Ứng dụng kỹ thuật OFDMA trong WiMAX

Qua đó chúng ta có thể thấyđược những ưu điểm của kỹ thuật này trong việc xử lý truyền nhận tín hiệunói chung và ứng dụng trong công nghệ WiMAX nói riêng.Trong thời gian làm đồ án, em đã

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

ỨNG DỤNG KỸ THUẬT OFDMA TRONG WiMAX

Giảng viên hướng dẫn : ThS Nguyễn Thị Kim Thu

Cán bộ phản biện : ThS Lê Thị Kiều Nga Sinh viên thực hiện : Nguyễn Đình Thìn

Lớp : 48K-ĐTVT

Nghệ An 1/2012

MỤC LỤC

Lời nói đầu

Tóm tắt đồ án

Danh mục các bảng biểu

Danh mục các hình vẽ

Danh mục các chữ viết tắt

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX 12

1.1 Giới thiệu chương

1.2 Giới thiệu về WiMAX 12

1.3 Mô hình hệ thống 14

1.4 Các ưu và nhược điểm của công nghệ WiMAX 17

1.4.1 Một số ưu điểm chính của công nghệ WiMAX 17

1.4.2 Một số nhược điểm của công nghệ WiMAX 19

1.5 Cấu trúc của WiMAX 20

1.5.1 Các đặc tính của lớp vật lý (PHY) 20

1.5.2 Các đặc tính của lớp truy nhập (MAC) 22

1.6 Các chuẩn của WIMAX

1.6.1 Chuẩn cơ bản 802.16

1.6.2 Các chuẩn bổ sung (Amendments) của WIMAX

1.7 So sánh WiMAX với WiFi 25

1.8 Các dải tần áp dụng 29

1.9 Ứng dụng của WiMAX 31

1.9.1 Các mạng riêng 31

1.9.1.1 Chuyển về các nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến 32

1.9.1.2 Các mạng giáo dục 33

1.9.1.3 An ninh công cộng 35

1.9.1.4 Các phương tiện liên lạc xa bờ 36

1.9.2 Các mạng công cộng

1.9.2.1 Nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến truy cập mạng

1.9.2.2 Kết nối nông thôn 40

1.10 Kết Luận chương

CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM 12

2.1 Giới thiệu chương

2.2 Giới thiệu kỹ thuật điều chế OFDM 42

2.2.1 Khái niệm 42

2.2.2 Lịch sử phát triển 45

2.2.3 Sơ đồ hệ thống

2.3 Nguyên lý điều chế OFDM 48

2.3.1 Sự trực giao của hai tín hiệu 48

2.3.2 Sơ đồ điều chế 52

2.3.3 Thực hiện điều chế bằng thuật toán IFFT 53

2.3.4 Chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM 54

2.3.5 Phép nhân với xung cơ bản 56

2.4 Nguyên lý giải điều chế OFDM 56

2.4.1 Truyền dẫn phân tập đa đường 56

2.4.2 Nguyên tắc giải điều chế 57

2.5 Ứng dụng và hướng phát triển của kỹ thuật điều chế OFDM 59

2.5.1 Hệ thống DRM 59

2.5.2 Các hệ thống DVB 60

2.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến OFDM và giải pháp khắc phục

2.6.1 Nhiễu ISI (Inter-Symbol interference) và giải pháp khắc phục

2.6.2 Nhiễu ICI(Inter-Channel Interference) và giải pháp khắc phục

2.6.3 Cải thiện hiệu năng hệ thống trên cơ sở sử dụng mã Gray

2.6.4 Nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần

2.7 Các ưu và nhược điểm của kĩ thuật OFDM

2.7.1 Ưu điểm

2.7.2 Nhược điểm

2.8 Kết luận chương

CHƯƠNG 3 KỸ THUẬT OFDMA TRONG WIMAX 72

3.1 Giới thiệu chương

3.2 Giới thiệu kỹ thuật OFDMA 72

3.3 Đặc điểm 74

3.4 Độ rộng dải tần, số lượng kênh con và khung dữ liệu của OFDMA trong WiMAX

3.5 OFDMA nhảy tần 81

3.6 Hệ thống OFDMA 82

3.6.1 Chèn chuỗi dẫn đường ở miền tần số và miền thời gian 86

3.6.2 Điều chế thích nghi 87

3.6.3 Các kỹ thuật sửa lỗi 89

3.6.3.1 Mã hóa LDPC (Low-Density-Parity-Check)

3.6.3.2 Mã hoá Reed-Solomon

3.7 Điều khiển công suất 94

3.8 Kết luận chương

Kết luận và hướng phát triển đề tài

Tài liệu tham khảo

LỜI NÓI ĐẦU

Sự ra đời của chuẩn 802.16 cho mạng WiMAX (WorldwideInteroperability for Microwave Access - Khả năng tương tác toàn cầu vớitruy nhập vi ba) nó đánh dấu sự bắt đầu cho một kỷ nguyên truy nhập khôngdây băng rộng cố định đang đến giai đoạn phát triển Nó mang đến nhữngthách thức lớn cho mạng hữu tuyến hiện tại vì nó có một chi phí thấp khi lắpđặt và bảo trì Chuẩn này cũng áp dụng cho mạng truyền thông vô tuyếnđường dài (lên tới 50km) trong thực tế và có thể sẽ là một sự bổ sung hoặcthay thế cho mạng 3G Tất cả những đặc tính đầy hứa hẹn này của WiMAX

sẽ mang lại một thị trường lớn trong tương lai

Xuất phát từ những vấn đề nêu trên, em đã lựa chọn đề tài “ỨNG DỤNG KỸ THUẬT OFDMA TRONG WiMAX”

Mục tiêu đầu tiên của đồ án này là nghiên cứu những đặc tính mới củaWiMAX và tập trung chủ yếu vào việc phân tích lớp vật lý và lớp truy nhập Mục tiêu thứ hai là tìm hiểu về kỹ thuật điều chế OFDM (OrthogonalFrequency Division Multiple – Ghép kênh phân tần trực giao) và kỹ thuậtOFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access - Đa truy nhậpphân tần trực giao) được sử dụng trong WiMAX

Nội dung đồ án gồm 3 chương chính như sau :

Chương 1: Tổng quan về công nghệ WiMAX Trong chương 1 này sẽ

trình bày về những khái niệm cơ bản, về cấu trúc, các băng tần sử dụng, cácứng dụng thực tế và những ưu nhược điểm của công nghệ WiMAX

Chương 2: Kỹ thuật điều chế OFDM Trong chương 2 sẽ trình bày

những khái niệm cơ bản, ưu nhược điểm, nguyên lý điều chế và giải điều chếcủa kỹ thuật điều chế OFDM, và những ứng dụng của kỹ thuật này

Chương 3: Kỹ thuật OFDMA trong WiMAX Trong chương này sẽ

trình bày về những khái niệm cơ bản, các đặc điểm và tính chất nổi bật của kỹ

thuật đa truy nhập phân tần trực giao OFDMA Qua đó chúng ta có thể thấyđược những ưu điểm của kỹ thuật này trong việc xử lý truyền nhận tín hiệunói chung và ứng dụng trong công nghệ WiMAX nói riêng.

Trong thời gian làm đồ án, em đã cố gắng rất nhiều song do kiến thứccòn hạn chế, thời gian nghiên cứu đề tài có hạn và nguồn tài liệu chủ yếu làcác bộ chuẩn và các bài báo tiếng Anh trên mạng nên đồ án còn nhiều sai sóttrong quá trình dịch thuật Em rất mong nhận được sự phê bình, các ý kiếnđóng góp chân thành của các thầy cô và các bạn để đồ án được hoàn thiệnhơn

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô giáo trong khoa,

trong tổ viễn thông đặc biệt là cô giáo Th.S Nguyễn Thị Kim Thu đã tận tình

hướng dẫn cho em, mình xin cảm ơn các bạn trong lớp đã giúp đỡ mình trongquá trình làm đồ án!

