Hệ đa sóng mang đa người dùng công nghệ wimax Và lớp vật lý ieee 802.16

CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng bổ sung AGC Analog Gain Controller Bộ điều khiển tăng ích tương tự BPSK Binary Phase-shift Key

Đại học quốc gia Hà nội Trường đại học công nghệ

Đại học quốc gia Hà nội Trường đại học công nghệ

2.1 Giới thiệu 15

2.4 Tính trực giao và dải bảo vệ 20

2.5 Phép biến đổi Fourier rời rạc 23

CHƯƠNG 3 - LỚP VẬT LÝ IEEE 802.16 27

3.3.1 Kiểm soát lỗi 28

3.3.3 Lớp con hội tụ truyền dẫn 37

3.4.3 Bộ điều chế và giải điều chế 43

3.4.5 Xử lý IFFT ở khối phát và FFT ở khối thu 48

3.4.6 Chèn và gỡ bỏ dải bảo vệ 49

CHƯƠNG 4 - MÔ PHỎNG LỚP VẬT LÝ IEEE 802.16a OFDM VỚI PHẦN

MỀM MATLAB7

52

4.1 Mục đích mô phỏng 52 4.1.1 Các giới hạn mô phỏng 52

4.1.2 Các thông số chính của chương trình mô phỏng 52

4.1.3 Mô tả nội dung kịch bản điều chế 53

4.2 Ý nghĩa các thông số trong chương trình mô phỏng 54

4.2.2 Menu Framing 55

4.3 Phân tích chương trình mô phỏng 57

PHỤ LỤC MÃ CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG 81

CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ

AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng bổ sung AGC Analog Gain Controller Bộ điều khiển tăng ích tương tự

BPSK Binary Phase-shift Keying Dịch pha nhị phân

BTS Base Transmission Station Trạm thu phát gốc

BWA Broadband Wireless Access Truy nhập vô tuyến băng rộng CCC Configuration Changing Counter Bộ đếm thay đổi cấu hình

DAC Digital to Analog Converter Bộ chuyển đổi tương tự số

DCD Downlink Channel Descriptor Bộ mô tả kênh đường xuống DFT Discrete Fourier Transformation Biến đổi Fourier rời rạc

DIUC Downlink Interval Usage Code Mã sử dụng khoảng xung nhịp

đường xuống

FDD Frequency Division Duplexing Truyền song công phân chia theo

tần số

FEC Forward Error Correction Kiểm soát lỗi hướng thuận

FFT Fast Fourier Transformation Biến đổi Fourier nhanh

FGP Field Generator Polynomial Đa thức sinh trường

FIFO First In First Out Cơ chế dữ liệu vào trước sẽ ra

trước

ICI Inter Carrier Interference Nhiễu giữa các sóng mang

ISI Inter Symbol Interference Nhiễu giữa các ký hiệu

MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập phương tiện MAN Metropolitan Area Network Mạng đô thị

MCM Multi Carrier Modulation Điều chế đa sóng mang

NCO Numerically Controlled Oscillator Bộ dao động được điều khiển số

học

Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDMA Orthogonal Frequency Division

Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OLOS Obstructed Line Of Sight Đường truyền tầm nhìn thẳng bị

che chắn PAR Peak to Average Ratio Công suất tương đối cực đại

PHY Physical Layer Lớp vật lý

PRBS Pseudo-random Binary Sequence Chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên

QAM Quadrature Amplitude Modulator Bộ điều biên cầu phương

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Dịch pha theo góc cầu phương

TC Transmission Convergence Hội tụ truyền dẫn

TDD Time Division Duplexing Truyền song công phân chia theo

thời gian UCD Uplink Channel Descriptor Bộ mô tả kênh đường lên

UIUC Uplink Interval Usage Code Mã sử dụng khoảng xung nhịp

đường lên

WiMAX Worldwide Interoperabitity for

Microwave Access

Khả năng tương tác toàn cầu với truy nhập vi ba

DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU

3 1.3 Mô hình phân lớp trong hệ thống WiMAX so sánh với OSI 4

7 1.7 802.16 cho phép truyền thông điểm đa điểm NLOS và truyền

mạng trục LOS

14

13 2.6 Nguyên lý của quá trình giải điều chế OFDM 21

15 2.8 Sơ đồ khối các quá trình điều chế, giải điều chế OFDM sử

dụng FFT

25

21 3.6 Khuôn dạng thông điệp UCD 34

37 4.2 Giản đồ chòm sao của tín hiệu giải điều chế đường xuống với

42 4.7 Đồ thị tương quan của tín hiệu giải điều chế đường lên 66

43 4.8 Đồ thị tương quan của tín hiệu giải điều chế đường xuống 67

44 4.9 Phổ của tín hiệu giải điều chế đường xuống 69

46 4.11 Phổ của tín hiệu giải điều chế đường xuống với SNR= 99dB 71

47 4.12 Phổ của tín hiệu giải điều chế đường xuống với SNR= 5dB 72

48 4.13 Phổ của tín hiệu giải điều chế đường xuống với RateID = 0 73

49 4.14 Phổ của tín hiệu giải điều chế đường xuống với RateID = 5 74

50 4.15 Phổ của tín hiệu giải điều chế đường lên với 4 kênh con 76

51 4.16 Phổ của tín hiệu giải điều chế đường lên với 7 kênh con 77

MỞ ĐẦU

Ngày nay, sự phát triển công nghệ diễn ra vô cùng mạnh mẽ trên mọi lĩnh vực

Để đáp ứng sự phát triển đó, yêu cầu về hạ tầng truyền dẫn ngày càng cao Truyền thông vô tuyến cũng nằm trong xu hướng đó Từ mục đích ban đầu chỉ là truyền dẫn không dây các số liệu đơn giản, ngày nay, yêu cầu về truyền tin không chỉ bó hẹp như vậy mà còn phải thỏa mãn truyền âm thanh, hình ảnh, truyền hình chất lượng cao Các chuẩn công nghệ nối tiếp nhau ra đời để phục vụ mục đích đó

Ở thời điểm này, Wi-Fi là công nghệ mạng không dây thống lĩnh trong các gia đình và văn phòng TV, đầu đĩa, đầu ghi và nhiều thiết bị điện tử gia dụng có khả năng dùng Wi-Fi đang xuất hiện ngày một nhiều Điều đó cho phép người sử dụng truyền thông tin khắp các thiết bị trong nhà mà không cần dây dẫn Mạng không dây trên cơ

sở thiết lập đa điểm truy cập đang ngày càng phổ biến, cho phép người dùng truy nhập mạng, internet mọi lúc, mọi nơi Điện thoại không dây sử dụng mạng Wi-Fi cũng đã có mặt ở các văn phòng Tuy nhiên, Wi-Fi tiêu tốn khá nhiều năng lượng của các thiết bị cầm tay và thậm chí chuẩn 802.11g không thể hỗ trợ ổn định cho hơn một đường phát video

