồng một cách dễ dàng với các mạng khác, và sử dụng hệ thống

Băng tần cho WiMAX: Băng tần được diễn đàn WiMax tập trung xem

xét và vận động các cơ quan quản lý tần số các nước phân bổ cho WiMax là:

- Băng 3400-3600 MHz (băng 3,5 GHz) được nhiều nước phân bổ cho hệ

thống truy cập không dây cố định FWA (Fixed Wireless Access) hoặc cho hệ

thống truy cập không dây băng rộng (WBA) Vì vậy, WiMAX Forum đã thốngnhất lựa chọn băng tần này cho WiMAX Các hệ thống WiMAX ở băng tần này

sử dụng chuẩn 802.16-2004 để cung cấp các ứng dụng cố định và normadic, độrộng phân kênh là 3,5 MHz hoặc 7 MHz, chế độ song công TDD hoặc FDD Đốivới Việt Nam, do băng tần này được ưu tiên dành cho hệ thống vệ tinh Vinasatnên hiện tại không thể triển khai cho WiMAX

- Băng 3600-3800 MHz được một số nước châu Âu xem xét để cấp choWBA Tuy nhiên, do một phần băng tần này (từ 3,7-3,8 GHz) đang được nhiều

hệ thống vệ tinh viễn thông sử dụng (đường xuống băng C), đặc biệt là ở khuvực châu Á, nên ít có khả năng băng tần này sẽ được chấp nhận cho WiMAX

- Băng 3300-3400 MHz (băng 3,3 GHz) đã được phân bổ ở Ấn Độ, TrungQuốc và Việt Nam đang xem xét phân bổ chính thức Chuẩn WiMAX áp dụng ởbăng tần này là WiMAX cố định, chế độ song công FDD hoặc TDD, độ rộngkênh 3,5 MHz hoặc 7 MHz

- Băng 2500-2690 MHz (2,5 GHz) được WiMAX Forum ưu tiên lựa chọncho WiMAX di động do điều kiện truyền sóng của băng tần này thích hợp chocác ứng dụng di động và băng tần này có khả năng sẽ được nhiều nước cho phép

sử dụng WBA bao gồm cả WiMAX WiMAX ở băng tần này có độ rộng kênh là5MHz, chế độ song công TDD, FDD Với Việt Nam, Quy hoạch phổ vô tuyếnđiện quốc gia được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt cuối năm 2005 quy địnhbăng tần 2500-2690 MHz sẽ được sử dụng cho các hệ thống thông tin di động

thế hệ mới Vì vậy, có thể hiểu công nghệ WiMAX di động cũng là một đốitượng của quy định này

- Băng 2300-2400 MHz (2,3 GHz) cũng có đặc tính truyền sóng tương tựnhư băng 2,5 GHz nên đây là băng tần được WiMAX Forum xem xét choWiMAX di động Hiện có một số nước phân bổ băng tần này cho WBA như HànQuốc (triển khai WiBro), Úc, Mỹ, Canada, Singapore Đối với Việt Nam, đâycũng là một băng tần có khả năng sẽ được sử dụng để triển khai WBA/WiMAX

- Băng 5725-5850 MHz (băng 5,8 GHz) được WiMAX Forum quan tâm

vì đây là băng tần được nhiều nước cho phép sử dụng không cần cấp phép và vớicông suất tới cao hơn so với các đoạn băng tần khác trong dải 5GHz TheoWiMAX Forum, băng tần này thích hợp để triển khai WiMAX cố định, độ rộngphân kênh là 10 MHz, sử dụng phương thức song công TDD

- Băng dưới 1 GHz, với các tần số càng thấp, sóng vô tuyến truyền lancàng xa, số trạm gốc cần sử dụng càng ít nên chi phí đầu tư cho hệ thống thấp đi