Vinh, tháng 12 năm 2011 Sinh viên thực hiện

Nguyễn Đình Thìn

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Kỹ thuật OFDM được lựa chọn làm phương pháp điều chế sử dụng trong

mạng thông tin thành thị băng rộng WiMAX theo tiêu chuẩn IEEE 802.16a và

hệ thống thông tin di động thứ tư 4G Trong 4G, kỹ thuật OFDM sẽđược kết hợp với kỹ thuật đa anten thu phát MIMO nhằm nâng cao dụnglượng kênh thông tin vô tuyến, hay kế thợp với CDMA nhằm phục vụ dịch vụ

đa truy nhập WiMAX sử dụng công nghệ OFDM ở giao diện vô tuyến đểtruyền tải dữ liệu và cho phép các thuê bao truy nhập kênh

Trong đồ án này, chúng ta sẽ tìm hiểu về hệ thống thông tin vô tuyến nói

chung và hệ thống sử dụng kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao OFDM,

kỹ thuật đa truy nhập sử dụng đa sóng mang trực giao OFDMA nói riêng Ta

sẽ tìm hiểu về mô hình hệ thống OFDM, tạo và thu tín hiệu OFDM,tìmhiểu, phân tích công nghệ WiMAX và kỷ thuật xử lý OFDM trongWiMAX

OFDM technique was selected as a modulation method used in the

information network of urban broadband WiMAX standard IEEE 802.16a andinformation systems 4G Mobile Wednesday In 4G, OFDM techniques arecombined with multi-antenna transceiver techniques to improve the use ofMIMO wireless communication channels, or plan to serve soft spot forCDMA multiple access services WiMAX uses OFDM technology in theradio interface for data transfer and allows subscribers to access the channel

In this project, we will learn about information systems in general and

radio systems using modulation technique OFDM multi-carrier orthogonal,multiple access techniques using orthogonal multi-carrier OFDMAparticular I will find out OFDM system model, create and OFDM receivers,

learn, analyze WiMAX technology and technology in the WiMAX OFDMprocessing.

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Đặc tính của các giao diện vô tuyến………… .……… 19Bảng 2.1 So sánh giữa DVB-T và DVB-H 53Bảng 2.2 Bảng chuyển đổi mã Gray……… ………57Bảng 3.1 Độ rộng dải tần và số lượng kênh truyền con OFDMA của WiMAX diđộng……… ……… 68

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Mô hình hệ thống WiMAX……… ………3

Hình 1.2 Miền Fresnel trong trường hợp LOS……… ………….4

Hình 1.3 Truyền sóng trong trường hợp NLOS……… ……… 5

Hình 1.4 Phân lớp của WiMAX so với mô hình OSI 12

Hình 1.5 Minh hoạ chuyển về nhà cung cấp dịch vụ……… .……… 21

Hình 1.6 Minh hoạ về mạng giáo dục……… .……… 23

Hình 1.7 Minh hoạ về mạng an ninh công cộng……… ………… 25

Hình 1.8 Minh hoạ về mạng liên lạc xa bờ……… .……… 26

Hình 1.9 Minh hoạ về mạng WiMAX của nhà cung cấp dịch vụ… .………28

Hình 1.10 Minh hoạ về mạng WiMAX cho kết nối ở vùng nông thôn… …29

Hình 2.1 Kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a) và kỹ thuật sóng mang chồng xung (b)……… … 32

Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống OFDM……… .……… 35

Hình 2.3 Tín hiệu và phổ OFDM……… .………36

Hình 2.5 Bộ điều chế OFDM……… .………… 41

Hình 2.6 Chuỗi bảo vệ GI……… …………43

Hình 2.7 Tác dụng của chuỗi bảo vệ……… .……… 44

Hình 2.8 Xung cơ bản……… ……… 45

Hình 2.9 Mô hình kênh truyền……… .……….46

Hình 2.10 Bộ thu tín hiệu OFDM 46

Hình 2.11 Tách chuỗi bảo vệ……… ……… 47

Hình 2.12 Hệ thống DRM……… .……… 49

Hình 2.13 Sơ đồ khối bộ DVB-T……… .………50

Hình 3.1 ODFM và OFDMA……… .……… 65

Hình 3.2 Ví dụ của biểu đồ tần số, thời gian với OFDMA…… .………… 67

Hình 3.3 Một khung dữ liệu OFDMA trong WiMAX……… ………….69

Hình 3.4 Biểu đồ tần số thời gian với 3 người dùng nhảy tần a, b, c đều có 1 bước nhảy với 4 khe thời gian……… …………70

Hình 3.5 Sáu mẫu nhảy tần trực giao với 6 tần số nhảy khác nhau… .… 71

Hình 3.6 Tổng quan hệ thống sử dụng OFDMA……… …… 71

Hình 3.7 Mẫu tín hiệu dẫn đường trong OFDMA……… ……72

Hình 3.8 OFDMA downlink……… ……73

Hình 3.9 Cấu trúc cụm trong OFDMA downlink……… ……73

Hình 3.10 OFDMA uplink……… .… 74

Hình 3.11 Cấu trúc cụm trong OFDMA uplink……… .… 74

Hình 3.12 Chèn chuỗi dẫn đường trong miền tần số và thời gian…… ……75

Hình 3.13 Điều chế thích nghi……… ….77

Hình 3.13 Ví dụ về một ma trận mã LDPC……… ….79

Hình 3.14 Sơ đồ tạo mã RS……… ….82

Hình 3.15 Sơ đồ syndrome thu của RS……… .……83

BẢNG THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Thuật ngữ Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt

2G Second Generation Hệ thống thông tin di động thế hệ 23G Third Generation Hệ thống thông tin di động thế hệ 34G Fourth Generation Hệ thống thông tin di động thế hệ 4

A

AAS Adaptive Antenna System Hệ thống anten thích ứng

ADSL Asymmetric Digital subcribe

Line

Mạng số truy câp internet băng rộng

AWGN Addictive White Gausse Noise Nhiễu trắng cộng

AMC Adaptive modulation and coding Mã hóa và điều chế thích nghi

ARPU Average Revenue Per User thu nhập trung bình trên mỗi người sử

dụngARQ Automatic repeat request Tự động yêu cầu lặp lại

B

BTS Base Tranceiver Station Trạm thu phát gốc

BPSK Binary phase shift keying Điều chế pha 2 mức

BCH Bose-Chaudhuri-Hocquenghem

BWA Broadband Wireless Access Truy cập không dây băng thông rộng

C

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã

CIR Channel Impulse Response Đáp ứng xung kênh

CTR Channel Transfer Function Chức năng kênh chuyển giao

CID Connection Identifer kết nối

D

DAB Digital Audio Broad casting Âm thanh kỷ thuật số

DSL Digital Subcriber Line kênh thuê bao số

DVB-T Digital Video

Broadcasting-Terrestrial

Truyền hình số mặt đất quảng bá mặt đất

DVB-H Digital Video

Brocasting-Handheld

Truyền hình số mặt đất quảng bá cầmtay

DRM Digital Radio Mondiale Đài phát thanh kỷ thuật số

DFT Furrier transform discrete Biến đổi Furrier rời rạc

E

EIR Equipment Identity Register Bộ ghi nhận dạng thiết bị

EUTRA Evolved UMTS Terrestrial

Radio Access

Phát triển truy cập phổ vô tuyến mặt đất

F

FFT Fast fourrier transform Chuyển đổi fourier nhanh

FDD Frequency Division Deplex Song công theo tần số

FEC Forward Error Correcting Sữa lỗi lũy tiến

G

GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói chung

GSM Global System For Mobile

IP Internet Protocol Giao thức Internet

ISDN Integrated Sevices Digital

Network

Mạng số tích hợp đa dịch vụ

IDFT Furrier transform the discrete

opposite

Biến đổi Furrier rời rạc ngược

ICI Inter-carrier interference Nhiễu giữa các sóng mang

IEEE Institute of Electrical and

ElectronicsEngineers

Viện các kỹ sư điện và điện tử

ISI Inter-symbol interference Nhiễu giữa các biểu tượng

IFFT Inverse Fast Fourier Trasform Biến đổi Fourier ngược nhanh

L

LTE Long Term Evolution Phát triển dài hạn

LDPC Low-Density-Parity-Check Kiểm tra mật độ

M

MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trườngMAI multiplex access interference Nhiễu đa truy cập