Hiện tại, thế hệ mạng đầu tiên dựa trên công nghệ mới WiMAX, hay gọi theo tên kỹ thuật là IEEE 802.16, đã ra đời và sẽ trở nên phổ dụng Như chính cái tên của mạng này cho thấy, WiMAX chính là phiên bản phủ sóng diện rộng của Wi-Fi với thông lượng tối đa có thể lên đến 70 Mb/giây và tầm xa lên tới 50 km, so với 50 m của Wi-Fi hiện nay Ngoài ra, trong khi Wi-Fi chỉ cho phép truy cập ở những nơi cố định tại điểm truy cập thì WiMax có thể bao trùm cả một thành phố hoặc nhiều tỉnh thành giống như mạng điện thoại di động

Xuất phát từ lý do nắm bắt công nghệ mới, luận văn trình bày tổng quan về WiMAX, công nghệ truyền dẫn OFDM, lớp vật lý IEEE 802.16a và mô phỏng quá trình của lớp vật lý này

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN WIMAX

1.1 GIỚI THIỆU

1.1.1 Sự ra đời của WiMAX [17]

Chúng ta đã biết đến các công nghệ truy nhập internet phổ biến hiện nay như quay số qua modem thoại (Dial Up), ADSL, các đường thuê kênh riêng (leased-line), hay sử dụng các hệ thống vô tuyến như điện thoại di động, hay mạng không dây 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 8Mbps nhưng phải có đường dây kết nối, các đường thuê kênh riêng thì giá thành đắt lại rất khó khăn khi triển khai ở các khu vực có địa hình phức tạp Hệ thống thông tin di động hiện tại cung cấp tốc độ truyền 9,6Kbps quá thấp so với nhu cầu người sử dụng Ngay cả các mạng thế hệ sau GSM như GPRS (2,5G) cho phép truy cập với tốc độ đến 171,2Kbps hoặc EDGE cũng chỉ tới 300-400Kbps Như vậy rõ ràng chưa thể đáp ứng nhu cầu sử dụng các dịch vụ mạng internet ngày càng tăng Hệ thống di động thế hệ tiếp theo 3G thì tốc độ truy cập internet cũng không vượt quá 2Mbps Còn với mạng WiFi thì chỉ có thể áp dụng cho các máy tính trao đổi thông tin với khoảng cách ngắn

Với thực tế như vậy, WiMAX (Khả năng tương tác toàn cầu với truy nhập vi ba)

ra đời nhằm cung cấp một phương tiện truy cập Internet không dây tổng hơp có thể thay thế cho ADSL và WiFi Hệ thống WiMAX có khả năng cung cấp đường truyền với tốc độ lên đến 70Mbit/s và với bán kính phủ sóng của một trạm anten phát lên đến 50km Mô hình phủ sóng của mạng WiMAX tương tự như mạng điện thoại tế bào Bên cạch đó, WiMAX cũng hoạt động mềm dẻo như WiFi khi truy cập mạng Mỗi khi một máy tính muốn truy nhập mạng nó sẽ tự động kết nối với trạm anten WiMAX gần nhất

Diễn đàn WiMAX là một tổ chức của các nhà khai thác và các công ty thiết bị

và cấu kiện truyền thông hàng đầu Mục tiêu của Diễn đàn WiMAX là thúc đẩy và

chứng nhận khả năng tương thích của các thiết bị truy cập vô tuyến băng rộng tuân thủ chuẩn 802.16 của IEEE và các chuẩn HiperMAN của ETSI Diễn đàn WiMAX được thành lập để dỡ bỏ các rào cản tiến tới việc chấp nhận rộng rãi công nghệ truy cập vô tuyến băng rộng BWA, vì riêng một chuẩn thì không đủ để khuyến khích việc chấp nhận rộng rãi một công nghệ Theo mục tiêu này, Diễn đàn đã hợp tác chặt chẽ với các nhà cung cấp và các cơ quan quản lý để đảm bảo các hệ thống được Diễn đàn phê chuẩn đáp ứng các yêu cầu của khách hàng và của các chính phủ

Hình 1.1 - Ứng dụng WiMAX

1.1.2 Cơ chế hoạt động chung của WiMAX [18]

Thực tế WiMAX hoạt động tương tự WiFi nhưng ở tốc độ cao và khoảng cách lớn hơn rất nhiều cùng với một số lượng lớn người dùng Một hệ thống WiMAX gồm 2 phần:

- Trạm phát: giống như các trạm BTS trong mạng thông tin di động với công suất lớn có thể phủ sóng một vùng rộng tới 8000km2

- Trạm thu: có thể là các anten nhỏ như các thẻ mạng cắm vào hoặc được thiết lập sẵn trên bảng mạch bên trong các máy tính, theo cách mà WiFi vẫn dùng Các trạm phát BTS được kết nối với mạng Internet thông qua các đường truyền tốc độ cao dành riêng hoặc có thể được nối với một BTS khác như trạm trung chuyển bằng đường truyền thẳng LOS và chính vì vậy WiMAX có thể phủ sóng đến những vùng rất

xa

Các anten thu/phát có thể trao đổi thông tin với nhau qua các tia sóng truyền thẳng hoặc các tia phản xạ Trong trường hợp truyền thẳng, các anten được đặt cố định trên các điểm cao, tín hiệu trong trường hợp này ổn định và tốc độ truyền có thể đạt tối

đa Băng tần sử dụng có thể dùng ở tần số cao đến 66 GHz vì ở tần số này tín hiệu ít bị giao thoa với các kênh tín hiệu khác và băng thông sử dụng cũng lớn hơn Đối với các trường hợp nhiễu xạ, WiMAX sử dụng băng tần thấp hơn, 2-11GHz, tương tự như WiFi, ở tần số thấp tín hiệu dễ dàng vượt qua các vật cản, có thể phản xạ, nhiễu xạ, uốn cong, vòng qua các vật thể để đến đích

Hình 1.2 – Mô hình truyền thông của WiMAX

1.1.3 Các đặc điểm chung của WiMAX [19]

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

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

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

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

và đường truyền che khuất NLOS

- Dải tần làm việc 2-11GHz và từ 10-66GHz hiện đã được và đang được tiêu chuẩn hóa

- Trong WiMAX hướng truyền tin được chia thành hai đường lên và xuống và đều

sử dụng công nghệ OFDM để truyền OFDM 256 được Diễn đàn WiMAX lựa chọn cho các mô tả đầu tiên dựa trên 802.16-2004 WiMAX sử dụng điều chế nhiều mức thích hợp từ BPSK, QPSK đến 256-QAM kết hợp với các phương pháp sửa lỗi dữ liệu như ngẫu nhiên hóa, với mã hóa sửa lỗi Reed Solomon, mã chập tỷ lệ mã từ 1/2 đến 7/8

- Độ rộng băng tần của WiMAX từ 5 MHz đến 20 MHz được chia thành nhiều băng con 1,75 MHz Mỗi băng con này được chia nhỏ hơn nữa nhờ công nghệ OFDM, cho phép nhiều thuê bao có thể truy cập đồng thời một hay nhiều kênh một cách linh hoạt

để đảm bảo tối ưu hiệu quả sử dụng băng tần Công nghệ này được gọi là công nghệ đa truy nhập OFDMA OFDMA trong WiMAX sử dụng tổng cộng 2048 sóng mang, trong

đó có 1536 sóng mang dành cho thông tin được chia thành 32 kênh con, mỗi kênh con tương đương với 48 sóng mang

