Tìm hiểu công nghệ WiMAX

Hiện nay, ở nước ta WiMAX đang được thử nghiệm ở tỉnh miền núi như: Lào Cai,Cao Bằng.

MỤC LỤC MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

MỤC LỤC CÁC BẢNG

MỤC LỤC HÌNH ẢNH

MỞ ĐẦU

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG WIMAX 13

1.1 WiMAX là gì? 13

1.2 Các chuẩn của WiMAX 16

1.2.1 Chuẩn IEEE 802.16-2001

16

1.2.2 Chuẩn IEEE 802.16a 17

1.2.3 Chuẩn IEEE 802.16-2004 18

1.2.4 Chuẩn IEEE 802.16e 18

1.3 Phổ WiMAX 19

1.3.1 Băng tần đăng ký 19

1.3.2 Băng tần không dăng ký 20

1.3.3 Các băng tần được đề xuất cho WiMAX trên thế giới 20

1.3.4 Các băng tần ở Việt Nam có khả năng dành cho WiMAX 21

1.4 Truyền sóng 23

1.4.1 Công nghệ OFDM 24

1.4.2 Công nghệ OFDMA 25

1.4.3 Điều chế thích nghi 26

1.4.4 Công nghệ sửa lỗi 27

1.4.5 Điều khiển công suất 27

1.4.6 Các công nghệ vô tuyến tiên tiến 27

1.5 So sánh WiMAX với WiFi và 3G 28

1.5.1 WiFi 29

1.5.2 3G 29

1.6 Kết luận 31

Chương 2: CÁC KĨ THUẬT SỬ DỤNG TRONG WiMAX 32

2.1 Kĩ thuật OFDM 32

2.1.1 Sự ảnh hưởng của môi trường đến việc truyền dẫn 32

2.1.2 Đa sóng mang 32

2.1.3 Công nghệ OFDM với khả năng hạn chế nhiễu 34

2.1.4 Sự trực giao (Orthogonal) 37

2.1.5 Trực giao miền tần số 38

2.1.6 Tạo và thu OFDM 39

2.1.7 Điều chế tải phụ 39

2.1.8 Các sơ đồ điều chế 40

2.1.9 Khoảng bảo vệ (GUARD PERIOD) 41

2.1.10 Bảo vệ chống lại ISI 42

2.1.11 Độ dịch Doppler 43

2.1.12 Tạo kí hiệu OFDM 44

2.1.13 Mô tả kí hiệu OFDM 45

2.1.14 Các thông số và tín hiệu được phát của kí hiệu OFDM 46

2.1.15 Cấu trúc khung 48

2.2 Kĩ thuật OFDMA cho mạng WiMAX 49

2.2.1 Nguyên lý cơ bản 50

2.2.2 Những đặc tính vượt trội 50

2.2.3 Các giao thức OFDMA 51

2.2.4 Cấu trúc kí hiệu OFDMA và phân kênh con 53

2.2.5 OfDMA theo tỉ lệ (scalable) 55

2.2.6 Cấu trúc khung TDD 56

2.2.7 Tổng quát về khung (Frame) 57

2.2.8 Các thành phần trong khung (Frame Parts) 58

2.3 Kết luận chương 59

Chương 3: ĐẶC ĐIỂM CÔNG NGHỆ WiMAX 60

3.1 WiMAX cố định – IEEE 802.16d-2004 60

3.1.1 Lớp MAC 60

3.1.2 Lớp PHY 69

3.2 WiMAX di động – IEEE 802.16e- 2005 75

3.2.1 Lớp PHY 75

3.2.2 Lớp MAC 81

3.3 Kết luận chương 86

Chương 4: ỨNG DỤNG 87

4.1 Các vấn đề cần quan tâm khi thiết kế mạng WiMAX 87

4.1.1 Mô hình triển khai WiMAX với các yêu cầu truy cập di đông 87

4.1.2 Mô hình triển khai WiMAX với các yêu cầu truy cập cố định 88

4.1.3 Các vấn đề kĩ thuật cần quan tâm khi thiết kế và triển khai mạng WiMAX 90

4.2 Tình hình ứng dụng WiMAX ở Việt Nam 115

4.2.1 Ưu điểm 115

4.2.2 Thách thức 116

4.2.3 Tình hình thực tế 118

4.3 Xu hướng của WiMAX trong thời gian tới trên qui mô thế giới 126

4.4.Tiềm năng cho WiMAX ở Việt Nam 128

4.4.1.WiMAX cố định 128

4.4.2.WiMAX di động 128

KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

AAS adaptive antena system Hệ thống anten thích nghi

BNI Base station network interface Giao diện giữa trạm gốc và mạng

BWA Broadband wireless access Truy nhập không dây băng rộng

CDMA code division multiple access Đa truy nhập chia mã

CA Certification authority Quyền Chứng thực

CPE Customer Premise Equipment Thiết bị đầu cuối thuê bao

CRC Cyclic redundancy check Kiểm tra vòng dư

DES Data encryption standard Tiêu chuẩn mật mã dữ liệu

DFS Dynamic frequency selection Lựa chọn tần số động

DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc

DHCP Dynamic host configuration protocol Thủ tục cấu hình chủ không cố định

EDE Encrypt-Decrypt-Encrypt Mật mã-giải mã-mật mã

FEC Forward Error Correction Mã hóa sử lỗi trước

ETSI European Telecommunications

Standard Institute Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu ÂuFBSS Fast Base Station Switching Chuyển đổi trạm gốc nhanh

FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia tần số

FDD Frequency division duplex Song công chia tần số

FEC Forward error correction Sửa lỗi hướng đi

FFT Fast Fourier transform Biến đổi Fourier nhanh

FSS Fixed satellite service Dịch vụ vệ tinh cố định

FWA Fixed wireless access Truy nhập không dây cố định

GPS Global positioning satellite Vệ tinh định vị toàn cầu

IETF Internet Engineering Task Force Tổ chức kỹ sư thiết kế Internet

IDFT Inverse Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc ngược

IFFT Inversion Fast Fourier transform Biến đổi Fourier ngược nhanh

IP Internet Protocol Thủ tục Internet

ITU International Telecommunications

LMDS Local multipoint distriution service Dịch vụ phân phối đa điểm nội hạt

MAC Medium access control layer Lớp điều khiển truy nhập môi

trườngMAN Metropolitan area network Mạng khu vực thành phố

MDHO Macro Diversity Handover Chuyển giao đa dạng riêng

MIMO Multi input Multi output Đa đường vào đa đường ra

MMDS Multichannel multipoint distribution

MPEG Moving Picture Experts Group Nhóm chuyên gia nghiên cứu ảnh

động

nrtPS Non-real-time polling service Dịch vụ thăm dò không thời gian

thựcOFDM Orthogonal frequency division

multiplexing Ghép kênh chia tần số trực giao

OFDMA Orthogonal frequency division

multiple access Đa truy nhập chia tần số trực giaoPARP Peak-to Average Power Ratio Công suất tương đối cực đại

PCMCIA Personal Computer Memory Card

International Association Hiệp hội quốc tế về tấm mạch nhớ của máy tính cá nhânPDA Personal Digital Assistant Thiết bị vụ số cá nhân

PDH Plesiochronous digital hierarchy Phân cấp số cận đồng bộ

PDU Protocol data unit Đơn vị dữ liệu thủ tục

PKM Privacy key management Quản lý khoá riêng

PMP Point - to – multipoint Điểm đa điểm

PPP Point-to-Point Protocol Thủ tục điểm-điểm

QAM Quadrature amplitude modulation Điều chế biên độ cầu phương

QPSK Quadrature phase-shift keying Khoá dịch pha cầu phương

rtPS Real-time polling service Dịch vụ thăm dò thời gian thực

SAID Security association identifier Bộ nhận dạng tập hợp bảo mật

SAP Service access point Điểm truy nhập dịch vụ

SAR Synthetic aperture radar Rada khe hở nhân tạo

SDH Synchronous Digital Hierarchy Phân cấp số đồng bộ

SFID Service Flow Identifier Bộ Nhận dạng Luồng Dịch vụ

SNMP Simple Network Management Protocol Thủ tục quản lý mạng đơn giản

SNR Signal-to-noise ratio Tỷ lệ tín hiệu/tạp âm

TDD Time division duplex Song công chia thời gian

TDM Time division multiplex Ghép kênh chia thời gian

TDMA Time division multiple access Đa truy nhập phân chia thời gian

TEK Traffic encryption key Khoá mật mã lưu lượng

UGS Unsolicited grant service Dịch vụ cấp phát tự nguyện

MỤC LỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 1.1: So sánh các chuẩn IEEE 802.16 19