Vì vậy, WiMAX Forum cũng đang xem xét khả năng sử dụng các băng tần dưới1GHz, đặc biệt là băng 700-800MHz Ở Việt Nam các kênh trong dải 470-806MHz dành cho truyền hình được sử dụng dày đặc cho các hệ thống truyềnhình tương tự Hiện chưa có lộ trình cụ thể nào để chuyển đổi các hệ thốngtruyền hình tương tự này sang truyền hình số, nên chưa thấy có khả năng có băngtần để cấp cho WBA/WiMAX ở dải băng này

2.1.3 Vai trò của WiMAX trong mạng viễn thông

WiMAX đóng vai trò quan trọng trong mạng viễn thông vì nó là một côngnghệ độc lập cho phép truy cập băng rộng cố định và di động Chuẩn WiMAX làcần thiết để đạt mục tiêu chi phí thấp hơn Đây là điều mà các giải pháp vô tuyến

WiMAX có khả năng tương thích cho phép giảm bớt chi phí sản xuất nhờ việctích hợp các chip chuẩn, làm cho các sản phẩm được Diễn đàn WiMAX chứngnhận có chi phí hợp lý để cung cấp các dịch vụ băng rộng công suất cao ở nhữngkhoảng cách bao phủ lớn trong các môi trường LOS và NLOS Trong vô tuyếnbăng rộng cố định, WiMAX cung cấp truy cập băng rộng cần thiết tới các doanhnghiệp và người sử dụng là hộ gia đình như là một sự thay thế cho các dịch vụcáp và DSL đặc biệt là khi truy cập tới cáp đồng là rất khó khăn Còn trong vôtuyến băng rộng di động, nó bổ sung trọn vẹn cho 3G với hiệu suất truyền dữliệu luồng xuống cao hơn 1Mbit/s, cho phép kết nối các máy laptop và thiết bị

kỹ thuật số cá nhân PDA (Personal Digital Assistant), và bổ sung cho Wi-Fi (Wireless Fidelity) nhờ độ bao phủ rộng hơn.

Chúng ta đã biết đến công nghệ truy cập Internet phổ biến hiện nay nhưquay số qua modem thoại, đường dây thuê bao số bất đối xứng ADSL

(Asymmetric Digital Subscriber Line), hay các đường thuê kênh riêng, hoặc

thông qua các các hệ thống vô tuyến như điện thoại di động, hay mạng WiFi.Mỗi phương pháp truy cập mạng có đặc điểm riêng Đối với modem thoại thì tốc

độ quá thấp, ADSL tốc độ có thể lên tới 8 Mbps nhưng cần có đường dây kếtnối, các đường thuê kênh riêng thì giá thành đắt mà không dễ dàng triển khai đốivới các khu vực có địa hình phức tạp Hệ thống thông tin di động hiện tại cungcấp tốc độ truyền 9,6 Kbps là quá thấp so với nhu cầu người sử dụng, ngay cả

các mạng thế hệ sau GSM (Globle System For Mobile Communication) như dịch

vụ vô tuyến gói tổng hợp GPRS (General Package Radio Service) (2,5 GHz) cho phép truy cập tốc độ lên đến 171,2 Kpbs hay EDGE (Enhanced Data Rate For GSM Evolution) khoảng 300-400 Kbps cũng chưa thể đáp ứng đủ nhu cầu ngày

càng tăng khi sử dụng các mạng dịch vụ Internet Ở hệ thống di động thế hệ tiếp

theo 3G, tốc độ truy cập Internet cũng không vượt quá 2 Mbps Mạng Wi-Ficũng chỉ có thể áp dụng cho các máy tính trao đổi thông tin với nhau ở khoảngcách ngắn Với thực tế như vậy, WiMAX ra đời nhằm cung cấp một phương tiệntruy cập Internet không dây tổng hợp thay thế cho Wi-Fi và ADSL Hệ thốngWiMAX có khả năng cung cấp đường truyền với tốc độ lên tới 70 Mbps và bánkính phủ sóng của một trạm anten phát lên đến 50 km Mô hình phủ sóng củamạng WiMAX tương tự như mạng điện thoại tế bào Bên cạnh đó, WiMAXcũng hoạt động mềm dẻo như Wi-Fi khi truy cập mạng Mỗi khi một máy tínhmuốn truy cập mạng, nó sẽ tự động kết nối tới trạm anten WiMAX gần nhất

