TIỂU LUẬN MÔN CÔNG NGHỆ VỆ TINH ỨNG DỤNG OFDM TRONG WIMAX

WiMax được phát triển dựa trên nền tảng công nghệ ghép kênh chia theo tần số trực giao.Lợi ích của WiMax là khả năng ghép kênh cao, vì thế các nhà cung cấp dịch vụ có thể dễ dàngcung cấp

ĐH QUỐC GIA TP.HCM

ĐH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

MÔN : CÔNG NGHỆ VỆ TINH

ĐỀ TÀI : ỨNG DỤNG OFDM TRONG WIMAX

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

LỜI NÓI ĐẦU 3

I Giới thiệu chung về WIMAX : 4

1 Khái niệm : 4

2 Đặc điểm : 4

3 Các chuẩn WIMAX : 6

4 Phổ WIMAX : 8

5 Truyền sóng : 9

6 Thị trường cho WIMAX : 15

7 Các ứng dụng : 15

II Kỹ thuật OFDM trong WIMAX : 17

1 Khái niệm OFDM : 17

2 Đặc điểm OFDM : 17

3 Ưu và nhược đểm của OFDM : 27

4 Công nghệ OFDM cho việc truyền dẫn vô tuyến ở mạng WIMAX : 28

III Kỹ thuật OFDMA trong WIMAX : 30

1 Giới thiệu kỹ thuật OFDMA : 30

2 Đặc điểm : 30

3 OFDMA nhảy tần : 31

4 Hệ thống OFDMA : 33

5 Điều khiển công suất : 44

IV Kết luận : 45

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, công nghệ thông tin đã chứng kiến sự bùng nổ của nền côngnghiệp mạng không dây Khả năng liên lạc không dây đã gần như tất yếu trong các thiết bị cầmtay (PDA), máy tính xách tay, điện thoại di động và các thiết bị số khác Với các tính năng ưuviệt về vùng phục vụ kết nối linh động, khả năng triển khai nhanh chóng, giá thành ngày cànggiảm

Xu hướng kết nối không dây/vô tuyến ngày càng trở nên phổ cập trong kết nối mạng máytính Với chiều hướng giá thành của máy tính xách tay ngày càng giảm và nhu cầu truy nhậpInternet ngày càng tăng, tại các nước phát triển các dịch vụ truy nhập Internet không dây đã trởnên phổ cập, bạn có thể ngồi trong tiền sảnh của một khách sạn và truy nhập Internet từ máy tínhxách tay của mình một cách dễ dàng thông qua kết nối không dây và công nghệ dịch chuyển địachỉ IP Công nghệ hiện tại đã đem đến Bluetooth kết nối không dây, Wi-Fi truy xuất Internetkhông dây, điện thoại di động Nhưng bên cạnh ưu điểm, công nghệ kết nối không dây hiện naycòn hạn chế và chưa thật sự liên thông với nhau Vấn đề chính với truy nhập WiFi đó là cáchotspot thì rất nhỏ, vì vậy phủ sóng rải rác Cần có một hệ thống không dây mà cung cấp tốc độbăng rộng cao khả năng phủ sóng lớn hơn Đó chính là WiMAX(Worldwide InteroperabilityMicrowave Access) Nó cũng được biết đến như là IEEE 802.16 WiMAX là một công nghệ dựatrên nền tảng một chuẩn tiến hóa cho mạng không dây điểm- đa điểm, là giải pháp cho mạng đôthị không dây băng rộng với phạm vi phủ sóng tới 50km và tốc độ bit lên tới 75Mbps với kênh20MHz, bán kính cell từ 2-9km

Chuẩn được thiết kế mới hoàn toàn với mục tiêu cung cấp những trục kết nối trực tiếptrong mạng nội thị (Metropolitan Area Network-MAN) đạt băng thông tương đương cáp, DSL,trục T1 phổ biến hiện nay Công nghệ WiMax đang là xu hướng mới cho các tiêu chuẩn giaodiện vô tuyến trong việc truy nhập không dây băng thông rộng cho cả thiết bị cố định, xách tay

và di động Chất lượng dịch vụ được thiết lập cho từng kết nối, an ninh tốt, hỗ trợ multicast cũngnhư di động, sử dụng cả phổ tần cấp phép và không được cấp phép WiMax thực sự đang đượccác nhà cung cấp dịch vụ cũng như các nhà sản xuất quan tâm

WiMax được phát triển dựa trên nền tảng công nghệ ghép kênh chia theo tần số trực giao.Lợi ích của WiMax là khả năng ghép kênh cao, vì thế các nhà cung cấp dịch vụ có thể dễ dàngcung cấp cho khách hàng dịch vụ truy nhập không dây Khả năng hoạt động NLOS

Nhóm sẽ đi sâu vào nghiên cứu tổng quan về WIMAX và ứng dụng của OFDM trongcông nghệ mới này

I Giới thiệu chung về WIMAX :

1 Khái niệm :

WiMAX là hệ thống truy nhập vi ba có tính tương thích toàn cầu dựa trên cơ sở tiêuchuẩn IEEE 802.16 Công nghệ WiMAX cung cấp phạm vi và băng thông lớn hơn họ các chuẩnWi-Fi và cung cấp một sự thay thế không dây cho backhaul có dây và những triển khai last mile

mà sử dụng các modem cáp, các công nghệ DSL, các hệ thống T-x/E-x, và các công nghệ OC-x