Bảng 1.2: So sánh WiMAX di động và 3G 31

Bảng 2.1: Mã Gray 41

Bảng 2.2: Các thông số lớp PHY OFDM-256 .48

Bảng 2.3: Tham số vật lý của OFDMA 51

Bảng 2.4: Các thông số S-OFDMA 55

Bảng 3.1: Các loại khoá bảo mật sử dụng trong IEEE 802.16-2004 .69

Bảng 3.2: Mã sửa lỗi đối với các phương thức điều chế 71

Bảng 3.3: Kích cỡ khối bit xen kẽ .72

Bảng 3.4: Các phương thức điều chế và Mã hóa được hỗ trợ trong 802.16e .78

Bảng 3.5: Tốc độ dữ liệu lớp PHY Mobile WiMAX .79

Bảng 3.6: Các dịch vụ WiMAX di động và QoS 83

Bảng 4.1: Phân bổ tần số cho các công nghệ không dây .91

Bảng 4.2 Tốc độ dữ liệu cho các cấu hình SIMO/MIMO 106

MỤC LỤC HÌNH ẢNH

Trang

Hình 1.1 Mô hình mạng WiMAX ………13

Hình 1.2 Lộ trình công nghệ WiMAX ….14

Hình 1.3 Minh họa họat động WiMAX ……….24

Hình 1.4 So sánh FDM và OFDM ………25

Hình 1.5 OFDM với 256 sóng mang ……… 25

Hình 1 6 Các kênh con trong OFDMA ……….26

Hình 1.7 Bán kính cell quan hệ với điều chế thích nghi ……….26

Hình 1.8 MISO ………28

Hình 1.9 MIMO ……… 28

Hình 2.1: Suy giảm tín hiệu theo khoảng cách ……… 32

Hình 2.2 Sự tạo ra tín hiệu OFDM…… ………….33

Hình 2.3 FDM thông thường và OFDM… ………….33

Hình 2.4: So sánh sóng mang của OFDM với các hình thức truyền thống …………35

Hình 2.5: OFDM phát và thu ……… 36

Hình 2.6 Tích của hai vectơ trực giao bằng 0……… ……37

Hình 2.7.Tích phân của hai sóng sin khác tần số ………38

Hình 2.8 Tích phân của hai sóng sin cùng tần số ……… 38

Hình 2.9 Sơ đồ khối của thiết bị đầu cuối OFDM ……… 39

Hình 2.10 Ví dụ chòm điểm (constellation) điều chế IQ, 16 – QAM, với mã gray dữ liệu tới mỗi vị trí……….40

Hình 2.11 Giản đồ IQ của 16QAM khi dùng mã Gray ………… 41

Hình 2.12.Chèn khoảng thời gian bảo vệ cho mỗi ký hiệu OFDM … 42

Hình 2.13 Chức năng của khoảng bảo vệ chống lại ISI ……….43

Hình 2.14 Hiệu ứng của độ lệch Doppler ………44

Hình 2.15 Bộ phát OFDM 4 sóng mang ………45

Hình 2.16 Cấu trúc miền thời gian của ký hiệu OFDM ……….45

Hình 2.17 Mô tả tần số OFDM ……… 46

Hình 2.18 Cấu trúc khung 802.16 OFDM………… … 49

Hình 2.19 Sự sắp xếp theo hai chiều trong OFDMA……… 50

Hình 2.20.Sự so sánh OFDM và OFDMA……… 51

Hình 2.21 Cấu trúc sóng mang con OFDMA……… 53

Hình 2.22.Kênh con phân tập tần số DL……… 54

Hình 2.23 Cấu trúc tile cho UL PUSC……… 55

Hình 2.24 Cấu trúc khung 802.16e OFDMA 57

Hình 2.25 Cấu trúc khung OFDMA……… 58

Hình 3.1 Quá trình phân loại MAC SDU 61

Hình 3.2 Cấu trúc của MAC PDU 63

Hình 3.3 Quá trình truyền-nhận 70

Hình 3.4 Quá trình xen kẽ 71

Hình 3.5 Cấu trúc khung TDD 73

Hình 3.6 Cấu trúc khung con đường xuống TDD 74

Hình 3.7 Cấu trúc khung con đường lên TDD 75

Hình 3.8 OFDM và OFDMA 77

Hình 3.9 Hiệu ứng kênh con hoá (sub channelization) 77

Hình 3.10: Điều chế thích nghi và mã hóa dựa trên khoảng cách với BS 78

Hình 3.11: Cơ chế yêu cầu lặp lại khi lỗi xảy ra 80

Hình 3.12: Hỗ trợ QoS trong Mobile WiMAX 82

Hình 4.1: Ứng dụng đa dạng của Mobile WiMAX 89

Hình 4.2: Hai chế độ song công TDD và FDD 91

Hình 4.3: Cấu trúc khung WiMAX OFDM 93

Hình 4.4: Minh họa khung OFDMA với cấu trúc đa vùng 94

Hình 4.5: Mô hình tái sử dụng tần số 98

Hình 4.6: Phân đoạn tần số trong một cell 99

Hình 4.7: Phân đoạn tái sử dụng tần số trong một site gồm 3 cell 100

Hình 4.8: Vùng phủ sóng của Sector Antenna 101

Hình 4.9: Vùng phủ sóng của Omni Antenna 101

Hình 4.10: CPE với Anten tích hợp bên trong 102

Hình 4.11: CPE với Anten ngoài 102

Hình 4.12: Công nghệ tạo chùm tia đơn 103

Hình 4.13: Mã hóa không gian – thời gian 104

Hình 4.14: Hệ thống Anten MIMO 105

Hình 4.15: Hệ thống Anten MIMO 4x4 106

Hình 4.16: Chuyển mạch thích ứng cho Anten thông minh 107

Hình 4.17: Chuyển giao cứng HHO 109

Hình 4.18: Chuyển trạm gốc nhanh (FBSS) 110

Hình 4.19: Chuyển giao phân tập MDHO 111

Hình 4.20: Trung tâm quản lý mạng WiMAX 112

Hình 4.21: Sơ đồ kết nối của mạng WiMAX 114

Hình 4.22: Toàn cảnh thung lũng Tả Van 120

Hình 4.23: Hình ảnh về thiết bị trạm gốc BS được lắp trên nóc nhà điểm BĐVHX 122

Hình 4.24: Hình ảnh thực tế thiết bị Out door phía khách hàng 123

Hình 4.25 Hình ảnh người dân Tả Van truy cập Internet 123

Hình 4.26 WiMAX trên taxi 127

MỞ ĐẦU

***

Ngày nay nhu cầu thông tin liên lạc của con người ngày càng cao, nhất là đốivới các thiết bị không dây tốc độ cao, băng thông rộng như điện thoại không dây,internet không dây để mọi người có thể liên lạc với nhau ở mọi lúc, mọi nơi và quantrọng hơn là việc mở rộng dân trí cho người dân ở các vùng xa xôi hẻo lánh trên đấtnước ta, nơi mà cơ sở hạ tầng viễn thông chưa đến được Hiện nay đã có rất nhiều hệthống mạng không dây ra đời như là WiFi, bluetooth và một trong số đó có thể đápứng được nhu cầu trên là WiMax WiMAX chủ yếu cung cấp dịch vụ internet khôngdây với giá thành rẻ, tốc độ truyền cao kết nối đến các thiết bị đầu cuối trong mộtkhoảng cách truyền lớn

Hiện nay, ở nước ta WiMAX đang được thử nghiệm ở tỉnh miền núi như: LàoCai,Cao Bằng Mặc dù có những khó khăn bước đầu, nhưng em tin với sự đầu tư đúnghướng của Đảng và nhà nước dành cho Wimax thì nó sẽ được phát triển ra toàn quốc

Tuy nhiên, việc triển khai hệ thống còn gặp nhiều khó khăn do nhiều nguyênnhân khách quan cũng như chủ quan Vì vậy, em chọn đề tài “ tìm hiểu công nghệWiMAX ” Trong giới hạn đồ án này, em đã tìm hiểu kĩ thuật và những khó khăn củacông nghệ WiMAX khi áp dụng rộng rãi ở nước ta