2.2 Các chuẩn WiMAX

WiMAX là một bộ tiêu chuẩn dựa trên họ tiêu chuẩn 802.16 của nhómIEEE nhưng phạm vị hẹp hơn và tập trung vào một số cấu hình hiện có NhómIEEE 802.16 được hình thành vào năm 1998 để nghiên cứu một tiêu chuẩn giaodiện vô tuyến băng rộng không dây Trọng tâm ban đầu của nhóm là phát triểnmột hệ thống băng rộng không dây điểm đa điểm dựa trên LOS cho việc hoạtđộng trong dải sóng mm 10 – 66 GHz Tiêu chuẩn 802.16 ban đầu được hoànthiện vào tháng 12/2001 – dựa trên lớp vật lý một sóng mang đơn với một lớpMAC được ghép kênh phân chia theo thời gian Sau đó, nhóm IEEE 802.16 đãđưa ra một sự sửa đổi cho chuẩn trên để tạo ra 802.16a, bao gồm các ứng dụngNLOS trong dải 2 – 11GHz, sử dụng lớp vật lý dựa trên OFDM, cùng với lớpMAC và sự hỗ trợ OFDMA Việc sửa đổi tiếp theo để tạo ra một chuẩn mớitrong năm 2004 được gọi là IEEE 802.16-2004 thay thế tất cả các phiên bảntrước đó và hình thành cơ sở cho giải pháp WiMAX thời kỳ ban đầu Những giảipháp WiMAX đầu tiên này dựa trên các ứng dụng cho mục đích cố định IEEE

đã hoàn thiện và thông qua IEEE 802.16-2005, một sửa đổi nữa cho chuẩn IEEE802.16-2004 và được hỗ trợ tính năng di động IEEE 802.16-2005 hình thànhgiải pháp cơ sở cho WiMAX cho các ứng dụng lưu động và di động và thườngđược gọi là WiMAX di động Các đặc tính khác nhau cơ bản của các chuẩnIEEE 802.16 được tổng kết trong bảng 2.1

Mục đích phát triển các chuẩn WiMAX là giúp cho công nghiệp cung cấpcác giải pháp liên thông và tương thích trên các phần băng rộng và làm đơn giảnhoá tính thương mại hoá các sản phẩm WiMAX Sau đây chúng ta sẽ tìm hiểunhững vấn đề cơ bản về chuẩn WiMAX cố định và di động

2.2.1 Chuẩn WiMAX cố định (IEEE 802.16-2004)

Chuẩn IEEE 802.16-2004 hay còn gọi là WiMAX cố định, trước đó được gọi

là phiên bản 802.16 Revision D được IEEE thông qua tháng 7 năm 2004 Tiêuchuẩn này sử dụng kỹ thuật OFDM và có thể cung cấp các dịch vụ cố định,normadic theo tầm nhìn thẳng và tầm nhìn bị che khuất, với các thiết bị thông tinlàm việc với các anten đặt cố định tại nhà các thuê bao Anten đặt trên nóc nhàhoặc trên một tháp tương tự như chảo thông tin vệ tinh Chuẩn IEEE 802.16-

2004 cũng cho phép anten đặt trong nhà nhưng tín hiệu thu không khoẻ bằnganten ngoài trời Băng tần công tác (tuỳ theo quy định và phân bổ của quốc gia)trong băng 2,5 hoặc 3 GHz Độ rộng băng tần là 3,5 MHz WiMAX cố định cóthể phục vụ cho các đối tượng người dùng như: các công ty, các khu dân cư nhỏ

lẻ, mạng cáp truy cập, WLAN (Wireless Local Area Network) công cộng nối tới

mạng đô thị, các trạm gốc của thông tin di động nối tới các mạch điều khiển trạmgốc Về phân bố theo địa lý, các thuê bao có thể phân tán tại các địa phương nhưnông thôn và các vùng sâu vùng xa khó triển khai mạng cáp hữu tuyến