WiMAX là một chuẩn không dây đang phát triển rất nhanh, hứa hẹn tạo ra khả năng kếtnối băng thông rộng tốc độ cao cho cả mạng cố định lẫn mạng không dây di động, phạm vi phủsóng được mở rộng

2 Đặc điểm :

WiMAX đã được thiết kế để chú trọng vào những thách thức gắn với các loại triển khaitruy nhập có dây truyền thống như:

 Bachhaul Sử dụng các anten điểm – điểm để nối nhiều hotspot với nhau và đến các trạm

gốc qua những khoảng các dài (đường kết nối giữa điểm truy nhập WLAN và mạng băng rộng

cố định)

 Last mile Sử dụng các anten điểm – đa điểm để nối các thuê bao thuộc nhà riêng hoặc

doanh nghiệp tới trạm gốc

WiMAX đã được phát triển với nhiều mục tiêu quan tâm như:

 Cấu trúc mềm dẻo: WiMAX hỗ trợ các cấu trúc hệ thống bao gồm điểm – đa điểm, công

nghệ mesh và phủ sóng khắp mọi nơi MAC (điều khiển truy nhập phương tiện truyền dẫn) hỗtrợ điểm – đa điểm và dịch vụ rộng khắp bởi lập lịch một khe thời gian cho mỗi SS (trạm thuêbao) Nếu có duy nhất một SS trong mạng, BS (trạm gốc) sẽ liên lạc với SS trên cơ sở điểm –điểm Một BS trong một cấu hình điểm – điểm có thể sử dụng anten chùm hẹp hơn để bao phủcác khoảng cách xa hơn

 Chất lượng dịch vụ QoS: WiMAX có thể được tối ưu động đối với hỗn hợp lưu lượng sẽ

được mang Có 4 loại dịch vụ được hỗ trợ: dịch vụ cấp phát tự nguyện (UGS), dịch vụ hỏi vòngthời gian thực (rtPS), dịch vụ hỏi vòng không thời gian thực (nrtPS), nỗ lực tốt nhất (BE).iMX

 Triển khai nhanh: So sánh với triển khai các giải pháp có dây, WiMAX yêu cầu ít hoặc

không có bất cứ sự xây dựng thiết lập bên ngoài Ví dụ, đào hố để tạo rãnh các đường cáp thìkhông yêu cầu Các nhà vận hành mà đã có được các đăng ký để sử dụng một trong các dải tầnđăng ký, hoặc dự kiến sử dụng một trong các dải tần không đăng ký, không cần đệ trình các ứng

dụng hơn nữa cho chính phủ

 Dịch vụ đa mức: Cách thức nơi mà QoS được phân phát nói chung dựa vào sự thỏa thuận

mức dịch vụ (SLA) giữa nhà cung cấp dịch vụ và người sử dụng cuối cùng Chi tiết hơn, một nhàcung cấp dịch vụ có thể cung cấp các SLA khác nhau tới các thuê bao khác nhau, thậm chí tớinhững người dùng khác nhau sử dụng cùng SS Cung cấp truy nhập băng rộng cố định trongnhững khu vực đô thị và ngoại ô, nơi chất lượng cáp đồng thì kém hoặc đưa vào khó khăn, khắcphục thiết bị số trong những vùng mật độ thấp nơi mà các nhân tố công nghệ và kinh tế thực hiệnphát triển băng rộng rất thách thức

 Tính tương thích: WiMAX dựa vào quốc tế, các chuẩn không có tính chất rõ rệt nhà cung

cấp, tạo ra sự dễ dàng đối với người dùng cuối cùng để truyền tải và sử dụng SS của họ ở các vịtrí khác nhau, hoặc với các nhà cung cấp dịch vụ khác nhau Tính tương thích bảo vệ sự đầu tưcủa một nhà vận hành ban đầu vì nó có thể chọn lựa thiết bị từ các nhà đại lý thiết bị, và nó sẽtiếp tục đưa chi phí thiết bị xuống khi có một sự chấp nhận đa số

 Di động: IEEE 802.16e bổ sung thêm các đặc điểm chính hỗ trợ khả năng di động Những

cải tiến lớp vật lý OFDM (ghép kênh phân chia tần số trực giao) và OFDMA (đa truy nhập phânchia tần số trực giao) để hỗ trợ các thiết bị và các dịch vụ trong một môi trường di động Nhữngcải tiến này, bao gồm OFDMA mở rộng được, MIMO (nhiều đầu ra nhiều đầu vào), và hỗ trợđối với chế độ idle/sleep và hand – off, sẽ cho phép khả năng di động đầy đủ ở tốc độ tới 160km/h Mạng WiMax di động cho phép người sử dụng có thể truy cập Internet không dây băngthông rộng tại bất cứ trong thành phố nào

 Lợi nhuận: WiMAX dựa vào một chuẩn quốc tế mở Sự chấp nhận đa số của chuẩn, và sử

dụng chi phí thấp, các chip được sản xuất hàng loạt, sẽ đưa chi phí giảm đột ngột, và giá cạnhtranh xảy ra sẽ cung cấp sự tiết kiệm chi phí đáng kể cho các nhà cung cấp dịch vụ và người sửdụng cuối cùng Môi trường không dây được sử dụng bởi WiMAX cho phép các nhà cung cấpdịch vụ phá vỡ những chi phí gắn với triển khai có dây, như thời gian và công sức