Đồ án gồm có bốn chương:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống WiMAX

Chương 2: Các kĩ thuật sử dụng trong WiMAX

Chương 3: Đặc điểm công nghệ WiMAX

Chương 4: Ứng dụng

Để hoàn thành đồ án này em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình củathầy Nguyễn Quốc Trung và các thầy cô giáo trong Khoa Kĩ thuật – Công nghệ,trường đại học Qui Nhơn

Đồ án còn nhiều thiếu sót, mong các thầy cô và các bạn nhiệt tình góp ý để đồ

án được hoàn thiện

Qui nhơn, tháng 6 năm 2009 Sinh viên

Trần Thiện Tôn

Chương I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG WiMAX

 Fixed WiMAX (WiMAX cố định): Dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004, được

thiết kế thích hợp cho dạng truy nhập cố định Trong phiên bản này sử dụng kỹ thuậtghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonnal Frequency DivisionMultiple) hoạt động trong cả môi trường nhìn thẳng – LOS (line-of-sight) và khôngnhìn thẳng – NLOS (Non-line-of-sight) Sản phẩm dựa trên tiêu chuẩn này hiện tại đãđược cấp chứng chỉ và thương mại hóa

 Mobile WiMAX (WiMAX di động): dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.16e, hỗ trợ

cho dạng di động, cung cấp khả năng chuyển vùng – handoff và chuyển mạng –roaming Tiêu chuẩn này sử dụng phương thức đa truy cập ghép kênh chia tần số trựcgiao OFDMA (Orthogonnal Frequency Division Multiple Access) – là sự phối hợp của

kỹ thuật ghép kênh và kỹ thuật phân chia tần số có tính chất trực giao, rất phù hợp vớimôi trường truyền dẫn đa đường nhằm tăng thông lượng cũng như dung lượng mạng,

tăng độ linh hoạt trong việc quản lý tài nguyên, tận dụng tối đa phổ tần, cải thiện khảnăng phủ sóng với các loại địa hình đa dạng Phiên bản này đã được hợp chuẩn năm2005.

Lộ trình công nghệ WiMAX có thể hình dung qua hình vẽ sau:

o Chất lượng dịch vụ QoS: WiMAX có thể được tối ưu động đối với hỗn hợp lưulượng sẽ được mang Có 4 loại dịch vụ được hỗ trợ: dịch vụ cấp phát tự nguyện(UGS), dịch vụ hỏi vòng thời gian thực (rtPS), dịch vụ hỏi vòng không thời gian thực(nrtPS), nỗ lực tốt nhất (BE)

Hình 1.2 Lộ trình công nghệ WiMAX

o Triển khai nhanh, chi phí thấp: 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 thì không yêu cầu Ngoài ra, dựa trên các chuẩn mở củaWiMAX, sẽ không có sự độc quyền về tiêu chuẩn này, dẫn đến việc cạnh tranh củanhiều nhà sản xuất, làm cho chi phí đầu tư một hệ thống giảm đáng kể

o Dịch vụ đa mức: Cách thức nơi mà QoS được phân phát nói chung dựa vào sựthỏa thuận mức dịch vụ (SLA - Service-Level Agreement) giữa nhà cung cấp dịch vụ

và người sử dụng cuối cùng Chi tiết hơn, một nhà cung cấp dịch vụ có thể cung cấpcác SLA khác nhau tới các thuê bao khác nhau, thậm chí tới những người dùng khácnhau sử dụng cùng MS Cung cấp truy nhập băng rộng cố định trong những khu vực

đô thị và ngoại ô, nơi chất lượng cáp đồng thì kém hoặc đưa vào khó khăn, khắc phụcthiết bị số trong những vùng mật độ thấp nơi mà các nhân tố công nghệ và kinh tế thựchiện phát triển băng rộng rất thách thức

o Tính tương thích: WiMAX được xây dựng để trở thành một chuẩn quốc tế, tạo

ra sự dễ dàng đối với người dùng cuối cùng để truyền tải và sử dụng MS của họ ở các

vị trí khác nhau, hoặc với các nhà cung cấp dịch vụ khác nhau Tính tương thích bảo

vệ sự đầu tư của một nhà vận hành ban đầu vì nó có thể chọn lựa thiết bị từ các nhà đại

lý thiết bị

o Di động: IEEE 802.16e bổ sung thêm các đặc điểm chính hỗ trợ khả năng diđộng Những cải tiến lớp vật lý OFDM (ghép kênh phân chia tần số trực giao) vàOFDMA (đa truy nhập phân chia tần số trực giao) để hỗ trợ các thiết bị và các dịch vụtrong một môi trường di động Những cải tiến này, bao gồm OFDMA mở rộng được,MIMO (Multi In Multi Out - nhiều đầu vào nhiều đầu ra), và hỗ trợ đối với chế độidle/sleep và handoff, sẽ cho phép khả năng di động đầy đủ ở tốc độ tới 160 km/h.Mạng WiMAX di động cho phép người sử dụng có thể truy cập Internet không dâybăng thông rộng tại bất cứ đâu có phủ sóng WiMAX

oHoạt động NLOS: Khả năng hoạt động của mạng WiMAX mà không đòi hỏi tầmnhìn thẳng giữa BS và MS Khả năng này của nó giúp các sản phẩm WiMAX phânphát dải thông rộng trong một môi trường NLOS

oPhủ 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 độngvới điều chế mức thấp (ví dụ BPSK hoặc QPSK) Các hệ thống WiMAX có thể phủsóng một vùng địa lý rộng khi đường truyền giữa BS và MS không bị cản trở Mở rộngphạm vi bị giới hạn hiện tại của WLAN công cộng (hotspot) đến phạm vi rộng(hotzone) 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 vớiCPE (NLOS) trong nhà và gần 15km với một CPE được nối với một anten bên ngoài(LOS)

oDung lượng cao: Có thể đạt được dung lượng 75 Mbit/s cho các trạm gốc với mộtkênh 20 MHz trong các điều kiện truyền sóng tốt nhất

oTính 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 lượngmạng Chuẩn cũng định rõ hỗ trợ đối với TPC (điều khiển công suất phát) và các phép

đo chất lượng kênh như các công cụ thêm vào để hỗ trợ sử dụng phổ hiệu quả Chuẩn

đã được thiết kế để đạt tỷ lệ lên tới hàng trăm thậm chí hàng nghìn người sử dụngtrong một kênh RF Hỗ trợ nhiều kênh cho phép các nhà chế tạo thiết bị cung cấp mộtphương tiện để chú trọng vào phạm vi sử dụng phổ và những quy định cấp phát đượcnói rõ bởi các nhà vận hành trong các thị trường quốc tế thay đổi khác nhau

oBảo mật: Bằng cách mã hóa các liên kết vô tuyến giữa BS và MS, sử dụng chuẩn

mã hóa tiên tiến AES, đảm bảo sự toàn vẹn của dữ liệu trao đổi qua giao diện vôtuyến Cung cấp cho các nhà vận hành với sự bảo vệ mạnh chống lại những hành viđánh cắp dịch vụ

1.2 Các chuẩn của WiMAX

1.2.1 Chuẩn IEEE 802.16-2001.

Chuẩn IEEE 802.16-2001 được hoàn thành vào tháng 10/2001 và được công bốvào 4/2002, định nghĩa đặc tả kỹ thuật giao diện không gian WirelessMAN™ cho cácmạng vùng đô thị

Đặc điểm chính của IEEE 802.16 – 2001:

 Giao diện không gian cho hệ thống truy nhập không dây băng rộng cốđịnh họat động ở dải tần 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 định hướng, MAC TDM/TDMA, QoS, bảo mật

1.2.2 Chuẩn IEEE 802.16a

Vì những khó khăn trong triển khai chuẩn IEEE 802.16, hướng vào việc sử dụngtần số từ 10 – 66 GHz, một dự án sửa đổi có tên IEEE 802.16a đã được hoàn thành vàotháng 11/2002 và được công bố vào tháng 4/2003 Chuẩn này được mở rộng hỗ trợgiao diện không gian cho những tần số trong băng tần 2–11 GHz, bao gồm cả nhữngphổ cấp phép và không cấp phép và không 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 vàocho 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, 64 QAM