MIMO Multiple input multiple Output Hệ thống đa anten phát và thu

MPEG Moving Pictues Expert Group Các tiêu chuẩn nén

Q

QAM Quadrature Amplitude

Modulation

Điều chế biên độ cầu phương

QPSK Quadrature phase shift keying Điều chế cầu phương PSK

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

R

S

SOFDMA Scalable Orthogonal Frequency

Division Multiplex access

Ghép kênh phân chia theo tầnsố trực giao theo tỉ lệ

SER Symbol Error Rate Tỷ lệ biểu tượng lỗi

SNR Signal noise to ratio Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm

S/P Serial/Parrallel nối tiếp/song song

T

Tc Time Channel coherence Kết nối kênh thời gian

TDD Time Division Duplex Song công theo thời gian

U

UMTS Universal Mobile

Telecommunications System

Hệ thống viễn thông di động toàn cầu

UTRA UMTS Terrestrial Radio Access Truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS

V

VCO Voltage Controlled Oscillator Điện áp kiểm soát

VLAN virtual local area network Mạng cục bộ ảo

WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục bộ vô tuyến

WMAN Wireless Metropolitan Area

Network

Mạng vô tuyến đô thị

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WiMAX

1.1 Giới thiệu chương

Trong chương 1 này sẽ tìm hiểu về những khái niệm cơ bản, về cấu trúc,

các băng tần sử dụng trong hệ thống mạng WiMAX Qua đó chúng ta có thểthấy được các ứng dụng thực tế và những ưu, nhược điểm của công nghệWiMAX so với các phương thức truyền thông khác

1.2 Giới thiệu về WiMAX

WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access - Khả năng

tương tác toàn cầu với truy nhập vi ba) là một công nghệ ra đời dựa trênchuẩn 802.16 của IEEE cho phép truy cập vô tuyến đầu cuối (last mile) nhưmột phương thức thay thế cho cáp, DSL và WLAN

Họ tiêu chuẩn IEEE 802.16 định nghĩa các giao diện vô tuyến trong mạng

vô tuyến nội thị (WiMAX) cho việc truy nhập vô tuyến băng rộng cố định(BWA), nó cung cấp “chặng cuối” cho công nghệ truy nhập tới các hotpot vớithoại, video và những dịch vụ dữ liệu tốc độ cao Ưu điểm nổi bật nhất củaBWA là nó có chi phí thấp cho sự lắp đặt và bảo trì so với những mạng hữutuyến truyền thống hoặc so với mạng truy nhập quang, đặc biệt là cho nhữngvùng xa xôi hoặc những vùng có địa hình khó khăn WiMAX chính là mộtgiải pháp cho việc mở rộng mạng truyền dẫn quang và nó có thể cung cấp mộtdung lượng lớn hơn so với các mạng cáp hoặc các đường thuê bao số (DSL).Các mạng WiMAX có thể được xây dựng dễ dàng trong một thời gian ngắnbằng cách triển khai một số lượng nhỏ các trạm gốc (BS) trên các toà nhàhoặc trên các cột điện để tạo ra những hệ thống truy nhập vô tuyến dunglượng lớn

Hệ thống WiMAX cho phép kết nối băng rộng vô tuyến cố định (người

sử dụng có thể di chuyển nhưng cố định trong lúc kết nối), mang xách được(người sử dụng có thể di chuyển ở tốc độ đi bộ), di động với khả năng phủsóng của một trạm anten phát lên đến 50km dưới các điều kiện tầm nhìn thẳng(LOS) và bán kính lên tới 8km không theo tầm nhìn thẳng (NLOS)

- WIMAX có 2 mô hình ứng dụng là cố định và di động:

+ Mô hình ứng dụng WIMAX cố định (Fixed WIMAX)

Mô hình cố định sử dụng các thiết bị theo tiêu chuẩn IEEE.802.16-2004.

Tiêu chuẩn này gọi là “không dây cố định” vì thiết bị thông tin làm việc vớicác anten đặt cố định tại nhà các thuê bao Anten đặt trên nóc nhà hoặc trêncột tháp tương tự như chảo thông tin vệ tinh Tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004cũng cho phép đặt anten trong nhà nhưng tất nhiên tín hiệu thu không tốt bằnganten ngoài trời Băng tần công tác (theo quy định và phân bổ của quốcgia) trong băng 2,5GHz hoặc 3,5GHz Độ rộng băng tầng là 3,5MHz.Trong mạng cố định, WiMAX thực hiện cách tiếp nối không dây đến cácmodem cáp, đến các đôi dây thuê bao của mạch xDSL hoặc mạchTx/Ex (truyền phát/chuyển mạch) và mạch OC-x (truyền tải qua sóngquang).[1]

WiMAX cố định có thể phục vụ cho các loại người dùng như: các xí

nghiệp, các khu dân cư nhỏ lẻ, mạng cáp truy nhập WLAN công cộngnối tới mạng đô thị, các trạm gốc BS của mạng thông tin di động vàcác mạch điều khiển trạm BS Về cách phân bố theo địa lý, ngườidùng có thể phân tán tại các địa phương như nông thôn và các vùng sâuvùng xa khó đưa mạng cáp hữu tuyến đến đó.[1]

+ WIMAX di động (Mobile WIMAX).

Mô hình WiMAX di động sử dụng các thiết bị phù hợp với tiêu chuẩnIEEE802.16e được thông qua trong năm 2005 Tiêu chuẩn 802.16e bổ sungcho tiêu chuẩn 802.16-2004 hướng tới các người dùng cá nhân diđộng, làm việc trong băng tần thấp hơn 6GHz Mạng lưới này phối hợpcùng WLAN, mạng di động cellular 3G có thể tạo thành mạng di động cóvùng phủ sóng rộng Hy vọng các nhà cung cấp viễn thông hiệp đồng cộngtác để thực hiện được mạng viễn thông số truy nhập không dây cóphạm vi phủ sóng rộng thỏa mãn được các nhu cầu đa dạng của thuê bao.[1]

WIMAX di động cũng có các đặc điểm giống EV-DO hoặc HSxPA nhằm

tăng tốc độ truyền thông (Data Rate) Những đặc điểm đó bao gồm: mã hoá

và điều chế thích nghi (Adaptive Modulation and coding-AMC), kĩ thuật sửa

lỗi bằng dò lặp (Hybrid Automatic Repeat Request-HARQ) Phân bố nhanh(Fast Scheduling) và chuyển giao mạng (Handover) nhanh và hiệu quả.

1.3 Mô hình hệ thống

Mô hình phủ sóng mạng WiMAX tương tự như một mạng điện thoại di

động được cho trên hình 1.1

Hình 1.1 Mô hình hệ thống WiMAX

- Một hệ thống WiMAX được mô tả như hình trên gồm có 2 phần :

+ Trạm phát: giống như các trạm BTS trong mạng thông tin di động

với công suất lớn

+ Trạm thu: có thể là các anten nhỏ như các loại card mạng tích hợp

(hay gắn thêm) trên các mainboard của máy tính như WLAN

Các trạm phát được kết nối tới mạng Internet thông qua các đuờng truyềnInternet tốc độ cao hay kết nối tới các trạm khác như là trạm trung chuyểntheo đường truyền trực xạ (line of sight) nên WiMAX có thể phủ sóng đếnnhững khu vực xa

Hình 1.2 Miền Fresnel trong trường hợp LOS

Các anten thu phát có thể trao đổi thông tin qua qua các đường truyền

LOS hay NLOS Trong trường hợp truyền thẳng LOS, các anten được đặt

cố định tại các điểm trên cao, tín hiệu trong trường hợp này ổn định và đạttốc độ truyền tối đa Băng tần sử dụng có thể ở tần số cao, khoảng 66GHz,

vì ở tần số này ít bị giao thoa với các kênh tín hiệu khác và băng thông sử

Miền Fresnel thứ nhất

dụng lớn Một đường truyền LOS yêu cầu phải có đặc tính là toàn bộ miềnFresnel thứ nhất không hề có chướng ngại vật, nếu đặc tính này không đượcbảo đảm thì cường độ tín hiệu sẽ suy giảm đáng kể Không gian miền Fresnelphụ thuộc vào tần số hoạt động và khoảng cách giữa trạm phát và trạm thu