 Hoạt động NLOS: Khả năng họat động của mạng WiMAX mà không đòi hỏi tầm nhìn

thắng giữa BS và SS Khả năng này của nó giúp các sản phẩm WiMAX phân phát dải thông rộngtrong một môi trường NLOS

 Phủ sóng rộng hơn: WiMAX hỗ trợ động nhiều mức điều chế, bao gồm BPSK, QPSK,

16QAM, 64QAM Khi yêu cầu với bộ khuếch đại công suất cao và hoạt động với điều chế mứcthấp (ví dụ BPSK hoặc QPSK) Các hệ thống WiMAX có thể phủ sóng một vùng địa lý rộng khiđường truyền giữa BS và SS không bị cản trở Mở rộng phạm vi bị giới hạn hiện tại của WLANcông cộng (hotspot) đến phạm vi rộng (hotzone) – cùng công nghệ thì có thể sử dụng ở nhà và dichuyển Ở những điều kiện tốt nhất có thể đạt được phạm vi phủ sóng 50 km với tốc độ dữ liệu

bị hạ thấp (một vài Mbit/s), phạm vi phủ sóng điển hình là gần 5 km với CPE (NLOS) trong nhà

và gần 15km với một CPE được nối với một anten bên ngoài (LOS)

 Dung lượng cao: Có thể đạt được dung lượng 75 Mbit/s cho các trạm gốc với một kênh 20

MHz trong các điều kiện truyền sóng tốt nhất

 Tính mở rộng Chuẩn 802.16 -2004 hỗ trợ các dải thông kênh tần số vô tuyến (RF) mềm

dẻo và sử dụng lại các kênh tần số này như là một cách để tăng dung lượng mạng Chuẩn cũngđịnh rõ hỗ trợ đối với TPC (điều khiển công suất phát) và các phép đo chất lượng kênh như cáccông cụ thêm vào để hỗ trợ sử dụng phổ hiệu quả Chuẩn đã được thiết kế để đạt tỷ lệ lên tớihàng trăm thậm chí hàng nghìn người sử dụng trong một kênh RF Các nhà vận hành có thể cấpphát lại phổ qua hình quạt như số thuê bao gia tăng Hỗ trợ nhiều kênh cho phép các nhà chế tạothiết bị cung cấp một phương tiện để chú trọng vào phạm vi sử dụng phổ và những quy định cấpphát được nói rõ bởi các nhà vận hành trong các thị trường quốc tế thay đổi khác nhau

 Bảo mật: Bằng cách mật hóa các liên kết vô tuyến giữa BS và SS, sử dụng chuẩn mật hóa

tiên tiến AES ở chế độ CCM, đảm bảo sự toàn vẹn của dữ liệu trao đổi qua giao diện vô tuyến.Cung cấp cho các nhà vận hành với sự bảo vệ mạnh chống lại những hành vi đánh cắp dịch vụ.e

3 Các chuẩn WIMAX :

a) Chuẩn IEEE 802.16 – 2001 :

Chuẩn IEEE 802.16-2001 được hoàn thành vào tháng 10/2001 và được công bố vào4/2002, định nghĩa đặc tả kỹ thuật giao diện không gian WirelessMAN™ cho các mạng vùng đôthị

Đặc điểm chính của IEEE 802.16 – 2001:

 Giao diện không gian cho hệ thống truy nhập không dây băng rộng cố định họat động ở dảitần 10 – 66 GHz, cần thỏa mãn tầm nhìn thẳng

 Lớp vật lý PHY: WirelessMAN-SC

 Tốc độ bit: 32 – 134 Mbps với kênh 28 MHz

 Điều chế QPSK, 16 QAM và 64 QAM

 Các dải thông kênh 20 MHz, 25 MHz, 28 MHz

 Bán kính cell: 2 – 5 km

 Kết nối có hướng, MAC TDM/TDMA, QoS, bảo mật

b) Chuẩn IEEE 802.16a :

Vì những khó khăn trong triển khai chuẩn IEEE 802.16, hướng vào việc sử dụng tần số từ

10 – 66 GHz, một dự án sửa đổi có tên IEEE 802.16a đã được hoàn thành vào tháng 11/2002 vàđược công bố vào tháng 4/2003 Chuẩn này được mở rộng hỗ trợ giao diện không gian cho

những tần số trong băng tần 2–11 GHz, bao gồm cả những phổ cấp phép và không cấp phép vàkhông cần thoả mãn điều kiện tầm nhìn thẳng

Đặc điểm chính của IEEE 802.16a như sau:

 Bổ sung 802.16, các hiệu chỉnh MAC và các đặc điểm PHY thêm vào cho 2 – 11 GHz(NLOS)

 Tốc độ bit: tới 75Mbps với kênh 20 MHz

 Điều chế OFDMA với 2048 sóng mang, OFDM 256 sóng mang, QPSK, 16 QAM, 64QAM

 Dải thông kênh có thể thay đổi giữa 1,25MHz và 20MHz

 Bán kính cell: 6 – 9 km

 Lớp vật lý PHY: WirelessMAN-OFDM, OFDMA, SCa

 Các chức năng MAC thêm vào: hỗ trợ PHY OFDM và OFDMA, hỗ trợ công nghệ Mesh,ARQ

d) Chuẩn IEEE 802.16e :