 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 trợcông nghệ Mesh, ARQ

1.2.3 Chuẩn IEEE 802.16-2004.

← Tháng 7/2004, chuẩn IEEE 802.16 – 2004 hay IEEE 802.16d được chấp nhậnthông qua, kết hợp của các chuẩn IEEE 802.16 – 2001, IEEE 802.16a, ứng dụng LOS

ở dải tần số 10- 66 GHz và NLOS ở dải 2- 11 GHz Khả năng vô tuyến bổ sung như là

“beam forming” và kênh con OFDM

1.2.4 Chuẩn IEEE 802.16e.

Đầu năm 2005, chuẩn không dây băng thông rộng 802.16e với tên gọi  MobileWiMax đã được phê chuẩn, cho phép trạm gốc kết nối tới những thiết bị đang dichuyển. Chuẩn này giúp cho các thiết bị từ các nhà sản xuất này có thể làm việc, tươngthích tốt với các thiết bị từ các nhà sản xuất khác 802.16e họat động ở các băng tầnnhỏ hơn 6 GHz, tốc độ lên tới 15 Mbps với kênh 5 MHz, bán kính cell từ 2 – 5 km.WiMAX 802.16e có hỗ trợ handoff và roaming Sử dụng SOFDMA, một côngnghệ điều chế đa sóng mang Các nhà cung cấp dịch vụ mà triển khai 802.16e cũng cóthể sử dụng mạng để cung cấp dịch vụ cố định 802.16e hỗ trợ cho SOFDMA chophép số sóng mang thay đổi, ngoài các mô hình OFDM và OFDMA Sự phân chiasóng mang trong mô hình OFDMA được thiết kế để tối thiểu ảnh hưởng của nhiễuphía 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 Nó cũng cải tiến các khảnăng tiết kiệm công suất cho các thiết bị di động và các đặc điểm bảo mật linh hoạthơn

Với những đặc điểm và sự phát tiển của các chuẩn IEEE802.16 nói trên, ta có thểnhận thấy được sự khác nhau cơ bản cũng như tính kế thừa của các chuẩn này

OFDM 256 sóng mang con QPSK,16QAM,64QAM

S-OFDMA QPSK, 16 QAM, 64 QAM

Mức di động Cố định Cố định Có thể cho tốc độ di

chuyển thấp Băng thông

kênh

20,25,28MHz 5- trên 20MHz 1.25-20 MHz

Bán kính cell 1.7-5km 5 tới 10km; tối đa 50 km tùy

thuộc vào điều kiện truyền

1.7-5km

Hiện nay, IEEE vẫn đang nghiên cứu và đưa ra các chuẩn 802.16 mới nhằm hoànthiện chuẩn này Ví dụ như: IEEE 802.16f-2005, IEEE802.16g-2007 bổ sung cho thủ tục quản lý kế hoạch và dịch vụ, IEEE 802.16k-2007; IEEE 802.16-2009 củng cố tiêu chuẩn IEEE 802,16-2.004, 802.16e-2005 và 802.16-2004/Cor1-2005, 802.16f-2005,

và 802.16g-2007

1.3 Phổ WiMAX.

WiMAX – thiết bị mềm dẻo sẽ được phép hoạt động trong cả hai dải được đăng

ký và không được đăng ký

Tây Âu và nhiều vùng của châu Á - Thái Bình Dương như một băng tần đăng ký Mỗiquốc gia thường cấp phát 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 dảiphòng vệ và các kênh MDS, gữa 2.495 GHz và 2.690 GHz Hỗ trợ FDD, TDD Phổtrên mỗi đăng ký là 22.5 MHz, một block 16.5 MHz và một block 6 MHz, tổng số 8đăng ký

1.3.1.2 Băng tần đăng ký 3,5 GHz.

Ở Châu Âu, viện chuẩn viễn thông Châu Âu đã phân phối dải 3,5 GHz, bắt đầuđược sử dụng cho WPLL, cho các giải pháp WiMAX đăng ký Tổng phổ khả dụngthay đổi theo quốc gia nhưng nói chung khoảng 200MHz giữa 3,4 GHz và 3,8 GHz

Hỗ trợ FDD, TDD Một vài quốc gia chỉ sử dụng FDD trong khi các quốc gia khác chophép sử dụng FDD hoặc TDD Phổ trên mỗi đăng ký thay đổi từ 25MHz đến 256MHz

1.3.2 Băng tần không đăng ký 5GHz

Phần lớn các quốc gia toàn thế giới đã sử dụng phổ 5 GHz cho các băng tầngkhông đăng ký như: băng 5,15 GHz và 5,85 GHz

Các giải pháp không đăng ký cung cấp một vài thuận lợi chính hơn các giải phápđăng ký, bao gồm chi phí ban đầu thấp hơn, rút ra nhanh hơn, và một băng chung cóthể được sử dụng ở phần lớn thế giới Các lợi ích này đang thu hút sự quan tâm và cókhả năng cho sự chấp nhận băng rộng nhanh chóng

Tuy nhiên một giải pháp không đăng ký thì khả năng nhiễu cao hơn, và nhiều sựcạnh tranh đối với các nhà kinh doanh bất động sản cho việc triển khai Một giải phápkhông đăng ký sẽ không được xem như một sự thay thế cho giải pháp đăng ký Mỗigiải pháp cung cấp một thị trường khác nhau dựa vào sự thỏa hiệp giữa chi phí vàQoS

1.3.3 Các băng tần được đề xuất cho WiMAX trên thế giới

Các băng được Diễn đàn WiMax tập trung xem xét và vận động cơ quan quản lýtần số các nước phân bổ cho WiMax là:

● Băng tần 2,3-2,4GHz (2,3GHz Band) : được đề xuất sử dụng cho MobileWiMAX Tại Hàn Quốc băng này đã được triển khai cho WBA (WiBro).

● Băng tần 2,4-2,4835GHz: được đề xuất sử dụng cho WiMAX trong tương lai

● Băng tần 2,5-2,69GHz (2,5GHz Band): được đề xuất sử dụng cho WiMAX diđộng trong giai đoạn đầu

● Băng tần 3,3-3,4GHz (3,3GHz Band): được đề xuất sử dụng cho WiMAX cốđịnh

● Băng tần 3,4-3,6GHz (3,5GHz Band): được đề xuất sử dụng cho WiMAX cốđịnh trong giai đoạn đầu : FWA (Fixed Wireless Access)/WBA (WideBand Access)

● Băng tần 3,6-3,8GHz: được đề xuất sử dụng cho WiMAX cố định (WBA) vàcấp cho Châu Âu Tuy nhiên, băng 3,7-3,8 GHz đã được dùng cho vệ tinh viễn thôngChâu Á, nên băng tần này không được sử dụng cho Wimax Châu Á

● Băng tần 5,725-5,850GHz: được đề xuất sử dụng cho WiMAX cố định tronggiai đoạn đầu

● Ngoài ra, một số băng tần khác phân bổ cho BWA cũng được một số nước xemxét cho BWA/WiMax là: băng tần 700-800MHz (< 1GHz), băng 4,9-5,1GHz

1.3.4 Các băng tần ở Việt Nam có khả năng dành cho WiMAX.

Băng tần này lại là băng tần được đánh giá là thích hợp nhất cho WiMAX di động

và đã được Diễn đàn WiMAX xác nhận chính thức là băng tần WiMAX Một số nước

cũng đã dành băng tần này cho WiMAX như Mỹ, Mêhicô, Brazil, Canada, Singapo.