Trong trường hợp truyền NLOS, hệ thống sử dụng băng tần thấp hơn

2-11GHz, tương tự như WLAN, tín hiệu có thể vượt các vật chắn thông quađường phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ …để đến đích Các tín hiệu nhận được ở phíathu bao gồm sự tổng hợp các thành phần nhận được từ đường đi trực tiếp, cácđường phản xạ, năng lượng tán xạ và các thành phần nhiễu xạ Những tín hiệunày có những khoảng trễ, sự suy giảm, sự phân cực và trạng thái ổn định liênquan tới đường truyền trực tiếp là khác nhau

Hình 1.3 Truyền sóng trong trường hợp NLOS

Hiện tượng truyền sóng đa đường cũng là nguyên nhân dẫn đến sự thay

đổi phân cực tín hiệu Do đó sử dụng phân cực cũng như tái sử dụng tần số

mà được thực hiện bình thường trong triển khai LOS lại khó khăn trong cácứng dụng NLOS Nếu chỉ đơn thuần tăng công suất phát để “vượt qua” cácchướng ngại vật không phải là công nghệ NLOS Điều kiện phủ sóng của cảLOS và NLOS bị chi phối bởi các đặc tính truyền sóng của môi trường, tổnhao trên đường truyền (path loss) và quỹ công suất của đường truyền vôtuyến

1.4 Các ưu và nhược điểm của công nghệ WiMAX

- Lớp vật lí của WiMAX dựa trên nền kĩ thuật OFDM (ghép kênh phân

tần trực giao)

+ Kỹ thuật này giúp hạn chế hiệu ứng phân tập đa đường, cho phép

WiMAX hoạt động tốt trong môi truờng NLOS nên độ bao phủ rộng hơn, do

đó khoảng cách giữa trạm thu và trạm phát có thể lên đến 50km

+ Cũng nhờ kĩ thuật OFDM, phổ các sóng mang con có thể chồng lấn lênnhau nên sẽ tiết kiệm, sử dụng hiệu quả băng thông và cho phép truyền dữliệu với tốc độ cao: phổ tín hiệu 10MHz hoạt động ở chế độ TDD (song côngphân thời) với tỉ số đường xuống/đường lên (downlink-to-uplink ratio) là 3:1thì tốc độ đỉnh tương ứng sẽ là 25Mbps và 6.7Mbps

- Hệ thống WiMAX có công suất cao.

+ Trong WiMAX hướng truyền tin chia thành hai đường : hướng

lên(uplink) và hướng xuống (downlink), hướng lên có tần số thấp hơn hướngxuống và đều sử dụng kĩ thuật OFDM OFDM sử dụng tối đa 2048 sóngmang, trong đó 1536 sóng mang dành cho thông tin được chia thành 32 kênhcon, mỗi kênh con tương đương 48 sóng mang WiMAX còn sử dụng thêmđiều chế nhiều mức thích ứng từ BPSK, QPSK đến 256 - QAM kết hợp cácphương pháp sửa lỗi như ngẫu nhiên hoá, mã hoá sửa lỗi Reed Solomon, mãxoắn tỉ lệ mã từ 1/2 đến 7/8, làm tăng độ tin cậy kết nối với hoạt động phânloại sóng mang và tăng công suất qua khoảng cách xa hơn

+ Ngoài ra WiMAX còn cho phép sử dụng công nghệ TDD và FDD cho

việc phân chia truyền dẫn hướng lên và hướng xuống

- Lớp MAC dựa trên nền OFDMA (Orthogonal Frequency Division

Multiple Access- truy nhập OFDM)

Độ rộng băng tần của WiMAX từ 5MHZ đến trên 20MHz được chia nhỏ

thành nhiều băng con 1.75Mhz, mỗi băng con này được chia nhỏ hơn nhờ kỹthuật OFDM, cho phép nhiều thuê bao truy cập đồng thời một hay nhiều kênhmột cách linh hoạt, đảm bảo hiệu quả sử dụng băng thông OFDMA cho phépthay đổi tốc độ dữ liệu để phù hợp với băng thông tương ứng nhờ thay đổi sốmức FFT ở lớp vật lí; ví dụ một hệ thống WiMAX dùng biến đổi FFT lần lượtlà: 128 bit, 512 bit, 1048 bit tương ứng với băng thông kênh truyền là:1.25MHz, 5MHz, 10MHz; nhờ vậy sẽ dễ dàng hơn cho user kết nối giữa cácmạng có băng thông kênh truyền khác nhau

- Chuẩn cho truy cập vô tuyến cố định và di động tương lai

+ WiMAX do diễn đàn WiMAX đề xuất và phát triển dựa trên nền802.16, tập chuẩn về hệ thống truy nhập vô tuyến băng rộng cho di động

và cố định của IEEE, nên các sản phẩm, thiết bị phần cứng sẽ do diễn đànWiMAX chứng nhận phù hợp, tương thích ngược với HiperLAN của ETSIcũng như WiFi

+ Hỗ trợ các kĩ thuật anten: phân tập thu phát, mã hoá không gian, mã hoáthời gian

+ Hỗ trợ kĩ thuật hạ tầng mạng trên nền IP: QoS (trong các dịch vụ đaphương tiện, thoại), ARQ (giúp bảo đảm độ tin cậy kết nối), …

- Chi phí thấp

+ Thiết lập, cài đặt dịch vụ WiMAX dễ dàng sẽ giảm chi phí cho nhà

cung dịch vụ cũng như khách hàng

+ Tạo điều kiện thuận lợi để phát triển các dịch vụ truyền thông đa

phương tiện ở các vùng sâu, vùng xa, những nơi khó phát triển hạ tầng

mạng băng rộng, khắc phục những giới hạn của đường truyền InternetDSL và cáp.

+ CPE vô tuyến cố định có thể sử dụng cùng loại chipset modem

được sử dụng trong máy tính cá nhân (PC) và PDA, vì ở khoảng cách gầncác modem có thể tự lắp đặt trong nhà CPE sẽ tương tự như cáp, DSL vàcác trạm gốc có thể sử dụng cùng loại chipset chung được thiết kế cho cácđiểm truy cập WiMAX chi phí thấp và cuối cùng là số lượng tăng cũngthỏa mãn cho việc đầu tư vào việc tích hợp mức độ cao hơn các chipset tần

số vô tuyến (RF), làm chi phí giảm hơn nữa

- Dải tần WiMAX sử dụng không tương thích tại nhiều quốc gia, làm

hạn chế sự phổ biến công nghệ rộng rãi

- Do công nghệ mới xuất hiện gần đây nên vẫn còn một số lỗ hổng bảo

mật

- Tuy được gọi là chuẩn công nghệ nhưng thật sự chưa được “chuẩn” do

hiện giờ đang sử dụng gần 10 chuẩn công nghệ khác nhau Theo diễn dànWiMAX chỉ mới có khoảng 12 hãng phát triển chuẩn WiMAX được chứngnhận bao gồm : Alvarion, Selex Communication, Airspan, Proxim Wilreless,Redline, Sequnas, Siemens, SR Telecom, Telsim, Wavesat, Aperto,Axxcelera

- Về giá thành: Dù các hãng, tập đoàn sản xuất thiết bị đầu cuối (như

Intel, Alcatel, Alvarion, Motorola…) tham gia nghiên cứu phát triển nhưnggiá thành vẫn còn rất cao

- Công nghệ này khởi xướng từ nước Mỹ, nhưng thực sự chưa có thông

tin chính thức nào đề cập đến việc Mỹ sử dụng WiMAX như thế nào, khắcphục hậu quả sự cố ra sao Ngay cả ở Việt Nam,VNPT (với nhà thầu nướcngoài là Motorola, Alvarion) cũng đã triển khai ở một số tỉnh miền núi phíaBắc, cụ thể là ở Lào Cai nhưng cũng chỉ giới hạn là các điểm truy cập Internet

tại Bưu điện tỉnh, huyện chứ chưa có những kết luận chính thức về tính hiệuquả đáng kể của hệ thống

1.5 Cấu trúc của WiMAX

- Về cấu trúc phân lớp, hệ thống WiMAX được phân chia thành 4 lớp: + Lớp con tiếp ứng (convergence) làm giữ vai trò giao diện giữa lớp đa

truy nhập và các lớp bên trên

+ Lớp đa truy nhập ( MAC layer).