- Cho phép sử dụng cả 2 công nghệ TDD và FDD cho việc phân chia truyền dẫn của đường lên và đường xuống

- Về cấu trúc phân lớp, hệ thống WiMAX được phân chia thành 4 lớp: Lớp hội tụ (Convergence) làm nhiệm vụ giao diện giữa lớp MAC và các lớp trên, lớp điều khiển truy nhập thiết bị (MAC layer), lớp truyền dẫn (Transmission) và lớp vật lý (Physical) Các lớp này tương đương với hai lớp dưới của mô hình OSI và được tiêu chuẩn hóa để

có thể giao tiếp với nhiều ứng dụng lớp trên như mô tả ở Hình 1.3

Hình 1.3 – Mô hình phân lớp trong hệ thống WiMAX so sánh với OSI

1.2 SO SÁNH WIMAX VỚI WIFI [8]

1.2.1 Các chuẩn 802.11 và sự hạn chế của WiFi

Ngày nay chúng ta có 3 loại mạng LAN không dây chính: 802.11b, 802.11g và 802.11a Hoạt động ở tốc độ 11Mbit/s, 802.11g là chuẩn mà chúng ta biết rõ nhất với cái tên WiFi 802.11g và 802.11a ra đời sau 802.11g sử dụng cùng một dải phổ như 802.11b và tương thích ngược với nó, đã trở thành công nghệ LAN không dây thông dụng như hiện nay Còn IEEE 802.11a thường được xem là anh em họ “đuối” hơn của 802.11g, hoạt động hoàn toàn tương tự (kể cả việc có một chế độ “Turbo” 108Mbit/s nhưng sử dụng một dải phổ khác)

Sự kém hiệu quả của một cách ghê gớm của 802.11a/b/g là kết quả của một loạt nhân tố: sự chật chội nghiêm trọng và nhiễu trong dải 2,4GHz; sự xử lý kém cỏi của các tín hiệu trả về; các cơ chế tranh chấp tương tự Ethernet; nhu cầu mã hóa cao để đảm bảo an ninh Tất cả những nhân tố này sẽ dẫn tới một dịch vụ vốn không giống như đã được quảng cáo

Giải pháp cho vấn đề hiệu quả kém này là đề xuất 802.11n Chưa biết là khi nào thì một chuẩn phải ra đời (một thời điểm nào đó trong năm 2006 là thời hạn chính thức) nhưng một vài nhóm cạnh tranh phải thỏa thuận với nhau trước khi vấn đề cuối cùng cũng được giải quyết

1.2.2 So sánh WiFi và WiMAX

WiMAX khác biệt so với chuẩn 802.11 - chuẩn không dây thường được biết tới với tên WiFi

Tốc độ truyền tải: Như đã nói đến, WiMAX hổ trợ tốc độ truyền tải tới 70Mbit/s

(tốc độ phụ thuộc vào các kiểu ăngten sử dụng) Trong khi đó, WiFi5 “chỉ” hổ trợ tốc

độ 54Mbit/s trong phạm vi truyền tải khá hẹp WiFi hổ trợ tốc độ truyền tải thấp hơn, chỉ 11Mbit/s

Băng tần: WiMAX hoạt động trên giải băng tần phụ thuộc vào hoàn cảnh WiFi

hoạt động trên giải băng tần 2,4GHz trong khi WiFi5 hoạt động ở hai giải băng tần 2,4GHz và 5,8GHz

Phạm vi truyền tải: Nếu không gặp phải nhiều vật cản, WiMAX có thể truyền

tải dữ liệu trong bán kính khoảng 50km Trong môi trường có nhiều vật cản, phạm vi này rút ngắn xuống từ 5-8km Trên lý thuyết, WiFi có thể hoạt động trong phạm vi từ 90m-300m WiFi là lựa chọn thích hợp trong các gia đình và các điểm truy cập phạm

vi nhỏ

Với phạm vi rộng lớn của WiMAX, các nhà cung cấp dịch vụ sẽ có thể phủ sóng toàn bộ các khu vực đô thị với chỉ một vài tháp Mặc dù hiện nay chưa diễn ra nhưng việc WiMAX sẽ có ứng dụng doanh nghiệp, thay thế WiFi trong các doanh nghiệp là rất khả thi Phạm vi tăng thêm của WiMAX sẽ làm cho việc toàn bộ một tòa nhà hay một khu trường có thể được phủ sóng bởi chỉ một điểm truy nhập đơn được quản lý trung tâm là hoàn toàn có thể

1.3 WIMAX VÀ CÁC CHUẨN 802.16 [5]

WiMAX là một lĩnh vực thương mại công nghiệp, đi đầu và phát triển bởi các công ty hàng đầu sản xuất linh kiện và thiết bị truyền thông Tiêu chuẩn được sử dụng cho phép kết nối thiết bị của nhiều hãng khác nhau nếu cùng thoả mãn các điều kiện của việc cấp chứng nhận bởi Diễn đàn WiMAX dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.16 và ETSI HIPERMAN

Tiêu chuẩn 802.16a là công nghệ không dây mạng đô thị MAN cung cấp khả năng thay thế các công nghệ truyền thống sử dụng cáp, DSL và T1/E1 mà không cần

sử dụng cáp Nó cũng tương thích với việc kết nối các điểm truy cập 802.11 tới mạng Internet

WiMAX sẽ nhanh chóng được hoàn hiện trong thời gian tới với khả năng tương thích và khả năng đáp ứng bằng các thiết bị của các hãng khác nhau Với ưu thế của mình WiMAX đang là lĩnh vực được rất nhiều công ty trên thế gới để ý, nghiên cứu và phát triển

Sự phát triển của các chuẩn IEEE 802.16 bắt đầu với 802.16a sử dụng dải tần cấp phép 2-11 GHz Sau đó là các phiên bản 802.16b tăng dải phổ lên tới 5 và 6 GHz,

hỗ trợ QoS; 802.16c giới thiệu dải tần 10-66 GHz; 802.16d để xuất các cải tiến cho 802.16a; 802.16e hỗ trợ cho truy nhập di động tốc độ cao

Trên thực tế, WiMAX đã được khởi động kể từ tháng 4-2001 dựa trên tiêu chuẩn 802.16 bằng việc kết hợp chặt chẽ với Wi-Fi 802.11 WiMAX dựa trên các tiêu chuẩn 802.16a/d và ETSI HiperMAN

Hình 1.4– IEEE802.16 và ETSI-HiperMAN

Khi chuẩn 802.11 áp dụng cho mạng LAN thì chính 802.16 là để áp dụng cho mạng đô thị (MAN) Một ví dụ, mạng MAN với 802.16 kết nối các toàn nhà, khu vực Bên trong tòa nhà đó sẽ là một mạng LAN không dây hoạt động theo chuẩn 802.11 (WiFi), xem hình 1.5

Vào đầu, vào tháng 4/2002, IEEE quy định 802.16 cho dải tần 10-66GHz Đến tháng 1/2003, IEEE chính thức xác nhận chuẩn 802.16a, hoạt động trong vùng 2-11GHz Đây là chuẩn mở rộng của 802.16 Với khoảng tần 11 GHz, sẽ cho phép truyền dẫn trong vùng không nhìn thẳng (NLOS), thích hợp khi triển khai trong đô thị