Vì vậy, đề nghị dành băng tần 2,5 - 2,69GHz cho WiMAX

● Băng tần 3,3 - 3,4GHz:

Theo Qui hoạch phổ tần số VTĐ quốc gia, băng tần này được phân bổ cho cácnghiệp vụ Vô tuyến định vị, cố định và lưu động Hiện nay, về phía dân sự và quân sựvẫn chưa có hệ thống nào được triển khai trong băng tần này Do đó, có thể cho phép

sử dụng WiMAX trong băng tần 3,3 - 3,4GHz

● Băng tần 3,4-3,6GHz, 3,6-3,8GHz:

Đối với Việt nam, hệ thống vệ tinh VINASAT sử dụng một số đoạn băng tầntrong băng C và Ku, trong đó cả băng tần 3,4-3,7 GHz Ngoài ra, đoạn băng tần 3,7-3,8 GHz mặc dù chưa sử dụng cho VINASAT nhưng có thể được sử dụng cho cáctrạm mặt đất liên lạc với các hệ thống vệ tinh khác Vì vậy không nên triển khaiWiMAX trong băng tần 3,4 - 3,8 GHz

● Băng tần 5,725 - 5,850GHz:

Hiện nay, băng tần này đã được Bộ qui định dành cho WiFi Nếu cho phép triểnkhai WiMAX trong băng tần này thì cũng sẽ hạn chế băng tần dành cho WiFi Băngtần này có thể thích hợp cho các hệ thống WiMAX ở vùng nông thôn, vùng sâu, vùng

xa, ở đó có thể cho phép hệ thống WiMAX phát với công suất cao hơn để giảm giáthành triển khai hệ thống WiMAX Vì vậy, đề nghị cho phép triển khai WiMAX trongbăng tần 5,725-5,850GHz nhưng WiMAX phải dùng chung băng tần và phải bảo vệcác hệ thống WiFi

Như vậy, với hiện trạng sử dụng băng tần tại Việt Nam như trên, các băng tần cókhả năng dành cho WiMAX ở Việt Nam là:

– Băng tần 2,3-2,4GHz và 3,3-3,4GHz cho các hệ thống truy cập không dây băngrộng, kể cả WiMAX

– Băng tần 5,725-5,850GHz cho các hệ thống truy cập không dây băng rộng, kể cảWiMAX nhưng các hệ thống này phải dùng chung băng tần với các hệ thốngWiFi với điều kiện bảo vệ các hệ thống WiFi hoạt động trong băng tần này

– Băng tần 2,5-2,690GHz cho các hệ thống truy cập không dây băng rộng, kể cảIMT-2000 và WiMAX.

Hiện tại, chính phủ đã cấp phép thử nghiệm dịch vụ WiMAX di động tại băngtần 2,3-2,4 GHz; và băng tần 2,5-2,69 GHz ( Theo công văn số 5535/VPCP-CNcủa Văn phòng Chính phủ )

1.4 Truyền sóng.

Trong khi nhiều công nghệ hiện đang tồn tại cho không dây băng rộng chỉ có thể

cung cấp phủ sóng LOS, công nghệ WiMAX được tối ưu để cung cấp phủ sóng

NLOS Công nghệ tiên tiến của WiMAX cung cấp tốt nhất cho cả hai Cả LOS và

NLOS bị ảnh hưởng bởi các đặc tính đường truyền môi trường của chúng, tổn thấtđường 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

từ máy phát đến máy thu Một liên lạc LOS yêu cầu phẩn lớn miền Fresnel thứ nhất thìkhông bị ngăn cản của bất kì vật cản nào, nếu tiêu chuẩn này không thỏa mãn thì có sựthu nhỏ đáng kể cường độ tín hiệu quan sát Độ hở Fresnel được yêu cầu phụ thuộcvào tần số hoạt động và khoảng 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 tínhiệu đến máy thu bao gồm các thành phần từ đường trực tiếp, các đường được phản xạnhiều lần, năng lượng bị tán xạ và các đường truyền bị nhiễu xạ Các tín hiệu này cókhoảng trễ khác nhau, suy hao, phân cực và độ ổn định quan hệ với đường truyền trựctiếp là nguyên nhân gây ra nhiễu ISI và méo tín hiệu Điều đó không phải là vấn đề đốivới LOS, nhưng với NLOS thì lại là vấn đề chính

Có nhiều ưu điểm mà những triển khai NLOS tạo ra đáng khao khát Ví dụ, các yêucầu lập kế hoạch chặt chẽ và giới hạn chiều cao anten mà thường không cho phépanten được bố trí cho LOS Với những triển khai tế bào kề nhau phạm vi rộng, nơi tần

số được sử dụng lại là tới hạn, hạ thấp anten là thuận lợi để giảm nhiễu kênh chunggiữa các vị trí cell liền kề Điều này thường có tác dụng thúc đẩy các trạm gốc hoạtđộng trong các điều kiện NLOS Các hệ thống LOS không thể giảm chiều cao antenbởi vì làm như vậy sẽ có tác động đến đường quan sát trực tiếp được yêu cầu từ CPE

đến trạm gốc.

Hình 1.3 Minh họa họat động WiMAX.

Công nghệ NLOS cũng giảm phí tổn cài đặt bằng cách đặt dưới các mái chethiết bị CPE đúng như nguyên bản và giảm bớt khó khăn định vị trí các địa điểm đặtCPE thích hợp Công nghệ cũng giảm bớt nhu cầu quan sát vị trí thiết bị phía trước vàcải thiện độ chính xác của các công cụ lập kế hoạch NLOS Xem minh họa trên hình1.3

Công nghệ NLOS và những tính năng được nâng cao trong WiMAX tạo khảnăng sử dụng thiết bị phía đầu khách hàng (CPE) trong nhà

Công nghệ WiMAX, giải quyết và giảm nhẹ các vấn đề do bởi các điều kiệnNLOS bằng cách sử dụng: công nghệ OFDM, OFDMA, điều chế thích nghi, các côngnghệ sửa lỗi, các công nghệ anten, điều khiển công suất, kênh con Dưới đây trình bàykhái quát về những giải pháp nêu trên

có nghĩa là chúng vuông góc theo cảm nhận toán học, cho phép phổ của mỗi dải thôngcon được giảm đáng kể bằng cách di chuyển các dải bảo vệ và cho phép các tín hiệuchồng nhau Để giải điều chế tín hiệu, cần một bộ biến đổi Fourier rời rạc (DFT) Sosánh FDM và OFDM được minh họa trên hình 1.4.

Hình 1.4 So sánh FDM và OFDM.

Trong OFDM chúng ta có 256 sóng mang với 192 sóng mang con dữ liệu, 8 sóngmang con pilot

Hình 1.5 OFDM với 256 sóng mang.

Các sóng mang con pilot cung cấp một tham chiếu để tối thiểu những dịchchuyển tần số và pha trong thời gian truyền trong khi các sóng mang null cho phép cáckhoảng bảo vệ và sóng mang DC (tần số trung tâm) Tất cả các sóng mang con đượcgửi ở cùng thời gian

OFDM nén nhiều sóng mang được điều chế chặt chẽ cùng nhau, giảm dải thôngyêu cầu nhưng giữ các tín hiệu được điều chế trực giao để chúng không gây ra nhiễulẫn nhau Nó cung cấp các hoạt động với một phương thức hiệu quả khắc phục các trởngại của truyền sóng NLOS Dạng sóng OFDM WiMAX cung cấp thuận lợi là có thểhoạt động với khoảng trễ lớn hơn ở môi trường NLOS

Khả năng khắc phục khoảng trễ, đa đường, và ISI theo cách hiệu quả cho phépthông lượng tốc độ dữ liệu cao

1.4.2 Công nghệ OFDMA

Công nghệ OFDMA cho phép một vài sóng mang con được gán tới những người

dùng khác nhau Ví dụ các sóng mang con 1, 3 và 7 có thể được gán cho người dùng 1,

và các sóng mang con 2, 5 và 9 cho người dùng 2 Những nhóm sóng mang con nàyđược xem như các kênh con OFDMA mở rộng được cho phép các kích thước FFTnhỏ hơn để cải thiện chất lượng đối với các kênh dải thông thấp hơn

Hình 1 6 Các kênh con trong OFDMA.

Để giảm bớt fading lựa chọn tần số, các sóng mang của một trong các kênh conđược trải rộng theo phổ kênh Hình 1.6 miêu tả nguyên lý của sự phân chia thành cáckênh con Khoảng sóng mang có thể dùng được được phân thành một số nhóm liêntiếp Mỗi nhóm chứa một số các sóng mang liên tiếp NE, sau đó loại trừ các kênh conpilot được gán ban đầu Một kênh con có một thành phần từ mỗi nhóm được định vịqua một quá trình giả ngẫu nhiên dựa vào sự hoán vị, vì vậy NG là số thành phần kênhcon Với N = 2048, đường xuống NG = 48 và NE =32, đường lên NG = 53 và NE =32

1.4.3 Điều chế thích nghi.