- Có 3 kiểu lớp vật lý ( PHY) được đưa ra trong chuẩn 802.16:

+ WirelessMAN PHY SC: Sử dụng điều chế đơn sóng mang.

+ WirelessMAN PHY OFDM 256 điểm FFT: Sử dụng ghép kênh phân

chia theo tần số trực giao có 256 điểm biến đổi Fourier nhanh (FFT) Điềunày là bắt buộc cho các băng tần được miễn cấp phép

+ WirelessMAN PHY OFDMA 2048 điểm FFT: Sử dụng đa truy nhập

phân chia theo tần số trực giao có 2048 điểm FFT Đa truy nhập được sử dụngbằng cách gửi một tập con nhiều sóng mang cho các máy thu riêng biệt

Đầu tiên là Wireless Metropolitan Area Network - Single carrier physicallayer (MAN vô tuyến - lớp vật lý đơn sóng mang) dựa trên tập chuẩn 802.16c,hoạt động ở băng tần 11-66GHz Trạm gốc (Base Station-BS) chỉ cần mộtanten đẳng hướng, truyền dữ liệu hướng xuống các user đã có mã số nhậndạng kết nối (Connection Identifer - CID) Các máy thu (Subcriber Station -SS) với các anten định hướng, hướng về phía các BS (máy phát) Tín hiệu xử

lí phía máy phát bao gồm: ngẫu nhiên hoá, mã hoá sửa lỗi, sắp xếp các kíhiệu, sửa dạng xung (pulse shaping) truớc khi truyền đi Ngẫu nhiên hoá

để bảo đảm khôi phục tín hiệu phía đầu thu vì nếu tín hiệu không được

mã hoá giả ngẫu nhiên thì năng lượng sẽ tập trung tại một số tần số nào

đó như phổ vạch, điều này tạo ra nguy hiểm cho máy thu, bộ dao độngVCO của máy thu có thể khoá pha tại các tần số này thay vì tại tần sốsóng mang sẽ dẫn đến không giải điều chế được và sẽ mất thông tin củaluồng dữ liệu Bộ mã hoá sửa lỗi FEC bao gồm mã Reed Solomon, mãchập (mã xoắn), có thể có thêm mã kiểm tra chẳn lẻ hay mã xoắn turbo(Convolution turbo code - CTC) Tỉ lệ mã phụ thuộc vào điều kiện củakênh truyền và tỉ số bít lỗi (Bit error rate- BER) Các kĩ thuật điều chếthường là QPSK, 16-QAM, đôi khi sử dụng 64 - QAM Chuẩn này ápdụng cho kết nối vi ba điểm - điểm (point to point- PPP) và điểm - đađiểm (point to multi point- PMP); giúp tiết kiệm thời gian, chi phí hơn

so với việc lắp đặt cáp

Ngoài ra, tập chuẩn 802.16a cũng hỗ trợ WirelessMAN PHY SCnhưng dành cho băng tần dưới 11GHZ và hoạt động trong NLOS SS cóthể là một máy tính với vớ modem gắn ngoài nối với một anten đẳnghướng Tập chuẩn này cũng hỗ trợ song công TDD và FDD, như802.16c, sử dụng thêm các kĩ thuật cân bằng và uớc lượng kênh để khắcphục hiệu ứng đa đường, và để nâng chất lượng tín hiệu vẫn phải sửdụng TCM( trellis coded modulation), FEC, ghép xen, hệ thống antenthích ứng (Adaptive Antenna System - AAS), mã hoá không gian thờigian (Space Time coding - STC)

WirelessMAN 256 sóng mang dựa trên tập chuẩn 802.16d, cungcấp dịch vụ kết nối băng rộng trong nhà Các SS là các thiết bị antendùng trong nhà và có thể di chuyển với tốc độ thấp (portable) Nhờ sửdụng OFDM nên cho phép kết nối NLOS dưới 11GHz, và làm bỏ bớtkhối cân bằng trong bộ thu Các kĩ thuật hỗ trợ cũng gồm: FEC vớiReed-Solomon, AAS, STC, ghép xen; thời gian kí hiệu và số điểm FFT

có thể thay đổi cho phù hợp với băng thông tương ứng

Với WirelessMAN OFDMA 2048 sóng mang: tương tự nhưWirelessMAN 256 sóng mang nhưng có nhiều ưu điểm hơn Dựa trên tậpchuẩn 802.16e (2005), với sự hỗ trợ của OFDMA ở lớp vật lý, cho phépcác user (SS) di chuyển với tốc độ cao, khoảng gần 125km/s, sử dụng mãhoá kênh là mã xoắn, mã xoắn turbo, mã khối, mã kiểm tra chẳn lẻ mật

độ thấp (Low Density Parity Check- LDPC); dữ liệu được ngẫu nhiênhoá, ghép xen để tránh tổn thất khi khôi phục và lỗi cụm.Ngoài kĩ thuậtAAS, STC còn sử dụng thêm phân tập thu phát (Multi In Multi Out –MIMO)

Chuẩn 802.16 của IEEE đưa ra cùng một lớp MAC cho tất cả lớp

PHY (đơn sóng mang, 256 OFDM, 2048 OFDMA) Lớp MAC này là kếtnối được định hướng điểm - đa điểm Hoạt động truy nhập kênh ở lớpMAC của WiMAX hoàn toàn khác so với WiFi WiMAX hỗ trợ phươngpháp truyền song công FDD và TDD sử dụng kỹ thuật truy nhậpTDMA/OFDMA Ưu điểm của phương pháp này là nó cho phép linhđộng thay đổi độ rộng băng tần lên hoặc xuống, dẫn đến có thể thay đổitốc độ phát (Upload) hoặc thu (Download) dữ liệu chứ không phải là cốđịnh như trong ASDL hay CDMA Trong WiFi tất cả các trạm truy nhậpmột cách ngẫu nhiên đến điểm truy cập (Access point - AP), chính vì vậykhoảng cách khác nhau từ mỗi nút đến AP sẽ làm giảm thông lượngmạng Ngược lại,ở lớp MAC của 802.16, lịch trình hoạt động cho mỗithuê bao được định trước, do vậy các trạm chỉ có duy nhất một lần cạnhtranh kênh truyền dẫn là thời điểm gia nhập mạng Sau thời điểm này,mỗi trạm được trạm phát gốc gắn cho một khe thời gian Khe thời gian

có thể mở rộng hay co hẹp lại trong quá trình truyền dẫn Ưu điểm củaviệc đặt lịch trình là chế độ truyền dẫn vẫn hoạt động ổn định trongtrường hợp quá tải và số lượng thuê bao đăng ký vượt quá cho phép, và

nó cũng có thể tăng được hiệu quả sử dụng băng tần Việc sử dụng thuật

toán lịch trình còn cho phép trạm phát gốc điều khiển chất lượng dịch vụ(Quality of Service - QoS) bằng việc cân bằng nhu cầu truyền thông giữa cácthuê bao.

Hình 1.4 Phân lớp của WiMAX so với mô hình OSI

1.6 Các chuẩn của WIMAX

Chuẩn 802.16 được tạo ra với mục đích là tạo ra những giao diện

(Interface) không dây dựa trên một giao thức MAC (Media AccessControl) chung Kiến trúc mạng cơ bản của 802.16 bao gồm một trạmphát BS (Base Station) và người sử dụng (SS-Subcribe Station)

Trong một vùng phủ sóng, trạm BS sẽ điều khiển toàn bộ sự truyền

dữ liệu (Traffic) Điều đó có nghĩa là sẽ không có sự trao đổi truyềnthông giữa 2 SS với nhau Nối kết giữa BS và SS sẽ gồm một kênhDownlink và Uplink Kênh Uplink sẽ chia sẽ cho nhiều SS trong khi

Physical Layer Tranmission

MAC LayerConvergence

Physical LayerMAC Layer

Kiến trúc phân lớp của WiMAX

Mô hình OSI

kênh Downlink có đặc điểm Broadcast Trong trường hợp không có vậtcản giữa BS và SS (Line of sight), thông tin sẽ được trao đổi trên băng tầncao Ngược lại, thông tin sẽ được trao đổi ở băng tần thấp để chống lại nhiễu.