Hình 1.5– Các chuẩn kết nối không dây

Một trong những mục tiêu chính của Diễn đàn WiMAX là tạo ra một chuẩn tương thích từ chuẩn 802.16 của IEEE và các chuẩn HiperMAN của ETSI Điều này sẽ thực hiện được nhờ việc hình thành các mô tả hệ thống Dựa trên những gì mà Diễn đàn WiMAX xem xét về các điều khoản của nhà cung cấp dịch vụ và các kế hoạch thiết bị của các nhà cung cấp, Diễn đàn WiMAX đã quyết định tập trung trước tiên vào các mô tả cho phương thức PHY OFDM 256 của chuẩn 802.16 năm 2004, được IEEE thông qua vào tháng 6/2004 Lớp vật lý (PHY) sẽ được kết hợp với một bộ điều khiển truy nhập phương tiện (MAC) độc lập đảm bảo một nền tảng thống nhất cho tất cả những triển khai WiMAX

Tuân thủ theo chuẩn 802.16 không có nghĩa là thiết bị được Diễn đàn WiMAX chứng nhận hoặc có thể tương thích với các thiết bị của các nhà cung cấp khác Tuy

nhiên nếu một thiết bị tuân thủ thiết kế được Diễn đàn WiMAX chứng nhận thì vừa tuân thủ chuẩn 802.16 và tương thích với cả thiết bị của các nhà khai cấp khác

Cấu hình chung của 802.16a gồm một trạm gốc đặt trên một tòa nhà Thiết bị này cho phép kết nối điểm-đa điểm với các thuê bao Phạm vi bao phủ của 802.16a lên tới 45km với bán kính cell tiêu chuẩn là 6-9km Bên trong cell, hiệu suất truyền NLOS

và khả năng xuyên vật cản là tối ưu 802.16a hoàn toàn tương thích khi giao tiếp với 802.11 Việc kết hợp với 802.16 cho phép lắp đặt các điểm truy cập tại bất cứ đâu mà không gặp trở ngại so với khi thi công mạng cáp Với tốc độ đạt 75Mbps, mỗi trạm gốc 802.16a cung cấp băng thông đủ cho 60 tác vụ trên kết nối T1 cho doanh nghiệp hoặc hàng trăm kết nối tốc độ cao DSL cho các gia đình, khi dùng băng thông 20MHz Để đạt hiệu quả kinh doanh cao, các nhà cung cấp dịch vụ và điều hành mạng phải cân đối

để đảm bảo phục vụ được cả những doanh nghiệp cũng như các hộ gia đình Việc triển khai 802.16 nhằm thỏa mãn yêu cầu này 802.16 hoàn toàn đáp ứng các yêu cầu bảo mật cũng như yêu cầu chất lượng dịch vụ QoS để truyền tải các ứng dụng voice và video Dịch vụ voice của 802.16 tương thích các công nghệ TDM và VoIP

Tiêu chuẩn IEEE 802.16e là kế hoạch tiếp theo sau khi cải tiến các tiêu chuẩn IEEE 802.16 trước đó Mục đích của 802.16e là khắc phục hạn chế của tiêu chuẩn hiện tại không đáp ứng được các dịch vụ, các điểm truy nhập di động IEEE 802.16e hoàn thiện như thế hệ 3G được mong đợi hoặc các công nghệ di động thực sự khác Trước hết, chuẩn 802.16 vốn qui định rằng WiMAX hoạt động trong phạm vi từ 10 đến 66GHz 802.16 được theo sau bởi 802.11a vốn mở rộng dải phổ tới phạm vi từ 2 tới 11GHz là giải mang tính thực tế hơn vì đây là phạm vi mà hầu hết các nhà cung cấp đã

có phổ Nó có thể hoạt động trong các giải chưa được cấp phép nhưng có thể gặp phải nhiễu nghiêm trọng trong những giải này Tuy nhiên, chuẩn thu hút sự chú ý nhiều nhất của các nhà cung cấp dịch vụ là chuẩn 802.16e vẫn chưa được thông qua (ít nhất cho đếm thời điểm này) 802.16e tích hợp các tính năng di động, cung cấp các dịch vụ tương đương với các dịch vụ băng rộng di động như iBurst/IntelliCell và 3G

1.4 CẤU TRÚC PMP CỦA WIMAX

WiMAX sử dụng cấu trúc PMP (một điểm tới đa điểm), có nghĩa là tín hiệu mạng xuất phát từ một điểm được truyền tải tới nhiều điểm (người sử dụng) khác cùng lúc PMP hoạt động tương tự mạng điện thoại di động khi một trạm có thể điều phối các tín hiệu đến và đi xuất phát từ nhiều người sử dụng

Lớp vật lý của WiMAX cho phép tồn tại độc lập hai khả năng liên kết Trong khu vực không có vật cản, băng tần hổ trợ tốc độ truyền tải lớn được sử dụng (10GHz – 66GHz) Trong khu vực có nhiều vật cản, WiMAX sử dụng dải băng tần từ 2GHZ tới 11GHz (hổ trợ tốc độ truyền tải thấp) Quá trình chuyển đổi tần số được WiMAX tiến hành hoàn toàn tự động

Cấu trúc PMP đóng vai trò quan trọng trong “ viễn cảnh tươi sáng của truyền thông không dây”- theo nhận định của các chuyên gia Theo đó thay vì phải tìm kiếm các điểm truy nhập WiFi, người sử dụng máy tính xách tay hoặc các thiết bị di động có thể kết nối trực tiếp thông qua WiMAX Nói cách khác, WiMAX cho phép tạo điểm truy nhập có tầm bao phủ trong toàn thành phố

Tương tự như điện thoại di động, kết nối WiMAX cũng sẽ ổn định ngay cả khi người dùng (hoặc thiết bị) di động Dự kiến, WiMAX sẽ phổ biến trong những năm cuối của thập kỷ này Intel, một trong những công ty tiên phong về WiMAX, đã lên kế hoạch tích hợp công nghệ này trực tiếp trên các chip Centrino dành cho máy tính xách tay

Hiện tại, việc triển khai WiMAX vẫn đang diễn ra ở các thành phố lớn Seatle (Mỹ) là một ví dụ điển hình Do điều kiện địa lý, việc triển khai kết nối Internet băng rộng thông qua các kênh thuê bao kỹ thuật số (DSL) hoặc cáp là một giải pháp tốn kém, ít khả thi Trong bối cảnh đó, Seatle đã mạnh dạn triển khai WiMAX Dự kiến vào cuối thập kỹ này, kết nối băng rộng không dây sẽ hiện diện ở hầu hết các khu vực trên nước Mỹ

1.5 LỢI ÍCH CỦA CÔNG NGHỆ 802.16

• Bảo vệ về giá thành và đầu tư:

Các nhà cung cấp dịch vụ có thể sử dụng thiết bị của nhiều nhà cung cấp khác nhau mà thiết bị đó đã được cấp chứng nhận WiMAX Certified™

• Tầm hoạt động xa hơn (Tới 50 km)