Đầu năm 2005, chuẩn không dây băng thông rộng 802.16e với tên gọi Mobile WiMax đãđược phê chuẩn, cho phép trạm gốc kết nối tới những thiết bị đang di chuyển Chuẩn này giúpcho các thiết bị từ các nhà sản xuất này có thể làm việc, tương thích tốt với các thiết bị từ các nhàsản xuất khác 802.16e họat động ở các băng tần nhỏ hơn 6 GHz, tốc độ lên tới 15 Mbps vớikênh 5 MHz, bán kính cell từ 2 – 5 km

WiMAX 802.16e có hỗ trợ handoff và roaming Sử dụng SOFDMA, một công nghệ điềuchế đa sóng mang Các nhà cung cấp dịch vụ mà triển khai 802.16e cũng có thể sử dụng mạng đểcung cấp dịch vụ cố định 802.16e hỗ trợ cho SOFDMA cho phép số sóng mang thay đổi, ngoàicác mô hình OFDM và OFDMA Sự phân chia sóng mang trong mô hình OFDMA được thiết kế

để tối thiểu ảnh hưởng của nhiễu phía thiết bị người dùng với anten đa hướng Cụ thể hơn,802.16e đưa ra hỗ trợ cải tiến hỗ trợ MIMO và AAS, cũng như các handoff cứng và mềm Nócũng cải tiến các khả năng tiết kiệm công suất cho các thiết bị di động và các đặc điểm bảo mậtlinh hoạt hơn

◦ Băng tần đăng ký 2,5 GHz :

Đã được cấp phát trong phần lớn thế giới, bao gồm bắc Mỹ, Mỹ Latin, đông và tây Âu vànhiều vùng của châu Á - thái bình dương như một băng tần đăng ký Mỗi quốc gia thường cấpphát dải khác nhau, vì vậy phổ được cấp phát qua các vùng có thể từ 2,495 GHz đến 2,690 GHz.Tổng phổ khả dụng là 195 MHz, bao gồm các dải phòng vệ và các kênh MDS, gữa 2.495 GHz

và 2.690 GHz Hỗ trợ FDD, TDD Phổ trên mỗi đăng ký là 22.5 MHz, một block 16.5 MHz vàmột block 6 MHz, tổng số 8 đăng ký

◦ Băng tần đăng ký 3,5 GHz :

Ở châu âu, viện chuẩn viễn thông châu âu đã phân phối dải 3,5 GHz, bắt đầu được sửdụng cho WPLL, cho các giải pháp WiMAX đăng ký Tổng phổ khả dụng, thay đổi theo quốcgia nhưng nói chung khoảng 200MHz giữa 3,4 GHz và 3,8 GHz Hỗ trợ FDD, TDD, một vàiquốc gia chỉ sử dụng FDD trong khi các quốc gia khác cho phép sử dụng FDD hoặc TDD Phổtrên mỗi đăng ký thay đổi từ 25MHz đến 256 MHz

Phần lớn các quốc gia toàn thế giới đã sử dụng phổ 5 GHz cho các phương tiện liên lạckhông đăng ký Các băng 5,15 GHz và 5,85 GHz đã được chỉ định như không đăng ký trongphần lớn thế giới

Các giải pháp không đăng ký cung cấp một vài thuận lợi chính hơn các giải pháp đăng

ký, bao gồm chi phí ban đầu thấp hơn, rút ra nhanh hơn, và một băng chung có thể được sử dụng

ở phần lớn thế giới Các lợi ích này đang thu hút sự quan tâm và có khả năng cho sự chấp nhậnbăng rộng nhanh chóng

Tuy nhiên một giải pháp không đăng ký thì khả năng nhiễu cao hơn, và nhiều sự cạnhtranh đối với các nhà kinh doanh bất động sản cho việc triển khai Một giải pháp không đăng ký

sẽ không được xem như một sự thay thế cho giải pháp đăng ký Mỗi giải pháp cung cấp một thị

trường khác nhau dựa vào sự thỏa hiệp giữa chi phí và QoS

5 Truyền sóng :

Trong khi nhiều công nghệ hiện đang tồn tại cho không dây băng rộng chỉ có thể cungcấp phủ sóng LOS, công nghệ WiMAX được tối ưu để cung cấp phủ sóng NLOS Công nghệtiên tiến của WiMAX cung cấp tốt nhất cho cả hai Cả LOS và NLOS bị ảnh hưởng bởi các đặctính đường truyền môi trường của chúng, tổn thất đường dẫn, và ngân quỹ kết nối vô tuyến

Trong liên lạc LOS, một tín hiệu đi qua một đường trực tiếp và không bị tắc nghẽn từmáy phát đến máy thu Một liên lạc LOS yêu cầu phẩn lớn miền Fresnel thứ nhất thì không bịngăn cản của bất kì vật cản nào, nếu tiêu chuẩn này không thỏa mãn thì có sự thu nhỏ đáng kểcường độ tín hiệu quan sát Độ hở Fresnel được yêu cầu phụ thuộc vào tần số hoạt động vàkhoảng cách giữa vị trí máy phát và máy thu

Trong liên lạc NLOS, tín hiệu đến máy thu qua phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ Các tín hiệuđến máy thu bao gồm các thành phần từ đường trực tiếp, các đường được phản xạ nhiều lần,năng lượng bị tán xạ, và các đường truyền bị nhiễu xạ Các tín hiệu này có khoảng trễ khác nhau,suy hao, phân cực, và độ ổn định quan hệ với đường truyền trực tiếp Là nguyên nhân gây ranhiễu ISI và méo tín hiệu Điều đó không phải là vấn đề đối với LOS, nhưng với NLOS thì lại làvấn đề chính