- Chuẩn 802.16a: Chuẩn này sử dụng băng tần có bản quyền từ 2-11

Ghz Đây là băng tần thu hút được nhiều quan tâm nhất vì tín hiệu truyền

có thể vượt được các chướng ngại trên đường truyền 802.16a còn thíchứng cho việc triển khai mạng Mesh mà trong đó một thiết bị cuối(Terminal) có thể liên lạc với BS thông qua một thiết bị cuối khác Vớiđặc tính này, vùng phủ sóng của 802.16a BS sẽ được nới rộng

- Chuẩn 802.16b: Chuẩn này hoạt động trên băng tần 5-6Ghz với mục

đích cung ứng dịch vụ với chất lượng cao (QoS) Cụ thể chuẩn ưu tiêntruyền thông tin của những ứng dụng Video, thoại, Real-time thông quanhững lớp dịch vụ khác nhau (Class of Service)

- Chuẩn 802.16c: Chuẩn này định nghĩa sóng các Profile mới cho dải

băng tần từ 10-66 Ghz với mục đích cải tiến Interoperability

- Chuẩn 802.16d: Có một số cải tiến nhỏ so với 802.16a Chuẩn này

được chuẩn hoá 2004 Các thiết bị Pre-WIMAX có trên thị trường là dựavào chuẩn này

- Chuẩn 802.16e: Đang trong giai đoạn hoàn thiện và chuẩn hoá Đặc

điểm nổi bật của chuẩn này là khả năng cung cấp các dịch vụ di động( vận tốc di chuyển lớn nhất mà có thể sử dụng dịch vụ này lên đến 100Km/h )

Ngoài ra, còn có nhiều chuẩn bổ sung khác đang được triển khai hoặcđang trong giai đoạn chuẩn hoá như 802.16g, 802.16f, 802.16h…

1.7 So sánh WiMAX với WiFi

Sự khác nhau cơ bản nhất giữa WiMAX và WiFi là chúng được thiết kế

cho các ứng dụng hoàn toàn khác nhau WiFi là một công nghệ mạng vùngnội hạt LAN được thiết kế để tăng thêm tính di động cho các mạngLAN hữu tuyến rên g WiMAX một mặt khác được thiết kế để cung cấpmột dịch vụ truy nhập không dây băng rộng (BWA) cho mạng vùngthành thị MAN Vì thế trong khi WiFi hỗ trợ truyền dẫn trong phạm vihơn trăm mét thì WiMAX có thể hỗ trợ các người dùng ở trong bán kính tớihàng chục kilômét.[2]

Bên cạnh sự khác nhau về phạm vi truyền dẫn, một số cải thiện về công

nghệ liên kết vô tuyến là khác nhau giữa WiMAX và WiFi ChuẩnIEEE802.11 WLAN miêu tả bốn giao diện liên kết vô tuyến hoạt độngtrong băng tần vô tuyến không cấp phép 2.4 hoặc 5GHz Các chuẩnWiMAX bao gồm một dải rộng hơn các bổ sung tiềm năng để giảiquyết các yêu cầu của các sóng mang khắp thế giới Các băng tầnWiMAX sử dụng cả băng tần cấp phép và không cấp phép chủ yếutrong dải từ 2-11GHz Trong các băng tần không cấp phép, các chuẩnWiMAX kết hợp đặc điểm lựa chọn tần số động ở những nơi mà sóng vôtuyến tự dộng tìm kiếm một kênh chưa sử dụng Trong các vùng ở xa, nhiễu

có thể được giảm thiểu Trong khi với WiMAX thì kênh đường lên và đườngxuống sử dụng kĩ thuật ghép kênh phân chia theo thời gian TDD và ghép kênhphân chia theo tần số FDD Trong TDD với khe thời gian được ấn định chođường lên và đường xuống tách biệt nhau vì thế kênh truyền là song côngtoàn phần Trong khi giảm tốc độ truyền 50% thì các hệ thống này chỉ sửdụng một nửa băng tần vô tuyến so với FDD Đối với WiFi thì tất cả các

hệ thống WiFi là các hệ thống TDD trên cơ sở tranh chấp nơi mà điểmtruy nhập và các trạm sủ dụng chung một kênh Bởi vì hoạt động môi trườngdùng chung nên tất cả mạng WiFi là bán song công WiFi sử dụng hai côngnghệ truyền dẫn vô tuyến cơ bản 802.11b liên kết vô tuyến sử dụng một côngnghệ trải phổ tuần tự trực tiếp được gọi là khóa được mã hóa bổ sung

(CCK) Sau đó luồng bit được xử lí với mã đặc biệt và sau đó đượcđiều chế sử dụng QPSK 802.11a và 802.11g sử dụng OFDM Đầu phát mãhóa luồng bit trên 64 sóng mang sử dụng BPSK, QPSK hay một tronghai kiểu 16-QAM, 64-QAM Một số thông tin được phát là khôngcần thiết, vì thế đầu thu không phải nhận tất cả các sóng mang con đểkhôi phục thông tin WiMAX sử dụng công nghệ OFDM và OFDMAcho lớp vật lí để làm tăng quy mô và tốc độ cho mạng Cả WiMAX vàWiFi đều sử dụng điều chế thích ứng và nhiều mức hiệu chỉn h lỗ itrước để tố i ưu hóa tốc độ truyền và hiệu suất lỗ i Khi mộ t tínhiệu vô tuyến giảm công suất hay có nhiễu thì tỉ lệ lỗi sẽ tăng Điều chếthích ứng nghĩa là đầu phát sẽ tự động thay đổi để hiệu suất tăng lên hay thậmchí giảm đi Cơ chế hiệu chỉnh lỗi trước FEC nhằm khắc phục bớt lỗi

và cải thiện hiệunăng truyền dẫn Tuy nhiên lúc đầu WiFi với chuẩn802.11b chưa có FEC nhưng FEC mã xoắn đã được kết hợp trong 802.11a

và 802.11g WiMAX sử dụng cả hai hệ thống FEC mã xoắn và Solomon.[2]

Bên cạnh đó trong WiMAX được hỗ trợ nhiều công nghệ vô

tuyến hiện đại như các anten thông minh có thể làm giảm thiểu nhiễu

và nâng cao tốc độ truyền Kết hợp với tính đa dạng đầu phát, đa dạng đầuthu MIMO để cải thiện phạm vi bao phủ Tốc độ truyền dữ liệu được hỗtrợ cho WiMAX là rất cao, lên tới 100Mbps trong một kênh 20MHztrong đó tốc độ được duy trì là 70Mbps Đối với WiFi tốc độ truyền được hỗtrợ tối đa chỉ đạt 54Mbps.[2]