Hiệu suất phổ Bits/second/Hz cao hơn ở khoảng cách xa hơn Dễ dàng thêm vào một giải quạt mới tăng dung lượng kênh trên vùng phủ sóng một cách linh động, cho phép các nhà điều hành ổn định mạng khi số lượng khách hàng tăng đột biến Độ rộng kênh linh hoạt dựa trên việc định vị dải phổ cho cả dải phổ có cấp phép và dải phổ không giấy phép

• Độ bao phủ: Các kĩ thuật hiện đại (tạo lưới, tạo chùm, MIMO) làm cho khả năng

NLOS càng hoàn hảo hơn Giám sát hệ thống tăng lên cho phép qua trình thâm nhập tốt hơn ở khoảng cách xa

• Chất lượng phục vụ: TDMA động (Grant/Request) MAC hỗ trợ cảm nhận các dịch

vụ tiềm tàng mới như voice và video Nhiều mức dịch vụ khác nhau cho phép định vị băng thông theo yêu cầu của dịch vụ: Ví dụ T1/E1 cho thuê; Hiệu suất tốt nhất cho khu dân cư

• Cho phép triển khai dịch vụ kết cuối thuê bao băng rộng không dây trong khi vẫn hoàn toàn tương thích với công nghệ Wi-Fi 802.11 Các nhà cung cấp dịch vụ có thể sử

dụng thiết bị 802.16 để kết nối tin cậy các luồng tốc độ T1/E1 hoặc cao hơn tới điểm truy nhập Wi- Fi 802.11 Hiện nay, cần nhiều thời gian để nhà cung cấp dịch vụ cấp một đường truyền T1/E1 cho khách hàng Với công nghệ không dây băng thông rộng, nhà cung cấp dịch vụ có thể cung cấp dịch vụ với chất lượng tương tự hoặc tốt hơn chỉ với vài ngày và chi phí lại rẻ hơn Trong cùng điều kiện, một nhà cung cấp dịch vụ có thể đáp ứng cung cấp băng thông theo yêu cầu dịch vụ cho các sự kiện chẳng hạn như: hội chợ, triển lãm, hoặc cho các khách hàng không cố định vị trí chẳng hạn công trường đều cần kết nối không thường xuyên

1.6 MỘT SỐ ỨNG DỤNG ĐIỂN HÌNH [5]

Phủ sóng trong phạm vi rộng, tốc độ truyền tin lớn, hổ trợ đồng thời nhiều thuê bao và cung cấp các dịch vụ như: VoIP, Video mà ngay cả ADSL hiện tại cũng chưa đáp ứng được những đặc tính ưu việt cơ bản của WiMAX Các đường ADSL ở những khu vực mà trước đây đường dây chưa tới được thì nay đã có thể truy nhập được Internet Các công ty với nhiều chi nhánh trong thành phố có thể không cần lắp đặt mạng LAN của riêng mình mà chỉ cần đặt một trạm phát BTS phủ sóng trong cả khu vực hoặc đăng ký thuê bao hàng tháng với công ty cung cấp dịch vụ Để truy nhập tới mạng, mỗi thuê bao được cung cấp một mã số riêng và được hạn chế bởi quyền truy nhập theo tháng hay theo khối lượng thông tin mà bạn nhận được từ mạng

Bên cạnh đó hệ thống WiMAX sẽ giúp cho các nhà khai thác di động không còn phải phụ thuộc vào các đường truyền phải đi thuê của các nhà khai thác mạng hữu tuyến, cũng là đối thủ cạnh tranh của họ Hầu hết hiện nay đường truyền dẫn giữa BSC

và MSC hay giữa các MSC chủ yếu được thực hiện bằng các đường truyền dẫn cáp quang hoặc các tuyến viba điểm-điểm Phương pháp thay thế này có thể giúp các nhà khai thác dịch vụ thông tin di động tăng dung lượng để triển khai các dịch vụ mới với phạm vi phủ sóng rộng mà không làm ảnh hưởng đến mạng hiện tại Ngoài ra, WiMAX với khả năng phủ sóng rộng, khắp mọi ngõ ngách của thành thị cũng như nông thôn sẽ là một công cụ hổ trợ đắc lực trong các lực lượng công an, lực lượng cứu hỏa hay các tổ chức cứu hộ khác có thể duy trì thông tin lien lạc trong nhiều điều kiện thời tiết, địa hình khác nhau

Hiện tại có nhiều thành phố trên thế giới ở Mỹ, Nhật, Trung Quốc, Hàn Quốc…

đã có kế hoạch triển khai WiMAX Ngay cả Microsoft cũng quan tâm và coi trọng WiMAX như là một tiêu chuẩn và sẽ tích hợp trong các phân mềm của mình vào mạng

Dự đoán các sản phẩm tích hợp WiMAX với máy tính cũng sẽ được cho ra mắt thị trường vào cuối 2006

- Mạng trục tế bào (Cellular Backhaul)

Băng thông của 802.16 là sự lựa chọn hoàn hảo cho mạng trục triển khai cho mạng doanh nghiệp như thiết lập các điểm truy cập hotspot cũng như các ứng dụng mạng trục điểm-điểm

- Mạng băng thông rộng theo yêu cầu

Với đặc tính kỹ thuật của băng thông rộng và triển khai dễ dàng, 802.16 kết hợp với 802.11 cung cấp cho người sử dụng các dịch vụ kết nối vô cùng linh hoạt về tốc độ và lắp đặt thiết bị Khả năng đáp ứng theo yêu cầu cho phép cung cấp kết nối tốc độ cao tức thời ngay khi có yêu cầu

- Cung cấp dịch vụ cho các thuê bao băng rộng cố định

Việc triển khai mạng cáp gặp rất nhiều khó khăn và chi phí lớn khi thực hiện trong đô thị Ví dụ mạng DSL truyền thống chỉ có khả năng cấp tới thuê bao cách Trung tâm tối

đa 4-5km 802.16 hoàn toàn khắc phục điều đó

- Dịch vụ kết nối không dây hoàn hảo

Hiện nay, rất nhiều điểm truy cập 802.11 đã được lắp đặt Người sử dụng luôn muốn

họ duy trì kết nối ngay cả khi ngoài vùng hoạt động của các điểm truy cập này Phiên bản 802.16e cung cấp khả năng kết nối di động cho phép người dùng truy nhập mạng ngay cả khi ở bên ngoài khu vực làm việc

Hình 1.6 – Mô hình triển khai WiMAX

Hình 1.7 – 802.16 cho phép truyền thông điểm đa điểm NLOS

và truyền mạng trục LOS

CHƯƠNG 2 – KỸ THUẬT OFDM

2.1 GIỚI THIỆU

Một trong những yêu cầu chính trong hệ thống vô tuyến băng rộng thế hệ thứ 2

là khả năng hoạt động trong các điều kiện tầm nhìn thẳng bị che chắn (OLOS) và điều kiện không có tầm nhìn thẳng (NLOS) Hoạt động trong các điều kiện như vậy gây ra nhiều khó khăn và hạn chế đối với các nhà khai thác viễn thông khi cung cấp các dịch

vụ cho các khách hàng tiềm năng

Do các vấn đề về nhiễu về đa đường, một số công nghệ trước đây đưa ra giải pháp điều chế sóng mang đơn dùng cho các ứng dụng NLOS nhưng cũng chưa mang lại hiệu quả cao Sự ra đời của kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao – OFDM là một bước đột phá trong thị trường truy cập vô tuyến băng rộng