Điều chế thích nghi cho phép hệ thống WiMAX điều chỉnh sơ đồ điều chế tínhiệu phụ thuộc vào điều kiện SNR của liên kết vô tuyến Khi liên kết vô tuyến chấtlượng cao, sơ đồ điều chế cao nhất được sử dụng, đưa ra hệ thống dung lượng lớn hơn

Hình 1.7 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 đồđiều chế thấp hơn để duy trì chất lượng kết nối và ổn định liên kết Đặc điểm này cho

phép hệ thống khắc phục fading lựa chọn thời gian

1.4.4 Công nghệ sửa lỗi.

Các công nghệ sửa lỗi đã được hợp nhất trong WiMAX để giảm các yêu cầu tỉ sốtín hiệu trên tạp âm hệ thống Các thuật toán FEC, mã hóa xoắn và chèn được dùng đểphát hiện và sửa các lỗi cải thiện thông lượng Các công nghệ sửa lỗi mạnh giúp khôiphục các khung bị lỗi mà có thể bị mất do fading lựa chọn tần số và các lỗi cụm Tựđộng yêu cầu lặp lại (ARQ) được dùng để sửa lỗi mà không thể được sửa bởi FEC, gửilại thông tin bị lỗi Điều này có ý nghĩa cải thiện chất lượng tốc độ lỗi bit (BER) đốivới một mức ngưỡng như nhau

1.4.5 Điều khiển công suất.

Các thuật toán điều khiển công suất được dùng để cải thiện chất lượng toàn bộ hệthống, nó được thực hiện bởi trạm gốc gửi thông tin điều khiển công suất đến mỗi CPE

để điều chỉnh mức công suất truyền sao cho mức đã nhận ở trạm gốc thì ở một mức đãxác định trước Trong môi trường fading thay đổi động, mức chỉ tiêu đã định trước này

có nghĩa là CPE chỉ truyền đủ công suất thỏa mãn yêu cầu này Điều khiển công suấtgiảm sự tiêu thụ công suất tổng thể của CPE và nhiễu với những trạm gốc cùng vị trí.Với LOS, công suất truyền của CPE gần tương ứng với khoảng cách của nó đến trạmgốc, với NLOS, tùy thuộc nhiều vào độ hở và vật cản

1.4.6 Các công nghệ vô tuyến tiên tiến.

1.4.6.1 Phân tập thu và phát.

Các lược đồ phân tập được sử dụng để lợi dụng các tín hiệu đa đường và phản xạxảy ra trong các môi trường NLOS Bằng cách sử dụng nhiều ăng ten (truyền và/hoặcnhận), fading, nhiễu và tổn hao đường truyền có thể được làm giảm Phân tập truyền

sử dụng mã thời gian không gian STC Đối với phân tập nhận, các công nghệ như kếthợp tỷ lệ tối đa (MRC) mang lại ưu điểm của hai đường thu riêng biệt Về MISO (mộtđầu ra nhiều đầu vào) xem Hình 1.8

Hình 1.8 MISO.

Mở rộng tới MIMO (xem Hình 1.9), sử dụng MIMO cũng sẽ nâng cao thônglượng và tăng các đường tín hiệu MIMO sử dụng nhiều ăng ten thu và/hoặc phát choghép kênh theo không gian Mỗi ăng ten có thể truyền dữ liệu khác nhau mà sau đó cóthể được giải mã ở máy thu Đối với OFDMA, bởi vì mỗi sóng mang con là các kênhbăng hẹp tương tự, fading lựa chọn tần số xuất hiện như là fading phẳng tới mối sóngmang Hiệu ứng này có thể sau đó được mô hình hóa như là một sự khuếch đại khôngđổi phức hợp và có thể đơn giản hóa sự thực hiện của một máy thu MIMO choOFDMA

Hình 1.9 MIMO.

1.4.6.2 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 có thể được lái, tập trung năng lượng truyền để đạt được phạm vi lớn hơn Khinhận, chúng có thể tập trung ở hướng cụ thể của máy thu Điều này giúp cho loại bỏnhiễu không mong muốn từ các vị trí khác

1.5 So sánh WiMAX với WiFi và 3G

Hiện nay ở Việt Nam chúng ta, WiFi và 3G đang là hai công nghệ kết nối khôngdây phát triển nhất nên ta có thể so sánh chúng với WiMAX

1.5.1 WiFi

WiFi – Wireless Fidelity là tên gọi mà các nhà sản xuất đặt cho một chuẩn kết nốikhông dây(IEEE 802.11), công nghệ sử dụng sóng radio để thiết lập hệ thống kết nốimạng không dây Đây là công nghệ mạng được thương mại hóa tiên tiến nhất hiện nay.WiFi và WiMAX có cùng một nguyên lý hoạt động là truy cập mạng qua tín hiệu

vô tuyến Kết nối WiFi nhanh nhất có thể truyền được tới 54 Mbps trong các điều kiệntối ưu WiMAX có thể truyền lên tới 70 Mbps, thậm chí khi bị chia tách giữa vài chụccông ty và hàng trăm hộ gia đình người dung thì ít nhất nó sẽ cung cấp tốc độ tươngđương với tốc độ truyền của modem cáp cho mỗi người dùng Nhưng sự khác nhau lớnnhất giữa WiMAX và WiFi không phải là tốc độ truyền mà là bán kính phủ sóng WiFi

có bán kính phủ sóng khoảng 30m còn với WiMAX thì rộng hơn nhiều khoảng 50Km

Cự ly tăng là do tầng số được sử dụng và công suất của máy phát

Tuy vậy, WiMAX được thiết kế không phải để mâu thuẫn với WiFi mà để cùngtồn tại với WiFi Vùng phủ sóng của WiMAX được đo theo Km2, trong khi vùng phủsóng của WiFi được đo theo m2 Chuẩn WIMAX gốc (IEEE 802.16) đề xuất việc sửdụng phổ tần 10-66 GHz cho truyền dẫn WIMAX, mà cao hơn nhiều cự ly WiFi (lêntới tối đa 5GHz) Nhưng 802.16a đã hỗ trợ thêm cho tần số 2-11 GHz Một trạm gốcWIMAX có thể được truy cập bởi hơn 60 người sử dụng WIMAX cũng có thể cungcấp các dịch vụ quảng bá

Các đặc điểm kĩ thuật WIMAX cũng cung cấp các điều kiện thuận lợi tốt hơnnhiều so với WiFi, cung cấp độ rộng băng tần cao hơn và an ninh dữ liệu cao bằngcách sử dụng các kế hoạch mã hóa tăng cường WIMAX cũng có thể cung cấp dịch vụtheo cả hai địa điểm LOS và NLOS, nhưng cự ly sẽ thay đổi cho phù hợp

WIMAX cho phép thâm nhập vào dịch vụ băng rộng VoIP, video, và truy cậpinternet đồng thời Các anten WIMAX có thể “chia sẻ” một tháp cell mà không cầndàn xếp chức năng của các mạng tổ ong đã thích hợp

1.5.2 3G

1.5.2.1 Đặc điểm:

Là thế hệ thông tin di động số cho phép chuyển mạng bất kỳ, có khả năng truyền

thông đa phương tiện chất lượng cao.

Các hệ thống 3G được xây dựng trên cơ sở CDMA hoặc CDMA kết hợp vớiTDMA, có khả năng cung cấp một băng tần rộng theo yêu cầu, do đó có thể hỗ trợ cácdịch vụ có nhiều tốc độ khác nhau Ở thế hệ thứ 3, các hệ thống thông tin di động có

xu thế hoà nhập thành một tiêu chuẩn chung duy nhất và phục vụ lên đến 2Mbps Mặc

dù 3G được tính toán sẽ là một chuẩn mang tính toàn cầu nhưng chi phí xây dựng cơ

· UMTS:

Là một mạng thế hệ thứ 3 được triển khai ở Châu Âu Mạng này cung cấp cungcấp cho người sử dụng các dịch vụ hoạt động ở tần số 2GHz, cho phép hình ảnh âmthanh, video, truyền hình…hiển thị trên các máy điện thoại di động UMTS được xem

là một hệ thống mạng cải tiến từ mạng 2G GSM

1.5.2.3 So sánh WiMAX di động với 3G.

WCDMA được phát triển để tăng khả năng đường suống với phiên bản truy nhậpgói đường xuống tốc độ cao (HSDPA) và truy nhập gói đường lên tốc độ cao HSUPA.Nhóm phát triển 3G cũng cân nhắc phát triển khả năng truyền xa hơn cho WCDMAnhư là cung cấp MIMO với HSPA