Hiện tượng đa đường cũng có thể gây ra sự phân cực tín hiệu bị thay đổi Vì vậy sử dụngphân cực như là biện pháp sử dụng lại tần số, như được thực hiện thông thường trong các triểnkhai LOS có thể khó giải quyết trong các ứng dụng NLOS

Một hệ thống vô tuyến sử dụng các tín hiệu đa đường này như thế nào hướng tới mộtthuận lợi là chìa khóa để cung cấp dịch vụ trong các điều kiện NLOS Một sản phẩm mà chỉ đơnthuần tăng công suất để xuyên qua các vật cản (đôi lúc được gọi là “gần tầm nhìn thẳng”) thìkhông phải là công nghệ NLOS bởi vì phương pháp này vẫn còn dựa vào đường truyền trực tiếp

đủ mạnh mà không sử dụng năng lượng xuất hiện trong các tín hiệu gián tiếp

Có nhiều ưu điểm mà những triển khai NLOS tạo ra đáng khao khát Ví dụ, các yêu cầulập kế hoạch chặt chẽ và giới hạn chiều cao anten mà thường không cho phép anten được bố trícho LOS Với những triển khai tế bào kề nhau phạm vi rộng, nơi tần số được sử dụng lại là tớihạn, hạ thấp anten là thuận lợi để giảm nhiễu kênh chung giữa các vị trí cell liền kề Điều nàythường có tác dụng thúc đẩy các trạm gốc hoạt động trong các điều kiện NLOS Các hệ thốngLOS không thể giảm chiều cao anten bởi vì làm như vậy sẽ có tác động đến đường quan sát trựctiếp được yêu cầu từ CPE đến trạm gốc

Minh họa họat động WiMAX

Công nghệ NLOS cũng giảm phí tổn cài đặt bằng cách đặt dưới các mái che thiết bị CPEđúng như nguyên bản và giảm bớt khó khăn định vị trí các địa điểm đặt CPE thích hợp Côngnghệ cũng giảm bớt nhu cầu quan sát vị trí thiết bị phía trước và cải thiện độ chính xác của cáccông cụ lập kế hoạch NLOS Xem minh họa ở hình trên

Công nghệ NLOS và những tính nâng cao trong WiMAX tạo khả năng sử dụng thiết bị phía đầu khách hàng (CPE) trong nhà Điều này có hai khó khăn chính: đầu tiên là khắc phục những tổn hao xuyên qua tòa nhà và thứ hai là phủ sóng các khoảng cách hợp lý với công suất truyền và các tăng ích anten thấp hơn mà thường được kết hợp với các CPE trong nhà.

Công nghệ WiMAX, giải quyết và giảm nhẹ các vấn đề do bởi các điều kiện NLOS bằngcách sử dụng: công nghệ OFDM, OFDMA, điều chế thích nghi, các công nghệ sửa lỗi, các côngnghệ anten, điều khiển công suất, kênh con Dưới đây trình bày khái quát về những giải pháp nêutrên

a) Điều chế thích nghi :

Điều chế thích nghi cho phép hệ thống WiMAX điều chỉnh sơ đồ điều chế tín hiệu phụthuộc vào điều kiện SNR của liên kết vô tuyến Khi liên kết vô tuyến chất lượng cao, sơ đồ điềuchế cao nhất được sử dụng, đưa ra hệ thống dung lượng lớn hơn

Bán kính cell quan hệ với điều chế thích nghi.

Trong quá trình suy giảm tín hiệu, hệ thống WiMAX có thể dịch đến một sơ đồ điều chếthấp hơn để duy trì chất lượng kết nối và ổn định liên kết Đặc điểm này cho phép hệ thống khắcphục fading lựa chọn thời gian

b) Công nghệ sửa lỗi :

Các công nghệ sửa lỗi đã được hợp nhất trong WiMAX để giảm các yêu cầu tỉ số tín hiệutrên tạp âm hệ thống Các thuật toán FEC, mã hóa xoắn và chèn được dùng để phát hiện và sửacác lỗi cải thiện thông lượng Các công nghệ sửa lỗi mạnh giúp khôi phục các khung bị lỗi mà cóthể bị mất do fading lựa chọn tần số và các lỗi cụm Tự động yêu cầu lặp lại (ARQ) được dùng

để sửa lỗi mà không thể được sửa bởi FEC, gửi lại thông tin bị lỗi Điều này có ý nghĩa cải thiệnchất lượng tốc độ lỗi bit (BER) đối với một mức ngưỡng như nhau

c) Điều khiển công suất :

Các thuật toán điều khiển công suất được dùng để cải thiện chất lượng toàn bộ hệ thống,

nó được thực hiện bởi trạm gốc gửi thông tin điều khiển công suất đến mỗi CPE để điều chỉnhmức công suất truyền sao cho mức đã nhận ở trạm gốc thì ở một mức đã xác định trước Trongmôi trường fading thay đổi động, mức chỉ tiêu đã định trước này có nghĩa là CPE chỉ truyền đủcông suất thỏa mãn yêu cầu này Điều khiển công suất giảm sự tiêu thụ công suất tổng thể củaCPE và nhiễu với những trạm gốc cùng vị trí Với LOS, công suất truyền của CPE gần tươngứng với khoảng cách của nó đến trạm gốc, với NLOS, tùy thuộc nhiều vào độ hở và vật cản

d) Các công nghệ vô tuyến tiên tiến :

Công nghệ anten có thể dùng để cải thiện truyền dẫn theo hai cách – sử dụng công nghệphân tập và sử dụng các hệ thống anten và các công nghệ chuyển mạch tiên tiến Các công nghệnày có thể cải thiện tính co dãn và tỉ số tín hiệu trên tạp âm nhưng không bảo đảm phát dẫn sẽ

không bị ảnh hưởng của nhiễu.