OFDM là nằm trong một lớp các kỹ thuật điều chế đa sóng mang trong thông tin

vô tuyến Còn trong các hệ thống thông tin hữu tuyến chẳng hạn như trong hệ thống ASDL, các kỹ thuật này thường được nhắc đến dưới cái tên: đa tần (DMT) Kỹ thuật OFDM lần đầu tiên được giới thiệu trong bài báo của R.W.Chang năm 1966 về vấn đề tổng hợp các tín hiệu có dải tần hạn chế khi thực hiện truyền tín hiệu qua nhiều kênh con Tuy nhiên, cho tới gần đây, kỹ thuật OFDM mới được quan tầm nhờ có những tiến bộ vượt bậc trong lĩnh vực xử lý tín hiệu và vi điện tử Ý tưởng chính trong kỹ thuật OFDM là chia luồng dữ liệu trước khi phát đi thành N luồng dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dự liệu đó trên một sóng mang con khác nhau Các sóng mang này trực giao với nhau, thực hiện bằng cách chọn chế độ dãn cách tần số giữa chúng một cách hợp lý

2.2 ĐA ĐƯỜNG VÀ HIỆU SUẤT PHỔ TRONG OFDM [6]

Công nghệ OFDM thiết kế trong các hệ thống để hoạt động trong các điều kiện môi trường kết nối đa dạng từ Có tầm nhìn thẳng LOS đến tầm nhìn thẳng bị che chắn OLOS và không có tầm nhìn thẳng NLOS Đây chính là ưu điểm của OFDM

Trong môi trường không có tầm nhìn thẳng, tín hiệu đa đường là tổ hợp của tín hiệu gốc và các tín hiệu phản xạ bởi các vật cản giữa tram phát và trạm thu Các tín hiệu phản xạ thường đến trạm thu không cùng một thời điểm phụ thuộc vào khoảng cách đường đi và đều đến sau so với tín hiệu gốc ( dẫn thẳng)

Hình 2.1 – Đa đường trong các điều kiện kết nối NLOS

Do không đến cùng một thời điểm, các tín hiệu phản xạ gây ra nhiễu Tác động của hiện tượng đa đường trên hệ thống kết nối vô tuyến là giao thoa ký hiệu ISI Các tiếng vọng từ một ký hiệu nhất định (gọi là vọng symbol N) sẽ ảnh hưởng đến ký hiệu tiếp theo (gọi là symbol N+ 1) Công nghệ OFDM đã khắc phục được vấn đề ISI bằng cách sử dụng khoảng bảo vệ GI tại đoạn bắt đầu của ký hiệu Khoảng thời gian bảo vệ chính là phần ký hiệu bị ảnh hưởng bởi ISI còn khoảng dữ liệu tiếp theo khoảng bảo vệ chính là khoảng tải tin

Hình 2.2 - Cấu trúc ký hiệu OFDM, ISI và khoảng bảo vệ

Công nghệ OFDM hỗ trợ truyền số liệu tốc độ cao và tăng hiệu quả dải tần Điều này đạt được là do sự truyền dẫn song song của nhiều sóng mang con qua không trung, mỗi sóng mang con có khả năng mang số liệu điều biến Các sóng mang con được đặt vào các tần số trực giao

Trực giao có nghĩa là tần số trung tâm của một sóng mang con nhất định sẽ rơi đúng vào các điểm bằng 0 (null) của các sóng mang con khác Sử dụng các tần số trực giao sẽ tránh được sự ảnh hưởng lẫn nhau giữa các sóng mang con khác nhau khi sắp xếp vị trí các sóng mang con với mật độ lớn trong miền tần số, do đó sẽ đạt được hiệu suất phổ cao

Hình 2.3 - Đồ thị ký hiệu OFDM

2.3 CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CƠ BẢN CỦA OFDM [11]

Sử dụng dải tần rất hiệu quả do cho phép chồng phổ giữa các sóng mang con Hạn chế được ảnh hưởng của fading và hiệu ứng nhiều đường bằng cách chia kênh fading chọn lọc tần số thành các kênh con fading phẳng tương ứng với các tần số sóng mang OFDM khác nhau Phương pháp này có ưu điểm quan trọng là loại bỏ được hầu hết giao thoa giữa các sóng mang (ICI) và giao thoa giữa các ký hiệu (ISI) do sử dụng

Trên thực tế, quá trình thực hiện điều chế và giải điều chế trong OFDM được đảm bảo nhờ sử dụng phép biến đổi FFT Nếu sử dụng kết hợp với phép điều chế vi sai thì không cần phải thực hiện quá trình ước lượng kênh

Ý tưởng chính trong kỹ thuật OFDM là việc chia luồng dữ liệu trước khi phát đi thành N luồng dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu đó trên một sóng mang con khác nhau Các sóng mang này là trực giao với nhau, điều này được thực hiện bằng cách chọn độ dãn cách tần số giữa chúng một cách hợp lý Hình 2.4 mô tả nguyên lý của quá trình tạo một ký hiệu OFDM Tất cả các thao tác trong miền được đóng khung đều có thể được thay thế bằng phép biến đổi IDFT

Hình 2.4- Nguyên lý tạo một ký hiệu OFDM

Các sóng mang φn(t) là các sóng hình sin có thể được biểu diễn dưới dạng luỹ thừa như sau :

φn(t) =

kt N

W e T

π 2 1

t ∈ [0,T]

0 t ∉ [0,T]

(2-1)

Tần số của các sóng mang hơn kém nhau một khoảng W/N Hz, trong đó W là độ

rộng dải tần Mỗi sóng mang được nhân với một giá trị phức xn,m lấy từ dữ liệu đầu

vào; chỉ số dưới n tương ứng với chỉ số của sóng mang, và m là chỉ số của toàn bộ ký

hiệu OFDM (còn gọi là symbol OFDM) Mỗi tín hiệu sm(t) tương ứng với một điểm

trong không gian Euclid N-chiều gọi là không gian tín hiệu, mỗi điểm được biểu diễn

bởi một bộ các giá trị (x0,m, x1,m, , xN-1,m) Một tập hợp M điểm trong không gian