Lớp MAC của WiMAX và WiFi hoàn toàn khác nhau Đối với

WiMAX thì giao thức lớp MAC có thể chia sẻ kênh vô tuyến giữa hàngtrăm người dùng trong khi vẫn đảm bảo QoS, WiMAX sử dụng kĩ thuậtyêu cầu cấp phát loại trừ các tranh chấp đường lên hỗ trợ trễ nhất quán chothoại và trễ biến đổi cho các dịch vụ dữ liệu Giao thức MAC của WiMAXcũng có đặc điểm sửa lỗi sử dụng yêu cầu truyền lại tự động ARQ Ngược

lại trong WiFi thì giao thức lớp MAC trên cơ sở tranh chấp Giao thứcMAC của WiFi được gọi là đa truy nhập cảm ứng sóng mang và tránh xungđột (CSMA/CA) Trong khi WLAN là bán song công chia sẻ môi trường,tất cả các trạm sẽ phát và thu trên cùng một kênh vô tuyến Vấn đề cơ bản

là các trạm không thể lắng khi khi đang gửi và vì thế không thể phát hiệnxung đột Vì thế một kĩ thuật đã được hỗ trợ cho WiFi gọi là chức năngđiều khiển phân tán (DCF) Nền tảng kĩ thuật cơ bản là định nghĩa một hệthống của các khoảng thời gian đợi và các bộ đếm thời gian lùi để giảmnhưng không hủy bỏ các xung đột Một trạm WiFi sẽ chỉ phát nếu nó chorằng kênh rỗi Tất cả việc truyền dẫn được xác nhận, vì thế nếu trạm gốckhông được xác nhận, nó cho rằng một xung đột đã xẩy ra và thử lại saumột khoảng thời gian đợi ngẫu nhiên Tác động của xung đột sẽ gia tăngkhi lưu lượng tăng lên hay đang trong tình trạng trạm di động không thểlắng nghe các trạm khác (vấn đề node ẩn) Trong mạng WiMAX, giao thứcyêu cầu chấp nhận được hỗ trợ Truy nhập đường lên sẽ được điều khiểnbởi trạm gốc Các người dùng muốn truyền đường lên đầu tiên phải gửi cácyêu cầu trên một kênh truy nhập trên cơ sở tranh chấp Cho phép dànhriêng để dùng kênh đường lên sau đó được cấp phát bởi trạm gốc sử dụngmột hệ thống chấp nhận Chỉ có một trạm được cho phép gửi trong một thờiđiểm, như vậy không có xung đột đường lên Do các lợi ích mà giao thức yêucầu chấp nhận mang lại nên WiMAX hỗ trợ nhiều mức QoS Kĩ thuật truynhập của WiMAX có thể hỗ trợ 4 loại dịch vụ cơ bản Trong WiFi thì chuẩn802.11j có hỗ trợ QoS Có hai kiểu hoạt động được sử dụng để cải thiện cácdịch vụ thoại:

- Mở rộng đa môi trường WiFi (WME)

- Đa môi trường được lập lịch WiFi (WSM) WME sử dụng một giao

thức được gọi là truy nhập điều khiển phân tán nâng cao (EDCA) làmột phiên bản cải tiến của DCF EDCA định nghĩa 8 mức ưu tiêntruy nhập cho kênh vô tuyến chia sẻ Giống như DCF ban đầu, truy

nhập EDCA là một giao thức trên cơ sở tranh chấp mà sử dụng một khoảngthời gian đợi và các bộ đếm thời gian lùi để tránh xung đột Tuy nhiên,với DCF tất cả trạm sử dụng cùng một giá trị và do đó có cùng độ ưu tiêncho việc phát trên kênh truyền Với EDCA mỗi độ ưu tiên truy nhập khácnhau được ấn định một khoảng thời gian đợi và bộ đếm lùi khácnhau Truyền dẫn với độ ưu tiên truy nhập cao hơn được gán khoảngđợi ngắn hơn Chuẩn cũng bao gồm một kiểu packet-bursting chophép một điểm truy nhập hay một trạm di động dự trữ kênh và gửi 3 đến 5gói theo tuần tự.[2]

WiMAX và WiFi sẽ cùng tồn tại và trở thành những công nghệ bổ

sung ngày càng lớn cho các ứng dụng riêng Đặc trưng của WiMAX làkhông thay thế WiFi Hơn thế WiMAX bổ sung cho WiFi bằng cách mởrộng phạm vi của WiFi và mang lại những thực tế của người sử dụng

"kiểu WiFi" trên một quy mô địa lý rộng hơn Công nghệ WiFi đượcthiết kế và tối ưu cho các mạng nội bộ (LAN), trong khi WiMAX đượcthiết kế và tối ưu cho các mạng thành phố (MAN).Trong khoảng thờigian từ 2008 - 2010, hy vọng cả 802.16 và 802.11 sẽ xuất hiện trong cácthiết bị người sử dụng từ laptop tới các PDA, cả hai chuẩn này cho phépkết nối vô tuyến trực tiếp tới người sử dụng tại gia đình, trong văn phòng

và khi đang di chuyển Mặc dù có cùng mục đích như nhau nhưng chúng

ta thấy công nghệ sử dụng trong mạng WiMAX có một số ưu điểm sovới WiFi:

- Sai số tín hiệu truyền nhận ít hơn

- Khả năng vượt qua vật cản tốt hơn

- Số thiết bị sử dụng kết nối lớn hơn hàng trăm so với hàng chục

trong WiFi

- Lớp vật lý MAC (Medium Access Control) dùng trong WiMAX

dựa trên kỹ thuật phân chia theo khe thời gian cho phép đồng nhất băngtần giữa các thiết bị (TDMA) hiệu quả hơn sơ với WiFi (sử dụng CSMA-

CA rất gần CSMA-CD sử dụng trong mạng Ethernet) Chính vì vậy phổ sóng

vô tuyến sẽ đạt được tốt hơn

Mạng WiMAX không thể thay thế được WiFi trong các ứng dụng nhưng

nó góp phần bổ sung để hình thành mạng không dây Xu hướng chung củamạng không dây đó là cải thiện phạm vi phủ sóng với hiệu quả tốt nhất Kỹthuật nổi bật đó là chiếm lĩnh về không gian, tích hợp với các kỹ thuật hiện tại

và quan tâm đến các yếu tố cơ bản như công suất tiêu thụ thấp, phạm vi lớn,tốc độ truyền dữ liệu cao Trong mạng không dây chất lượng tại lớp thấp nhất

để có thể điều khiển trễ trong quá trình truyền và các dịch vụ như thoại, video

WiMAX và WiFi ứng dụng trong hai môi trường khác nhau Mục đích

của WiMAX sẽ hướng tới không chỉ là phạm vi phủ sóng mạng di động mà cảnhững mạng công cộng khác Một trong các hướng phát triển quan trọng kháccủa WiMAX đó là giải quyết kết nối cho mạng VoIP trong tương lai khôngxa

1.8 Các dải tần áp dụng

- Các dải tần cấp phép 11-66 GHz

Dải tần từ 11- 66 GHz hoạt động trong các môi trường vật lý có bước

sóng ngắn, tầm nhìn thẳng (LOS) và ảnh hưởng của đa đường là không đáng

kể Thông thường, độ rộng băng tần của kênh trong dải tần này là 25 MHzhoặc 28 MHz.Ở dải tần này, giao diện vô tuyến áp dụng kiểu điều chế sóngmang đơn WirelessMAN SC

- Các dải tần cấp phép dưới 11 GHz

Các tần số dưới 11 GHz hoạt động trong các môi trường vật lý có bước

sóng lớn hơn,điều kiện LOS là không cần thiết và có thể chấp nhận đa đườnglớn hơn Nó có khả năng hỗ trợ LOS gần và NLOS

Bảng 1.1 Đặc tính của các giao diện vô tuyến

Giao diện Khả năng

TDD, FDD

WirelessMAN-OFDMTM Các băng tần dưới

11GHz được cấp phép

AAS, ARQ,Mesh, STC

TDD, FDD

WirelessMAN-OFDMA Các băng tần dưới

11GHz được cấp phép

AAS, ARQ,STC

TDD

- Các dải tần được miễn cấp phép dưới 11 GHz (chủ yếu từ 5-6 GHz)

Đây là băng tần được nhiều nước cho phép sử dụng không cần cấp

phép và với công suất tới cao hơn so với các đoạn băng tần khác trong dải

5GHz (5125-5250 MHz)

thường được sử dụng trong các ứng dụng trong nhà Băng tần này thích

hợp để triển khai WiMax cố định, độ rộng kênh là 10 MHz

1.9 Ứng dụng của WiMAX

Đối với các doanh nghiệp, WiMAX cho phép truy cập băng rộng với chi

phí hợp lý Vì phần lớn các doanh nghiệp sẽ không được chia thành khu vực

để có đường cáp, lựa chọn duy nhất của họ đối với dịch vụ băng rộng là từ cácnhà cung cấp viễn thông địa phương Điều này dẫn tới sự độc quyền Cácdoanh nghiệp sẽ được hưởng lợi từ việc triển khai các hệ thống WiMAX, nhờtạo ra sự cạnh tranh mới trên thị trường,giảm giá và cho phép các doanhnghiệp thiết lập mạng riêng của mình Điều này đặc biệt phù hợp đối với cácngành như khí đốt, mỏ, nông nghiệp, vận tải, xây dựng và các ngành khácnằm ở những vị trí xa xôi, hẻo lánh