Tương tự như vậy, CDMA 2000 được phát triển để tăng khả năng truyền dẫn sốliệu tại phiên bản 1x EVDO-Rev 0 và 1x EVDO-Rev A Một nâng cao nữa là phiênbản EVDO Rev B đưa vào khả năng đa sóng mang

Do 1xEVDO và HSDPA/HSPA được phát triển từ tiêu chuẩn CDMA 3G để cungcấp dịch vụ số liệu thông qua mạng ban đầu được thiết kế cho dịch vụ thoại di động do

đó nó thừa hưởng cả những ưu điểm và cả những hạn chế của hệ thống 3G WiMAXban đầu được phát triển cho truy nhập vô tuyến băng rộng cố định và nó được tối ưucho truyền số liệu WiMAX di động được phát triển trên cơ sở của WiMAX cố định vàđược điều chỉnh để phù hợp cho yêu cầu di động Việc so sánh giữa các thuộc tính củaWiMAX di động với 3G trên cơ sở hệ thống 1x EVDO và HSDPA/HDPA sẽ cho tathấy rõ công nghệ nào sẽ đáp ứng được các đòi hỏi của mạng địch vụ số liệu băng rộng

di động Các thuộc tính cụ thể được đưa ra trong bảng 1.2

Bảng 1.2 So sánh WiMAX di động và 3G.

Thuộc tính 1x EVDO Rev A HSDPA/HSUPA (HSPA) WiMAX di động

Tiêu chuẩn cơ sở CDMA2000/IS-95 WCDMA IEEE802.16e

OFDMA

Đa truy nhập h.lên

Độ rộng băng 1,25 MHz 5,0 MHz 5; 7; 8,75; 10 MHzKích cỡ khung DLUL 1,67 ms6,67 ms 2 ms2/ 10 ms 5 ms TDD

Điều chế DL QPSK/ 8PSK/16QAM QPSK/ 16QAM QPSK/ 16QAM/ 64QAMĐiều chế UL BPSK, QPSK/8PSK BPSK/ QPSK/ 16 QAM

Tốc độ đỉnh DL 3,1 Mbps 14 Mbps 46 Mbps, DL/UL=332 Mbps, DL/UL=1Tốc độ đỉnh UL 1,8 Mbps 5,8 Mbps 7 Mbps, DL/UL=14 Mbps, DL/UL=3H-ARQ Đồng bộ 4 kênhnhanh IR Đồng bộ 6 kênhnhanh CC Đồng bộ đa kênh CCLập lịch Lập lịch nhanh DL Lập lịch nhanhUL Lập lịch nhanh DLvà ULChuyển vùng (Handoff) Chuyển vùng mềmảo Ch vùng cứngkhởi đầu từ mạng Ch vùng cứng khởiđầu từ mạng

CHƯƠNG II CÁC KĨ THUẬT SỬ DỤNG TRONG WiMAX

2.1 Kỹ thuật OFDM

2.1.1 Sự ảnh hưởng của môi trường đến việc truyền dẫn

Thứ nhất ta phải khẳng định rằng môi trường truyền thông vô tuyến là một môitrường khắc nghiệt nhất trong truyền dẫn thông tin Nó gây suy hao tín hiệu về biên độcũng như suy hao lựa chọn tần số kèm theo các hiệu ứng fading đa đường

Sự suy hao tín hiệu tăng nhanh theo khoảng cách và ở tần số cao, ngoài ra sự suyhao cũng phụ thuộc vào địa hình (khu vực nông thôn, thành thị, đồng bằng hay miềnnúi) Hình vẽ dưới đây minh hoạ sự suy giảm tín hiệu theo khoảng cách và trên cácloại địa hình với các điều kiện truyền dẫn khác nhau của hai hệ thống ISM tần số 2,4GHz và UNII tần số 5,4 GHz

Hình 2.1: Suy giảm tín hiệu theo khoảng cách.

Ngoài ra trong môi trường truyền dẫn đa đường, nhiễu xuyên ký tự (ISI) gây bởitín hiệu phản xạ có thời gian trễ khác nhau từ các hướng khác nhau từ nơi phát tới nơithu là điều không thể tránh khỏi Ảnh hưởng này có thể làm biến dạng tín hiệu khiếnbên thu không thể khôi phục được tín hiệu

2.1.2 Đa sóng mang (Multicarrier)

Nếu truyền tín hiệu không phải bằng một sóng mang mà bằng nhiều sóng mang,mỗi sóng mang tải một phần dữ liệu có ích và được trải đều trên cả băng thông thì khichịu ảnh hưởng xấu sẽ chỉ có một phần dữ liệu có ích bị mất, dựa trên cơ sở dữ liệucủa các sóng mang khác có thể khôi phục lại dữ liệu có ích

Do vậy, khi dùng nhiều sóng mang có tốc độ bit thấp, nhiều dữ liệu gốc sẽ đượcthu chính xác Để hồi phục dữ liệu đã mất, người ta dùng phương pháp sửa lỗi FEC-Forward Error Correction Ở máy thu mỗi sóng mang được tách ra khi dùng các bộ lọcthông thường và giải điều chế Tuy nhiên để không có can nhiễu giữa các sóng mang(ICI) cần phải có khoảng bảo vệ khi hiệu quả phổ kém

Giải pháp khắc phục việc hiệu quả phổ kém khi có khoảng bảo vệ (GUARDPERIOD) là giảm khoảng cách các sóng mang và cho phép phổ của các sóng mangcạnh nhau trùng lắp nhau Sự trùng lắp này là được phép nếu khoảng cách giữa cácsóng mang được chọn chính xác Khoảng cách này được chọn ứng với trường hợp các

∑

cos(2Π f2t)

cos(2Π fNt)

S/P

cos(2Π f1t)

Hình 2.2 Sự tạo ra tín hiệu OFDM

Hình 2.3 FDM thông thường và OFDM

sóng mang trực giao với nhau Đó là phương pháp ghép kênh theo tần số trực giao(OFDM).

Cho tới nay dựa trên những thành tựu của công nghệ mạch tích hợp phương phápnày đã được thực hiện một cách dễ dàng

2.1.3 Công nghệ OFDM với khả năng hạn chế nhiễu

WIMAX sử dụng công nghệ OFDM để truyền dữ liệu ở giao diện vô tuyến vàcho phép các thuê bao truy nhập kênh Cũng có nhiều công nghệ khác ở giao diện nàynhư FDM, CDMA Tuy nhiên OFDM đã chứng tỏ nó có những ưu điểm hơn rất nhiều

về tốc độ truyền, tỷ lệ lỗi bit, cũng như hiệu quả sử dụng phổ tần nên đã được IEEEchọn làm công nghệ truyền dẫn cho truyền dẫn vô tuyến băng rộng trong chuẩnIEEE.802.16

Các kĩ thuật sử dụng trải phổ trực tiếp DS-CDMA như trong chuẩn 802.11b rất

dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu đa đường vì thời gian trễ có thể vượt qua khoảng thời giancủa một kí tự OFDM sử dụng kĩ thuật truyền song song nhiều băng tần con nên kéodài thời gian truyền kí tự lên nhiều lần Ngoài ra OFDM còn chèn thêm một khoảngbảo vệ GI (Gaurd Interval) thường lớn hơn thời gian trễ tối đa của kênh truyền giữa 2

kí tự nên nhiễu ISI có thể được loại bỏ hoàn toàn

Trên kênh truyền dẫn thì nhiễu lựa chọn tần số cũng là một vấn đề ảnh hưởng lớnđến chất lượng truyền thông tín hiệu Tuy vậy OFDM cũng rất mềm dẻo và linh hoạtkhi giải quyết vấn đề này OFDM có thể khôi phục lại kênh truyền thông qua tín hiệudẫn đường (Pilot) được truyền đi cùng với dòng tín hiệu thông tin Ngoài ra với cáckênh con suy giảm nghiêm trọng về tần số thì OFDM còn có một lựa chọn nữa đểgiảm tỷ lệ lỗi bit là giảm bớt số bit mã hóa cho một tín hiệu điều chế tại kênh tần sốđó