N-chiều này được gọi là chòm sao Các điểm nằm trong chòm sao này có thể là đầu ra sau

khi thực hiện phép điều chế M-trị bất kỳ Trong trường hợp thực hiện truyền tín hiệu liên tục, m là một số nguyên m ≈(-∞,∞ ) Các kết quả có được sau khi thực hiện phép

nhân sẽ được cộng lại và tín hiệu cuối cùng sẽ là dạng sóng (theo thời gian) được truyền đi qua kênh

s m (t) = ∑−

1 0

) ( ,

N n

mT t n m n

Hình 2.5- Dạng phổ của một ký hiệu OFDM

Như vậy, chuỗi vô hạn các ký hiệu OFDM có thể được biểu diễn

Do φn(t) là một xung vuông được điều chế tại tần số sóng mang kW/N (Hz), nên

kỹ thuật OFDM thường được coi như là có N sóng mang, trên mỗi sóng mang ký hiệu

được truyền đi với tốc độ thấp hơn ROFDM = Rs/N Chú ý rằng tốc độ ký hiệu của mỗi

kênh con là tốc độ truyền các ký hiệu OFDM

2.4 TÍNH TRỰC GIAO VÀ DẢI BẢO VỆ [2]

Ðiểm mấu chốt nhằm có được hiệu quả sử dụng dải tần cao là tính trực giao của các sóng mang Trong các hệ thống ghép kênh phân chia theo tần số thông thường, các

sóng mang được phân tách bởi một dải bảo vệ nhằm cho phép thu và giải điều chế các sóng mang đó bằng các thao tác lọc thông thường Tuy nhiên, các dải bảo vệ này đã làm giảm hiệu quả sử dụng dải tần Nếu các sóng mang là trực giao với nhau, thì chúng

có thể được sắp xếp sao cho các dải băng chồng lên nhau sao cho vẫn có thể thu tốt mà không có giao thoa với các sóng mang lân cận (ICI) Tuy nhiên, các dải bảo vệ là cần thiết để duy trì tính trực giao giữa các sóng mang trong kỹ thuật OFDM, nhưng cách hoạt động của các dải bảo vệ này khác hẳn với kỹ thuật FDM thông thường

Máy thu OFDM có thể được coi là gồm nhiều bộ giải điều chế, mỗi bộ sẽ thực hiện chuyển tín hiệu ở mỗi sóng mang xuống băng gốc và tích phân trên một chu kỳ ký hiệu nhằm khôi phục lại dữ liệu ban đầu Sơ đồ nguyên lý của quá trình giải điều chế một ký hiệu trong kỹ thuật OFDM được mô tả trong hình 2.6 Chúng ta có thể dễ dàng nhận thấy, nếu các hàm φn(t)với n = 0,1, ,N-1 là trực giao với nhau từng đôi một thì mới khôi phục được bộ (x0,m, x1,m, , xN-1,m) ban đầu

Hình 2.6 - Nguyên lý của quá trình giải điều chế OFDM

Về mặt toán học, một bộ các hàm được coi là trực giao nếu:

∫ =

b

a q

pψ* (t) dt

ψ K p=q

0 p≠q

(2-4)

trong đó, ψ* là kí hiệu của liên hợp phức Có nhiều bộ các hàm trực giao, nổi

tiếng nhất là các hàm luỹ thừa phức tạo thành cơ sở của phép biển đổi Fourier :

t k

jw e t

Nếu tất cả các sóng mang không phải là sóng mang mong muốn bị trộn xuống các tần số bằng một số nguyên lần 1/τ , trong đó τ là chu kỳ ký hiệu, thì chúng sẽ có tích phân bằng 0 trên một chu kỳ ký hiệu Như vậy, các sóng mang sẽ trực giao với nhau, nếu độ dãn cách giữa các sóng mang là bội số của 1/τ

Trở ngại duy nhất trong việc sử dụng DFT trong kỹ thuật OFDM là bản chất không tuần hoàn của tín hiệu trong miền thời gian Ðiều này có thể được giải quyết bằng cách thêm một thời khoảng bảo vệ Tg, đoạn này chính là bản sao của ký hiệu tích cực trong Tg giây trước (như trên hình 2.7) Ðoạn thêm vào này thường được gọi là tiền

tố lặp CP bởi vì nó làm cho ký hiệu OFDM như là tuần hoàn đối với máy thu Tín hiệu tới máy thu thu sau đó sẽ được xấp xỉ bằng phép chập tuần hoàn giữa tín hiệu phát và đáp ứng xung của kênh Điều này cũng làm cho tránh được nhiễu ICI

Dải bảo vệ Ký hiệu tích cực

Chiều 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 và loại bỏ được các loại nhiễu ICI và ISI Những lợi ích đạt được nhờ chèn thêm dải bảo vệ này thường có giá trị hơn những suy giảm trong hiệu suất sử dụng dải tần và trong tỷ số SNR Ðể minh 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 phát trên một sóng mang con là :

T T

T dt

t)2(

Nguyên lý thu phát tín hiệu OFDM nói trên có thể được thực thi đơn giản nhờ phép biến đổi FFT xem xét sau đây

2.5 PHÉP BIẾN ĐỔI FOURIER RỜI RẠC

Các phương thức để phân tách các sóng mang trong kỹ thuật OFDM đã được tìm hiểu và đánh giá trong suốt quá trình phát triển của nó Hai phương thức ban đầu sử dụng các bộ lọc để phân tách các dải, và đã gặp phải nhiều khó khăn trong việc thực thi các bộ lọc có dải sườn dốc Phương thức thứ ba được Weinstein và Ebert [14] giới thiệu, là phương thức sử dụng các biện pháp xử lý ở băng gốc, khi đó, cả máy phát và máy thu đều có thể được thực thi bằng cách sử dụng phép biến đổi Fourier rời rạc (DFT)

Mỗi sóng mang trong hệ thống OFDM đều có thể được viết dưới dạng:

s n,m (t) = x n,m e j2π f n t (2-8)

trong đó, xn,m là modul của số phức tương ứng với sóng mang con thứ n trong ký hiệu OFDM thứ m và khác 0 trên chu kỳ thời gian (m-1)τ < t < mτ , trong đó τ là chu

kỳ ký hiệu Ðiều này cho phép chúng ta có thể viết lại phương trình (2-2) dưới dạng trung bình của các sóng mang phức liên tục theo thời gian, với m cho trước :

s m (t) = ∑−

=

1 0

Ta chọn N mẫu trên một chu kỳ ký hiệu, sử dụng mối quan hệ τ = NT So sánh

phương trình (2-10) với dạng tổng quát của phép biến đổi IDFT :

g(kT) = ∑−

=

1 0

chúng ta thấy rằng, hàm phức xn,m theo biến n chính là định nghĩa của tín hiệu

được lấy mẫu biểu diễn trong miền tần số và s(kT) là dạng biểu diễn trong miền thời

gian Do mối quan hệ giữa 2 phép biến đổi DFT và IDFT :