Đối với người sử dụng là hộ gia đình ở những vùng nông thôn (nơi dịch

vụ DSL và cáp chưa thể vươn tới), WiMAX mang lại khả năng truy cập băngrộng Điều này đặc biệt phù hợp ở các nước đang phát triển nơi mà hạ tầngviễn thông truyền thống vẫn chưa thể tiếp cận

Công nghệ WiMAX cách mạng hoá phương pháp truyền thông Nó cung

cấp hoàn toàn tự do cho những người thường xuyên di chuyển, cho phép họlưu lại kết nối thoại, dữ liệu và các dịch vụ hình ảnh WiMAX cho phép ta đi

từ nhà ra xe, sau đó đi đến công sở hoặc bất cứ nơi nào trên thế giới, hoàntoàn không có đường nối Để minh hoạ khả năng của WiMAX cho các ứngdụng được phân cấp trong phần trước, một vài mô hình sử dụng tiêu biểuđược nhóm thành hai loại lớn: các mạng công cộng và riêng

1.9.1 Các mạng riêng

Các mạng riêng, được dùng dành riêng cho một tổ chức, cơ quan hoặc cơ

sở kinh doanh, cung cấp các liên kết thông tin chuyên dụng đảm bảo chuyểngiao tin cậy thoại, dữ liệu và hình ảnh Triển khai đơn giản và nhanh thườngđược ưu tiên cao, và các cấu hình tiêu biểu là điểm tới điểm hoặc điểm tới đađiểm

1.9.1.1 Chuyển về các nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến

Các nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến (WSPs) sử dụng thiết bị WiMAX đểchuyển lưu lượng từ trạm gốc về các mạng truy cập của họ, như được minhhoạ ở hình 1.5

Hình 1.5 Minh hoạ chuyển về nhà cung cấp dịch vụ

Các mạng truy cập dựa trên WiFi, WiMAX hoặc bất kỳ công nghệ truy

cập vô tuyến có đăng ký độc quyền Nếu mạng truy nhập sử dụng thiết bịWiFi, thì toàn bộ mạng WSP được xem như một hot zone Vì các WSPthường cung cấp thoại, dữ liệu và hình ảnh, nên đặc điểm QoS của WiMAXgắn liền sẽ giúp ưu tiên, tối ưu hoá dung lượng chuyển về Thiết bị WiMAX

có thể được triển khai nhanh, tạo điều kiện thuận lợi cho việc giới thiệu nhanhmạng WSP Như đã được minh hoạ, điều kiện thuận lợi chuyển về thuê từcông ty điện thoại địa phương sẽ tăng chi phí hoạt động, và triển khai giảipháp cáp quang có thể rất tốn kém và yêu cầu lượng thời gian đáng kể, tácđộng chống lại sự giới thiệu dịch vụ mới.Hơn nữa, cáp quang, DSL không cólợi nhuận trong các vùng nông thôn, ngoại thành, và hầu hết các phiên bảncủa DSL, công nghệ cáp không cung cấp được dung lượng yêu cầu cho cácmạng này

Các ban phụ trách trường học có thể sử dụng mạng WiMAX để kết nối

các trường với trụ sở ban trong một quận (huyện), như được minh hoạ ở dưới.Một số yêu cầu chính cho hệ thống trường học là NLOS, độ rộng băng tần cao(>15 Mbps), khả năng điểm tới điểm điểm tới đa điểm, và độ phủ rộng Cácmạng giáo dục dựa vào WiMAX sử dụng QoS, có thể thực hiện đầy đủ cácyêu cầu thông tin liên lạc, bao gồm hệ thống thoại, hoạt động dữ liệu (như cácbáo cáo của sinh viên), email, truy cập internet, intranet (dữ liệu), giáo dục từ

xa (hình ảnh) giữa trụ sở ban và tất cả các trường trong vùng; giữa các trườngvới nhau

Giải pháp WiMAX cung cấp vùng phủ rộng, làm cho nó có lợi nhuận,

đặc biệt cho các trường ở nông thôn không có hoặc có ít cơ sở hạ tầng thôngtin liên lạc, bị phân tán khắp nơi Khi ban phụ trách trường học sở hữu, vậnhành các mạng riêng, họ có thể đáp ứng lại những thay đổi về vị trí và cách bốtrí các tiện nghi của họ Điều này giảm đáng kể chi phí vận hành các tuyến

thuê hàng năm Các giải pháp có dây không thể cung cấp khả năng triểnkhai nhanh chóng, giá thành thấp, và hầu hết các phiên bản DSL, côngnghệ cáp không có thông lượng được yêu cầu bởi các mạng giáo dục này

Hình 1.6 Minh hoạ về mạng giáo dục

1.9.1.3 An ninh công cộng

Các cơ quan an ninh công cộng của chính phủ, như: cảnh sát, cứu

hoả, tìm kiếm và cứu hộ, có thể sử dụng các mạng WiMAX để hỗ trợđáp lại những tình huống cấp cứu và tình trạng khẩn cấp khác,như đượcminh hoạ ở hình 1.7

Ngoài ra còn cung cấp truyền thông thoại hai chiều giữa trung tâm

giải quyết nhanh và các đội đáp lại tình trạng khẩn cấp, mạng tiếp sóngcác hình ảnh video, dữ liệu từ địa điểm vụ tai nạn hoặc thảm họa tớitrung tâm điều khiển Dữ liệu này có thể được tiếp sóng tới các độichuyên gia cấp cứu hoặc nhân viên khẩn cấp, là những người có thểphân tích các tính huống trong thời gian thực, như thể là họ đang ở đó.WiMAX QoS cho phép mạng xử lý các loại lưu lượng khác nhau Cácgiải pháp WiMAX có khả năng triển khai cao, do đó đội đáp ứng banđầu có thể thiết lập một mạng vô tuyến tạm thời tại địa điểm vụ tai nạn,

sự kiện, hoặc thảm hoạ tự nhiên trong khoảng vài phút Họ cũng có thểtiếp sóng lưu lượng từ mạng này trở về trung tâm giải quyết nhanh hoặctrung tâm điều khiển, qua mạng WiMAX hiện hành

Các giải pháp có dây không phải là các giải pháp thích hợp, do tính

không thể dự đoán, không ổn định của các vụ tai nạn và các thảm hoạ

Ở đây có lẽ cũng yêu cầu cả tính di động, ví dụ như: một cảnh sát đangphải truy cập cơ sở dữ liệu từ một phương tiện chuyển động, hoặc môtlính cứu hoả phải tải thông tin về tuyến đường tốt nhất tới nơi xảy rahoả hoạn hoặc kiến trúc của tòa nhà đang bị cháy Các máy quay videotrong xe cứu thương có thể cung cấp trước thông tin về tình trạng củabênh nhân, trước khi xe cứu thương đến bênh viện Trong tất cả cáctrường hợp đó, WiMAX hỗ trợ tính di động và độ rộng băng tần cao,

mà các hệ thống băng hẹp không thể chuyển được

Hình 1.7 Minh hoạ về mạng an ninh công cộng

Các nhà sản xuất ga, dầu có thể sử dụng thiết bị WiMAX để cung

cấp các tuyến nối thông tin liên lạc từ các phương tiện trên mặt đất tớicác giàn khoan dầu, các bệ khoan, để hỗ trợ các hoạt động từ xa, cácphương tiện liên lạc cơ bản và an ninh, như được minh hoạ ở hình 1.8

Các hoạt động từ xa bao gồm: việc xử lý sự cố từ xa các vấn đề thiết

bị phức tạp, kiểm tra định hướng địa điểm, và truy cập cơ sở dữ liệu Ví

dụ, các đoạn video của các thành phần hoặc các cụm lắp ráp gặp sự cố đượctruyền tới đội chuyên gia trên mặt đất để phân tích An ninh gồm: kiểm trađèn cảnh báo, giám sát video Các phương tiện liên lạc cơ bản gồm: điệnthoại, email, truy cập internet, trao đổi video.

Hình 1.8 Minh hoạ về mạng liên lạc xa bờ