Hình 2.4: So sánh sóng mang của OFDM với các hình thức truyền thống

Hình trên so sánh giữa hai hình thức điều chế Đối với các hình thức truyềnthống, một sóng mang đơn với băng thông rộng sẽ được truyền đi, trong khi vớiOFDM băng thông rộng này được chia thành các băng con, mỗi băng con sẽ ứng vớimột sóng mang con, các sóng mang con trực giao nhau Việc chia băng con này sẽ làmtốc độ trên mỗi băng con này giảm đi N lần, tuy nhiên, chu kì của một sóng mang cũng

sẽ dài hơn N lần Điều này giúp cho việc đồng bộ dễ dàng hơn, tránh nhiễu đa đườngcũng tốt hơn Việc chia thông tin cũng giúp cho việc chống nhiễu tốt hơn, vì nếu bịnhiễu, cũng chỉ bị nhiễu trên các cụm đơn lẻ, nên có thể khắc phục dễ dàng hơn

Mỗi sóng mang được gán luồng dữ liệu để truyền đi Biên độ và pha của sóngmang được tính toán dựa trên phương thức điều chế (thường là QPSK, BPSK, QAM).Sau đó dùng biến đổi IFFT (Inverse Fast Fourier Tranform) để biến từ miền tần số vềmiền thời gian IFFT là một phương pháp biến đổi hiệu quả và đảm bảo cho các sóngmang con trực giao Tại bộ nhận, người ta dùng biến đổi FFT(Fast Fourier Tranform)

để biến đổi ngược lại từ miền thời gian sang miền tần số

Một vấn đề quan trọng trong truyền dẫn là sự đòi hỏi khắt khe về sự đồng bộ vì

sự sai lệch về tần số, ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler khi di chuyển và lệch pha sẽgây ra nhiễu giao thoa tần số ICI (Intercarrier Interfrence) mà hậu quả là phá bỏ sựtrực giao giữa các tần số sóng mang và làm tăng ảnh hưởng tới hệ thống cũng nhưBER Tuy nhiên OFDM cũng có thể giảm bớt sự phức tạp của vấn đề đồng bộ thôngqua khoảng bảo vệ GI Việc sử dụng chuỗi GI cho phép OFDM có thể điều chỉnh tần

số thích hợp mặc dù việc thêm GI cũng đồng nghĩa với việc giảm hiệu quả sử dụngbăng tần

Điều này có nghĩa là biên độ sẽ là hằng số, nên sẽ ít nhạy cảm với méo phi tuyến.

Bộ IFFT biến đổi từ miền tần số sang miền thời gian

Bộ Guard Period Insertion thêm khoảng bảo vệ vào sau mỗi sóng mang

Tại bộ nhận, trình tự làm theo chiều ngược lại Khoảng bảo vệ sẽ được loại bỏ,sau đó dùng biến đổi FFT biến từ miền thời gian sang miền tần số Sau đó dùng bộ giảiđiều chế để ánh xạ các sóng mang thành luồng dữ liệu tương ứng

OFDM là một công nghệ chia nhỏ băng tần thành các băng nhỏ hơn.TrongWIMAX theo chuẩn 802.16d, đã áp dụng công nghệ này Vì vậy WIMAX fixed có thểhoạt động được trong môi trường NLOS(Non Light of Sight) Trong WIMAX fixedđược chia thành 256 sóng mang con, 198 là dành cho dữ liệu, còn lại dành cho khoảngbảo vệ

2.1.4 Sự trực giao (Orthogonal)

ORTHOGONAL chỉ ra rằng có một mối quan hệ toán học chính xác giữa các tần

số của các sóng mang trong hệ thống OFDM

Về mặt toán học, trực giao có nghĩa là các sóng mang được lấy ra từ nhóm trựcchuẩn (Orthonomal basis) {Фi(t)/i= 0,1…} có tính chất sau:

Trong toán học, số hạng trực giao có được từ việc nghiên cứu các vectơ Theođịnh nghĩa, hai vectơ được gọi là trực giao với nhau khi chúng vuông góc với nhau(tạo nhau một góc vuông) và tích của 2 vectơ là bằng 0 Điểm chính ở đây là ý tưởngnhân hai hàm số với nhau, tổng hợp các tích và nhận được kết quả là 0

Điều này gọi là tính trực giao của dạng sóng sin Nó cho thấy rằng miễn là haidạng sóng sin không có cùng tần số, thì tích phân của chúng sẽ bằng không Thông tinnày là điểm mấu chốt để hiểu quá trình điều chế OFDM

Hình 2.6 Tích của hai vectơ trực giao bằng 0

Nếu chúng ta nhân và cộng (tích phân) hai dạng sóng sin có tần số khácnhau Ta nhận thấy quá trình này cũng bằng 0 Vậy hai sóng sin khác tần số thì tíchphân của chúng sẽ bằng không và ngược lại Điều này gọi là tính trực giao của dạngsóng sin Hình 2.7 và 2.8

(2.1)

Việc giải điều chế chặt chẽ được thực hiện kế tiếp trong miền tần số (digitaldomain) bằng cách nhân một sóng mang được tạo ra trong máy thu đơn với một sóngmang nhận được trong máy thu có cùng chính xác tần số và pha Sau đó phép tíchphân được thực hiện, tất cả các sóng mang sẽ về không ngoại trừ sóng mang đượcnhân, nó được dịch lên trục x, được tách ra, hiệu quả và giá trị symbol của nó khi đó

đã được xác định Toàn bộ quá trình này được lặp lại khá nhanh chóng cho mỗi sóngmang, đến khi tất cả các sóng mang đã được giải điều chế

của thời gian symbol tương ứng với nghịch đảo của khoảng cách sóng mang Dạngsinc có 1 búp chính hẹp, với nhiều búp biên có cường độ giảm dần theo tần số khi đi rakhỏi tần số trung tâm Mỗi tải phụ có một đỉnh tại tần số trung tâm và một số giá trịnull được đặt theo các lỗ trống tần số bằng khoảng cách sóng mang Bản chất trực giaocủa việc truyền là kết quả của đỉnh của mỗi tải phụ tương ứng với Nulls của các tảiphụ khác Khi tín hiệu này được phát hiện nhờ sử dụng biến đổi Fourier rời rạc (DFT).

2.1.6 Tạo và thu OFDM

Phần máy phát biến đổi dữ liệu số cần truyền, ánh xạ vào biên độ và pha của cáctải phụ Sau đó nó biến đổi biểu diễn phổ của dữ liệu vào trong miền thời gian nhờ sửdụng biến đổi fourier rời rạc đảo (inverse Discrecte Fourier Transform) Biến đổinhanh Fourier đảo (Inverse Fast fourier Transform) thực hiện cùng một thuật toán nhưIDTF, ngoại trừ rằng nó tính hiệu quả hơn nhiều và do vậy nó được sử dụng trong tất

cả các hệ thống thực tế Để truyền tín hiệu OFDM tín hiệu miền thời gian được tínhtoán phách lên tần số cần thiết Máy thu thực hiện thuật toán ngược lại với máy phát.Khi dịch tín hiệu RF xuống băng cơ sở để xử lý, sau đó sử dụng biến đổi Fouriernhanh để phân tích tín hiệu trong miền tần số Sau đó biên độ và pha của các tải phụđược chọn ra và được biến đổi ngược lại thành dữ liệu số

2.1.7 Điều chế tải phụ

Cứ mỗi lần tải phụ được phân phối bit để truyền, chúng được ánh xạ vào biên độ

và pha của tải phụ nhờ dùng sơ đồ điều chế biểu diễn bởi vectơ đồng pha và vuôngpha Hình 2.10 là ví dụ của ánh xạ điều chế tải phụ Nó chỉ ra chòm sao 16-QAM, ánh

Hình 2.9 Sơ đồ khối của thiết bị đầu cuối OFDM

xạ 4 bit cho mỗi symbol Mỗi kết hợp của dữ liệu tương ứng với 1 vectơ duy nhấtđược chỉ ra như một điểm trên hình vẽ Một số lớn sơ đồ điều chế là có sẵn, cho phépthay đổi số bit được truyền trên một sóng mang trên mỗi symbol.

* Mã GRAY

Giản đồ IQ cho sơ đồ điều chế chỉ ra vectơ truyền cho tất cả các liên hợp từ dữliệu Mỗi liên hợp từ dữ liệu phải được phân phối một vectơ IQ duy nhất Mã Gray làmột phương pháp cho sự phân phối này, sao cho các điểm cạnh nhau trong vòm saochỉ khác nhau một bit đơn Mã này giúp giảm thiểu tỉ lệ lỗi bit Mã Gray có thể được