Ðây là một đặc điểm rất quan trọng bởi vì 2 lý do sau Thứ nhất, DFT là một

dạng của phép biến đổi Fourier mà ở đó, tín hiệu được lấy mẫu và nhờ vậy, chúng trở

nên tuần hoàn trong cả miền thời gian và tần số Ðiều này giúp tránh được các vấn đề

về lưu trữ, chồng phổ thường xuất hiện ở các tín hiệu có dải tần vô hạn hoặc không đổi

theo thời gian Phép biến đổi này, cùng với việc chèn thêm dải bảo vệ nhằm giúp cho

mỗi ký hiệu OFDM gần như tuần hoàn, đã giúp thực hiện phép chập tuần hoàn với hàm

truyền đạt của kênh Ưu điểm thứ hai của việc ứng dụng DFT là phép biến đổi này có

thể được thực hiện khá đơn giản và rẻ tiền bằng cách sử dụng FFT

AWGN

Hình 2.8 - Sơ đồ khối các quá trình điều chế, giải điều chế OFDM sử dụng FFT

Hình 2.8 là sơ đồ khối của một hệ thống OFDM có sử dụng mã sửa sai, phép

IFFT được sử dụng để thực hiện các thao tác điều chế như trong hình 2.4 Dữ liệu đầu

vào sẽ được ánh xạ thành các bộ N-phần tử bằng cách sử dụng bất cứ phép điều chế

M-trị thông thường nào Sau đó, các thành phần thực và ảo sẽ được tách ra và được mã

hoá chập riêng biệt (thông thường là mã chập có hệ số tỉ lệ 1/2) Bộ xen rẽ khối có

chức năng thực hiện xen rẽ các sóng mang (theo tần số), và khối IFFT sẽ tạo ra dạng sóng ở miền thời gian giống như biểu thức (2-9) Sau khi thêm CP vào ký hiệu OFDM thì tín hiệu sẽ được phát đi qua kênh fading nhiều đường, đồng thời nó cũng chịu ảnh hưởng của nhiễu trắng cộng sinh AWGN Tại máy thu, sau khi loại bỏ CP khỏi ký hiệu OFDM, người ta thực hiện cân bằng và biến đổi FFT Tín hiệu miền thời gian thu được sau đó sẽ được giải xen rẽ, giải mã sửa sai theo thuật toán Viterbi và cuối cùng được giải điều chế M-trị để trở thành luồng dữ liệu ban đầu

2.6 CÁC ƯU ĐIỂM CƠ BẢN CỦA KỸ THUẬT OFDM

- Rất hiệu quả trong các môi trường đa đường nên thích hợp với các ứng dụng không dây cố định như truyền hình số mặt đất DVB-T

- Sử dụng dải tần hiệu quả do cho phép chồng phổ giữa các sóng mang con Hạn chế được ảnh hưởng của fading chọn lọc tần số thành các kênh con fading phẳng tương ứng với các tần số sóng mang OFDM khác nhau

- Phương pháp này có ưu điểm quan trọng là loại bỏ được hầu hết nhiễu giữa các sóng mang và nhiễu giữa các tín hiệu nhờ sử dụng CP

- Quá trình thực hiện điều chế và giải điều chế trong OFDM đơn giản nhờ sử dụng phép biến đổi FFT

Mặc dù còn có những khó khăn như PAR cao và dễ mất đồng bộ, nhưng OFDM đang chứng tỏ những ưu điểm mình trong các hệ thống viễn thông trên thực tế đặc biệt là trong các hệ thống vô tuyến đòi hỏi tốc độ cao như thông tin di động và cả trong truyền hình số

CHƯƠNG 3 - LỚP VẬT LÝ IEEE 802.16

Chuẩn IEEE 802.16 đã được thiết kế để mở ra một tập các giao diện không gian dựa trên một giao thức MAC thông thường nhưng với các đặc tả lớp vật lý phụ thuộc vào việc sử dụng và những điều chỉnh phổ có liên quan Chuẩn hướng vào các tần số từ

10 - 66 GHz, nơi phổ rộng hiện có sẵn để sử dụng trên toàn cầu, nhưng tại đó những bước sóng ngắn được xem như những thách thức trong việc triển khai Vì lý do đó một

dự án sửa đổi có tên IEEE 802.16a đã được hoàn thành vào tháng 11/2002 và được 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 So sánh với những tần số cao hơn, những phổ như vậy tạo cơ hội để thu được nhiều khách hàng hơn với chi phí chấp nhận được, mặc dù các tốc độ dữ liệu là không cao Tuy vậy, các dịch vụ sẽ hướng tới những tòa nhà riêng lẻ hay những xí nghiệp vừa

và nhỏ

3.1 HỆ 10-66 GHZ [3]

Các tín hiệu tần số cao trong dải 10-66GHz được dùng trong tiêu chuẩn IEEE 802.16 Tiêu chuẩn này hỗ trợ hoạt động LOS và có khoảng cách ngắn hơn với vài km, khi so với các hệ thống sử dụng tần số thấp hơn Dải tần này có thể hỗ trợ tới 120Mbps Không giống những dải tần nhỏ hơn 100MHz, dải tần 20GHz có thể cho băng thông vài trăm MHz Thêm vào đó, các kênh trong băng này là dải đặc trưng 25 hoặc 28MHz

Trong thiết kế của đặc tả PHY cho 10–66 GHz, sự truyền dẫn trong tầm nhìn không bị vật cản là cần thiết Do kiến trúc “điểm- điểm”, về cơ bản, BS truyền một tín hiệu TDM với những trạm thuê bao riêng lẻ được định vị những khe thời gian theo chu

kỳ Sự truy cập theo hướng đường lên cho bởi TDMA Tiếp theo những thảo luận mở rộng về sự truyền song công, một thiết kế cụm được chọn cho phép cả truyền song công phân chia theo khe thời gian (TDD), tại đó đường lên và đường xuống dùng chung một kênh nhưng không truyền cùng lúc và truyền song công phân chia theo tần

số (FDD), tại đó đường lên và đường xuống hoạt động trong những kênh riêng biệt

Thiết kế cụm này cho phép cả TDD lẫn FDD được xử lý theo cách tương tự Những lựa chọn một trong hai TDD và FDD hỗ trợ những cụm thích ứng, trong đó những tùy chọn điều biến và mã hóa có thể được gán động trên cơ sở từng cụm một

3.2 HỆ 2-11 GHZ

Các băng tần 2–11 GHz , đã cấp phép và được miễn đều nằm trong dự án IEEE 802.16a Chuẩn 802.16a chủ yếu bao gồm sự phát triển những đặc tả lớp vật lý mới cho giao diện không gian và mỗi đặc tả trong chúng đưa ra tính hoạt động cùng nhau Lớp vật lý 2–11 GHz được thiết kế do nhu cầu theo hướng hoạt động truyền dẫn trong tầm nhìn có vật cản (NLOS) Vì các ứng dụng thường triển khai ở khu vực dân cư, sự truyền phải được thực hiện theo nhiều đường Hơn nữa, những ăngten gắn ngoài trời thường đắt do cả chi phí phần cứng và cài đặt cao

3.3 CHI TIẾT LỚP VẬT LÝ IEEE 802.16

3.3.1 Kiểm soát lỗi [1]

a Kiểm soát lỗi hướng thuận FEC

Lớp vật lý IEEE 802.16 sử dụng phương pháp kiểm soát lỗi FEC (sửa lỗi hướng thuận) FEC được sử dụng là Reed Solomon GF(256) với khả năng thay đổi kích thước khối và khả năng sửa lỗi FEC này được liên kết với một mã nhân chập để truyền dữ liệu hữu hạn một cách thông suốt, như các truy nhập điều khiển khung và truy nhập khởi đầu FEC có các tùy chọn như QPSK, 16-QAM, 64-QAM nhằm xác lập các cơ chế cụm Nếu khối FEC cuối cùng không được điền đầy thông tin, khối này sẽ bị thiếu

Sự thiếu hụt trong cả đường lên, đường xuống được điều khiển bởi BS và được biểu đạt bên trong UL-MAP và DL-MAP