◦ Phân tập thu và phát :

Các lược đồ phân tập được sử dụng để lợi dụng các tín hiệu đa đường và phản xạ xảy ratrong các môi trường NLOS Bằng cách sử dụng nhiều ăng ten (truyền và/hoặc nhận), fading,nhiễu và tổn hao đường truyền có thể được làm giảm Phân tập truyền sử dụng mã thời giankhông gian STC Đối với phân tập nhận, các công nghệ như kết hợp tỷ lệ tối đa (MRC) mang lại

ưu điểm của hai đường thu riêng biệt Về MISO (một đầu ra nhiều đầu vào) ta xem hình sau :

MISO

Mở rộng tới MIMO, sử dụng MIMO cũng sẽ nâng cao thông lượng và tăng các đường tínhiệu MIMO sử dụng nhiều ăng ten thu và/hoặc phát cho ghép kênh theo không gian Mỗi ăngten có thể truyền dữ liệu khác nhau mà sau đó có thể được giải mã ở máy thu Đối với OFDMA,bởi vì mỗi sóng mang con là các kênh băng hẹp tương tự, fading lựa chọn tần số xuất hiện như làfading phẳng tới mối sóng mang Hiệu ứng này có thể sau đó được mô hình hóa như là một sựkhuếch đại không đổi phức hợp và có thể đơn giản hóa sự thực hiện của một máy thu MIMO choOFDMA

◦ Các hệ thống ăng ten thích nghi :

AAS là một phần tùy chọn Các trạm gốc có trang bị AAS có thể tạo ra các chùm mà cóthể được lái, tập trung năng lượng truyền để đạt được phạm vi lớn hơn Khi nhận, chúng có thểtập trung ở hướng cụ thể của máy thu Điều này giúp cho loại bỏ nhiễu không mong muống từcác vị trí khác

Beam Shaping

AAS đường xuống

6 Thị trường cho WIMAX :

Truy nhập băng rộng toàn quốc đã trở thành một ưu thế trong nhiều quốc gia Trong hầuhết các quốc gia phát triển, phạm vi phủ sóng băng rộng trung bình tới 90% trong các năm sắptới Ngoài ra, những vùng nông thôn, phạm vi băng rộng sẽ không vượt quá 50% Sự khác biệtdịch vụ có thể được phân loại bởi hai đặc điểm: loại vùng (nông thôn hoặc thành phố) và mứcphát triển quốc gia Trong các quốc gia phát triển, phát triển dịch vụ DSL đã từng có quy mô lớntrong những triển khai ở thành phố và ngoại ô, trong khi mức độ bao phủ của các vùng hẻo lánh,những thị trấn nhỏ và các vùng nông thôn hơn thì đang giữ lại phía sau Những trở ngại cần khắcphục là chất lượng đường truyền kém của nền tảng cáp đồng được thiết lập, khoảng cách rộnghơn đến các trụ sở trung tâm hoặc các cabinet, hoặc mật độ dân số thấp Trong tình huống này,WiMAX với hỗ trợ QoS , phạm vi rộng hơn, và tốc đỗ dữ liệu tương tự với DSL, đương nhiênđược được xác định vị trí như một sự chọn lựa đầu tiên có thể tồn tại cung cấp truy nhập băngrộng tới những người sử dụng

7 Các ứng dụng :

a) Các mô hình ứng dụng :

WiMAX tích hợp hoàn toàn vào các mạng cố định và di động đang tồn tại, bố sung chúngkhi cần thiết

◦ 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 nàygọi là “không dây cố định” vì thiết bị thông tin làm việc với các anten đặt cố định tại nhà cácthuê 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 thukhông khỏe bằng anten ngoài trời Băng tần công tác (theo quy định và phân bổ của quốc gia)trong băng 2,5 GHz hoặc 3,5 GHz Trong mạng cố định, WiMAX thực hiện cách tiếp nối khôngdây đến các modem cáp, đến các đôi dây thuê bao của mạng xDSL hoặc mạch Tx/Ex (truyềnphát/chuyển mạch) và mạch OC-x (truyền tải qua sóng quang) WiMAX cố định có thể phục vụcho các loại người dùng như: các xí nghiệp, các khu dân cư nhỏ lẻ, mạng cáp truy nhập WLANcông cộng nối tới mạng đô thị, các trạm gốc BS của mạng thông tin di động và các mạch điềukhiển trạm BS Về cách phân bố theo địa lý, các user thì có thể phân tán tại các địa phương nhưnông thôn và các vùng sâu vùng xa khó đưa mạng cáp hữu tuyến đến đó

◦ Mô hình ứng dụng WiMAX di động :

Mô hình WiMAX di động sử dụng các thiết bị phù hợp với tiêu chuẩn 802.16e bổ sungcho tiêu chuẩn IEEE 802.16 – 2004 hướng tới các user cá nhân di động, làm việc trong băng tầnthấp hơn 6 GHz Mạng lưới này phối hợp cùng WLAN, mạng di động cellular 3G có thể tạothành mạng di động có vùng phủ sóng rộng Chuẩn WiMAX được phát triển mang lại một phạm

vi rộng các ứng dụng

b) Các ứng dụng :