2.2.2 Chuẩn WiMAX di động (IEEE 802.16e-2005)

Chuẩn IEEE 802.16e-2005 hay còn gọi là chuẩn WiMAX di động đượcIEEE thông qua vào tháng 12 năm 2005 hướng tới cung cấp khả năng mang xách

và di động cho các thiết bị không dây và hỗ trợ cho chuyển giao lớp cao hơn màcác chuẩn trước đây không có Chuẩn này nâng cao chất lượng mạng trong môitrường cố định bằng cách sử dụng phương thức điều chế OFDMA Tuy nhiêncác băng tần số phù hợp cho khả năng di động phải dưới 6 GHz

So sánh với 802.16-2004, 802.16e-2005 có thông lượng thấp hơn (15Mbps) nhưng nó hỗ trợ cả chuyển vùng cứng và mềm Chuyển vùng cứng dựatrên khái niệm break-before-make dẫn tới độ trễ cao trong khi chuyển vùng mềm

sử dụng phương pháp make-before-break để tối thiểu hoá trễ Chuyển vùng cứngthường được sử dụng cho truyền dẫn dữ liệu, còn chuyển vùng mềm phù hợphơn cho các ứng dụng nhạy cảm với trễ như VoIP và các trò chơi trực tuyến

IEEE 802.16e-2005 sử dụng OFDMA với kích thước bộ FFT có thể thayđổi được tuỳ theo điều kiện kênh để nâng cao chất lượng mạng OFDMA là mộtphiên bản của OFDM đa người dùng và là một cách linh hoạt hơn để quản lýnhững thiết bị người sử dụng khác nhau với các loại anten khác nhau TrongOFDM, chỉ có một thiết bị người sử dụng được sử dụng kênh trong suốt một khethời gian đơn, còn OFDMA cho phép đa người dùng phát dữ liệu đồng thời Một

số lượng người dùng trao đổi thông tin tại cùng một thời điểm sử dụng các kênhcon được gán tới họ

Mã hoá, điều chế và biên độ tín hiệu được thiết lập độc lập cho mỗi kênhcon dựa trên các điều kiện kênh để tối ưu hoá việc tận dụng các nguồn mạng Từkhía cạnh người sử dụng, kênh con hoá cho phép gán các kênh con khác nhau tớinhững thuê bao khác nhau tuỳ theo yêu cầu của họ và các điều kiện kênh Một

khách hàng có thể được gán 2 hoặc nhiều hơn các kênh con Đối với người cungcấp dịch vụ, kênh con hoá cung cấp một giải pháp quản lý độ rộng băng thônglinh hoạt và hiệu quả và một phương pháp truyền dẫn công suất linh hoạt Khicác điều kiện kênh vô tuyến trở nên xấu thì một mức công suất cao hơn có thểđược gán tới những kênh con đó.

Với việc sử dụng OFDMA, các thiết bị người sử dụng có thể được hỗ trợvới cùng tốc độ dữ liệu như OFDM So sánh với OFDM, OFDMA hỗ trợ kíchthước FFT lớn hơn là 1024 sao cho nó cho phép việc gán độ rộng băng thôngthuê bao linh hoạt hơn

Bảng 2.1 Cơ sở dữ liệu của các chuẩn IEEE 802.16

Sóng mang đơn,

256 OFDM hoặc2,048 OFDM

Sóng mang đơn, 256 OFDM hoặc OFDM thay đổi được với 128, 512, 1,024, 2,048 sóng mang Điều chế QPSK,

16QAM, 64QAM

QPSK, 16QAM, 64QAM

QPSK, 16QAM, 64QAM

Tốc độ dữ liệu

tổng cộng

134,4Mbps