Các ứng dụng WiMAX

Các ứng dụng WiMAX được minh họa như trên:

 Truy nhập băng rộng last-mile cố định như một sự thay thế cho DSL có dây, cable, hoặc cáckết nối T1

 Backhaul chi phí rẻ cho các vị trí cell và các hotspot WiFi

 Khả năng kết nối tốc độ cao cho các doanh nghiệp

CPE WiMAX, trong hầu hết các trường hợp, một đầu cuối “plug and play” đơn giản,tương tự với modem DSL, cung cấp khả năng kết nối Đối với những khách hàng được đặt ở vị

trí vài km từ trạm gốc WiMAX, một anten bên ngoài tự cài đặt có thể được yêu cầu để cải thiệnchất lượng truyền dẫn Để phục vụ các khách hàng ở biệt lập, một anten chỉ dẫn trỏ đến trạm gốcWiMAX có thể được yêu cầu Với các khách hàng yêu cầu thoại thêm vào các dịch vụ băngrộng, CPE cụ thể sẽ cho phép kết nối bình thường hoặc các cuộc gọi điện thoại VoIP Cuối cùngthì chip WiMAX sẽ được nhúng trong các thiết bị trung tâm dữ liệu.

CPE WiMAX cho truy nhập cố định, card WiMAX PC.

II Kỹ thuật OFDM trong WIMAX :

1 Khái niệm OFDM :

Kỹ thuật điều chế OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóngmang trong đó trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau,nhờ vậy phổ tín hiệu ở các sóngmang phụ cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu cũng có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu

Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ tín hiệu lớn hơnnhiều so với các kỹ thuật điều chế thông thường

OFDM là một công nghệ điều chế và mã hóa số, đã được sử dụng thành công trong cácứng dụng hữu tuyến như modem DSL và modem cáp Các sản phẩm của các công ty thành viênDiễn đàn WiMAX đang sử dụng các hệ thống 802.16 dựa trên OFDM để vượt qua những tháchthức của việc truyền sóng NLOS

OFDM đạt đến tốc độ và hiệu quả dữ liệu cao nhờ sử dụng nhân chồng các tín hiệu sóngmang thay cho chỉ một tín hiệu Ưu điểm quan trọng của OFDM của các cơ chế điều chế đơnsóng mang đơn là khả năng mang lại hiệu suất băng thông cao hơn và do đó thông lượng dữ liệu

sẽ cao hơn thậm chí phải đối mặt thách thức với kịch bản triển khai chẳng hạn như các đường kếtnối NLOS phải chịu suy hao đáng kể do các điều kiện đa đường

2 Đặc điểm OFDM :

a) Nguyên lý cơ bản của OFDM :

OFDM phân chia kênh truyền theo cả miền tần số và miền thời gian.

Điều chế OFDM làm tăng hiệu quả sử dụng băng tần và làm giảm nhiễu

 Miền tần số chia thành nhiều băng con

 Miền thời gian chia liên tiếp thành nhiều khe thời gian

Mỗi một ô(tần số-thời gian) được bố trí một sóng mang,mỗi khe thời gian chứa N sóngmang gọi là một ký hiệu OFDM(OFDM symbol).Trong mỗi khoảng thời gian đó,các sóngmang được điều chế với vài bit dữ liệu,số bit truyền trên mỗi sóng mang tuỳ thuộc vào loại điềuchế như BPSK là 1 bit,QPSK là 2 bit,8-PSK là 3 bit,16-PSK là 4 bit ….mỗi ký hiệu OFDM chứa

N sóng mang.tập hợp một số lượng nhất định ký hiệu OFDM tạo thành một khung truyền dẫn

Phổ của tín hiệu OFDM do các sóng mang trực giao với nhau nên khi ghép với nhau,phổcủa chúng có thể trùng lên nhau mà không ảnh hưởng lẫn nhau.Trong FDM (ghép kênh đa phânchia tần số) các tần số không có quan hệ này nên để tránh nhiễu giữa các tần số kề nhau thì phổcủa các kênh không được chồng lên nhau.Vì vậy độ rộng băng tần của FDM lớn hơn OFDM.vớimỗi sóng mang tồn tại thời gian là Ts,phổ của nó là hàm sin có độ rộng là 2/Ts.Giả sử có 5 sóngmang ứng với 5 tần số khác nhau,dùng kỹ thuật FDM thì độ rộng băng tần theo yêu cầu là:Btdm

= 5*2/Ts = 10/Ts,dùng kỹ thuật OFDM thì băng tần yêu cầu còn lại là: Bofdm =5*∆f = 5*1/Ts

=5/Ts.Như vậy đối với kỹ thuật OFDM thì hiệu suất phổ cao hơn so với FDM

→| |←

Độ rộng băng tần

Độ rộng băng tần của OFDM khi có 5 sóng mang

b) Sơ đồ khối của hệ thống tin dùng OFDM :

Phía máy phát dữ liệu vào nối tiếp trước tiên được nhóm thành từng tổ hợp M bít,sau

đó chuyển thành dữ liệu song song.mỗi tổ hợp phù hợp với kiểu điều chế số (M-PSK) được sửdụng trên mỗi sóng mang.IFFT chuyển đổi từng ký hiệu OFDM miền thời gian.Khoảng an toànđược chèn vào giữa các ký hiệu OFDM để tránh nhiễu xuyên ký hiệu ISI (INTER-SYMBOL-INTERFERENCE), gây ra bởi méo đa đường.cuối cùng các ký hiệu rời rạc được chuyển đổithành tương tự,được lọc thông thấp rồi chuyển lên cao tần RF để phát lên kênh truyền dẫn.Máythu xử lý ngược lại quá trình phát,sau khi loại bỏ khoảng an toàn,khối FFT chuyển đổi tín hiệuthu được từ miền thời gian sang miền tần số.tiếp theo tín hiệu được đưa qua giải điều chế số vàchuyển đổi song song thành nối tiếp để khôi phục lại dữ liệu ban đầu

Do nhiễu sóng mang nên rất rễ gây nhiễu xuyên sóng mang ICI Để tránh điều này kỹthuật OFDM bố trí các sóng mang trực giao,có nghĩa là khoảng cách giữa các sóng mang bằngnghịch đảo của thời gian một ký hiệu Ts

Sơ đồ khối hệ thống thông tin dùng OFDM

Thuật toán IFFT tạo tín hiệu OFDM :

Phép biến đổi nhanh fourier FFT (Fast Fourier Transform) có ứng dụng rộng rãi trong xử

lý số tín hiệu.biến đổi FFT thuận chuyển tín hiệu từ miền thời gian rời rạc sang miền tần số rờirạc.Biến đổi FFT ngược thực hiện chuyển tín hiệu từ miền tần số rời rạc sang miền thời gian rờirạc.Giả sử x(n) là tín hiệu rời rạc theo thời gian tuần hoàn chu kỳ N (N mẫu/chu kỳ) chuyển sangmiền tần số rời rạc X(k).Phép biến đổi FFT thuận N điểm viết dưới dạng tổng các hàm sin vàcosin như sau:

N-1 N-1

X(k)= ∑ x(n).sin(2пkn/N) + j∑x(n).cos(2пkn/N)kn/N) + j∑x(n).cos(2пkn/N) + j∑x(n).cos(2пkn/N)kn/N)

n=0 n=0

IFFTTT FFTT

X(k) là giá trị phổ tại tần số thứ k (k=0,1,2…,N-1) cũng là hàm tuần hoàn chu kỳ N,x(n)

là tín hiệu tại thời điểm n.Phép biến đổi FFT ngược (IFFT) chuyển đổi toàn bộ phổ tần X(k) sangtím hiệu miền thời gian rời rạc.Phép biến đổi IFFT với điểm N là:

Tần số Thời gian Tần số

Khôi phục lại phổ tín hiệu ban đầu khi dùng liên tiếp

IFFT và FFTCác bít tín hiệu ở từng dòng có thể được xem như biên độ của 4 hàm sin với tần số khácnhau.Vì thế ta có thể dùng IFFT để tạo ra tín hiệu miền thời gian.cần lưu ý là tín hiệu đang trongniền thời gian,mà IFFT là chuyển đổi tín hiệu từ miền tần số sang miền thời gian?Câu trả lời đó

là ta coi các bít vào không phải biểu diễn miền thời gian mà là ở miền tần số 1,2,3 và 4Hz.Bằngcách này chúng ta có thể đưa các bít này vào IFFT để tạo ra tín hiệu OFDM miền thời gian

Dải bảo vệ trong OFDM :

Trở ngại duy nhất trong việc sử dụng FFT trong kỹ thuật OFDM là bản chất không tuầnhoàn của tín hiệu trong miền thời gian Ðiều này có thể được giải quyết bằng cách thêm một thờikhoảng bảo vệ Tg, đoạn này chính là bản sao của ký hiệu tích cực trong Tg giây trước Ðoạn thêmvào này thường được gọi là CP (cyclic prefix) bởi vì nó làm cho ký hiệu OFDM như là tuầnhoàn đối với máy thu Tín hiệu thu sau đó sẽ được xấp xỉ bằng phép chập tuần hoàn giữa tín hiệuphát và đáp ứng xung của kênh

Thêm CP vào ký hiệu OFDMChiều dài của dải bảo vệ bị hạn chế nhằm đảm bảo hiệu suất sử dụng dải tần, tuy nhiên,

nó phải dài hơn đáp ứng xung của kênh nhằm duy trì tính trực giao giữa các sóng mang con vàloại bỏ được các loại giao thoa ICI và ISI Những lợi ích đạt được nhờ chèn thêm dải bảo vệ nàythường có giá trị hơn những suy giảm trong hiệu suất sử dụng dải tần và trong tỷ số SNR Ðểminh hoạ cho điều này, chúng ta có thể thấy rằng năng lượng phát sẽ tăng khi tăng chiều dài Tg

của CP, trong khi đó thì năng lượng tín hiệu thu và lấy mẫu vẫn giữ nguyên Năng lượng pháttrên một sóng mang con là :

và suy giảm SNR do loại bỏ CP tại máy thu là :

Như vậy, CP có chiều dài càng lớn thì suy giảm SNR càng nhiều Thông thường, chiềudài tương đối của CP sẽ được giữ ở mức nhỏ, còn suy giảm SNR sẽ chủ yếu là do yêu cầu loại bỏgiao thoa ICI và ISI (nhỏ hơn 1dB với Tg/T < 0,2)

c) Mô tả toán học của OFDM :

Mô tả toán học OFDM là trình bày tín hiệu được tạo ra như thế nào ,máy thu vận hànhnhư thế nào và cũng cung cấp một công cụ để hiểu rõ những tác động không hoàn hảo trongkêng truyền