WIMAX VÀ KỸ THUẬT OFDM TRONG WIMAX

WiMax là một mạng không dây băng thông rộng viết tắt là Worldwide Interoperability for Microwave Access. WiMax được thiết kế dựa vào tiêu chuẩn IEEE 802.16. WiMax đã giải quyết tốt nhất những vấn đề khó khăn trong việc quản lý đầu cuối.

Trang 1

LỜI GIỚI THIỆU

*****

Sự ra đời của chuẩn 802.16 cho mạng WiMAX (Worldwide Interoperabilityfor Microwave Access - Khả năng tương tác toàn cầu với truy nhập vi ba) nó đánhdấu sự bắt đầu cho một kỷ nguyên truy nhập không dây băng rộng cố định đang đếngiai đoạn phát triển Nó mang đến những thách thức lớn cho mạng hữu tuyến hiệntại vì nó có một chi phí thấp khi lắp đặt và bảo trì Chuẩn này cũng áp dụng chomạng truyền thông vô tuyến đường dài (lên tới 50km) trong thực tế và có thể sẽ làmột sự bổ sung hoặc thay thế cho mạng 3G Tất cả những đặc tính đầy hứa hẹn nàycủa 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 :

Nội dung báo cáo đồ án gồm :

Chương 1: Tổng quan về công nghệ WiMAX

Chương 2: Tổng quan về Kĩ thuật OFDM

Chương 3 : Ảnh hưởng của nhiễu trong WIMAX và các biện pháp khắc phục Chương 4 : Ảnh hưởng của kênh vô tuyến đến truyền dẫn tín hiệu

Trong quá trình làm đề tài , chúng em đã cố gắng song do kiến thức hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót; chúng em rất mong nhận được sự thông cảm , phê bình , hướng dẫn tận tình của Cô và sự giúp đỡ của bạn bè

Chúng em xin chân thành cảm ơn cô Võ Thị Hương đã hướng dẫn và các bạn lớp học phần 10ĐAKTVT02 đã giúp đỡ chúng em trong quá trình hoàn

thành đồ án này

*****

SVTH :THANH BÌNH –DUY CẬN :09LTĐT

Trang 2

MỤC LỤC

Chương 1: Tổng quan về công nghệ WIMAX 1

1.1 Giới thiệu chương 1

1.2 Khái niệm về WIMAX 1

1.3 Khái niệm về IEEE 802.16 2

1.4 Giới thiệu chuẩn 802.16 OFDM 4

1.4.1 Bảng thông số kĩ thuật 4

1.4.2 Các băng tần số 5

1.4.3 Chức năng phân kênh(Subchannelization) 5

1.4.4 Cấu trúc khung 6

1.5 Chuẩn 802.16 -2004 OFDMA 7

1.5.1 Giới thiệu chương 7

1.5.2 Tổng quát về khung (Frame) 8

1.5.3 Các phần trong khung (Frame parts ) 8

1.5.3.1 Preamble 9

1.5.3.2 FCH 9

1.5.3.3 DL-MAP\UL-MAP 9

Trang 3

1.6 Chuẩn

802.16e 9

1.7 Lớp MAC và lớp PHY trong WiMAX 11

1.7.1 Giới thiệu chung 11

1.7.2 Lớp MAC 12

1.7.2.1 Lớp SSCS (Service-Specific Convergence Sublayer) 13

1.7.2.2 Lớp CPS (Common Part Sublayer) 13

1.7.3 Lớp PHY 17

1.7.3.1 Giới thiệu chung 17

1.7.3.2 Phương pháp ghep kênh 18

1.8 Các kỹ thuật sử dụng trong WiMAX để khắc phục những ảnh hưởng của môi trường NLOS 19

1.9 Ứng dụng 20

1.10 Kết luận chương 21

Chương 2 : Tổng quan về kỹ thuật OFDM 22

2.2 Khái niệm OFDM 23

2.3 So sánh FDM và OFDM 23

2.4 Tính trực giao 25

2.5 Cấu trúc OFDM 26

2.6 Sơ đồ khối của hệ thống OFDM 27

2.6.1 Bộ chuển đổi nối tiếp song song 28

2.6.2 Mã hoá kênh và sắp xếp(Coding & Mapping) trong hệ thống OFDM 28

Trang 4

2.6.2.1 Mã hoá kênh 28

2.6.2.2 Ánh xạ ( Mapping ) 29

2.6.3 Ứng dụng kĩ thuật IFFT/FFT trong OFDM 30

2.6.4 Tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix) 32

2.6.5 Điều chế RF 33

2.7 Đồng bộ 34

2.7.1 Đồng bộ kí tự 34

2.7.1.1 Lỗi thời gian 34

2.7.1.2 Nhiễu pha sóng mang 35

2.7.2 Đồng bộ tần số sóng mang 35

2.7.2.1 Lỗi tần số 35

2.7.2.2 Ước lượng tần số 36

2.7.2.3 Nhận xét 36

2.7.3 Đồng bộ tần số lấy mẫu 36

2.8 OFDM trong hệ thống 37

2.9 Ưu nhược điểm của hệ thống OFDM 38

2.9.1 Ưu điểm 38

2.9.2 Nhược điểm 39

Chương 3 : Ảnh hưởng của nhiễu trong WIMAX và các biện pháp khắc Phục 40

3.1 Giới thiệu chương : 40

3.2 Sơ đồ khối của hệ thống thông tin vô tuyến : 40

3.3 Ảnh hưởng của nhiễu trong hệ thống vô tuyến : 41

3.3.1 Suy hao (pathloss) 41

3.3.2 Che chắn (shadowing) 42

Trang 5

3.3.3 Nhiễu đồng kênh CCI 43

3.3.4 Hiện tượng đa đường (multipath) : 44

3.3.5 Hiện tượng Doppler 46

3.4 Các biện pháp nhằm giảm ảnh hưởng của nhiễu được sử dụng trong WiMAX.47 3.4.1 Tái sử dụng tần số phân đoạn 47

3.4.2 Các biện pháp giảm phadinh 48

3.4.2.1 Phading băng hẹp (phadinh phẳng ) 49

3.4.2.2 Phadinh băng rộng (phadinh lựa chọn tần số ) 51

3.4.2.3 Bộ cân bằng 51

3.4.2.4 Mã hoá và điều chế thích nghi 52

3.4.2.5 Mã hoá kênh (channel coding) 55

3.5 kết luận chương 57

Chương 4 :Ảnh hưởng của kênh vô tuyến đến truyền dẫn tín hiệu 58

4.2 Kênh Fadinh đa đường (Multipath fadinh channel) 59

4.2.1 Thông số tán xạ thời gian (Time dispersion parameter) 60

4.2.2 Giải thông kết hợp (coherence bandwidth) 60

4.2.3 Phổ doppler (doppler spectrum) 60

4.2.4 Trải doppler và thời gian kết hợp (Doppler spread and coherence time) 62

4.3 Mô hình đáp ứng xung của kênh fading 64

4.4 Phân bố Rayleigh và phân bố Ricean 66

4.4.1 Phân bố Rayleigh 66

4.4.2 Phân bố Ricean 68

Trang 6

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WiMAX

1.1 Giới thiệu chương

Chương này giới thiệu về WiMax, lịch sử phát triển của chuẩn IEEE 802.16,cấu trúc và các thông số kỹ thuật của chuẩn 802.16 OFDM, 802.16-2004 OFDMA ,802.16e cũng như tìm hiểu một cách khái quát về lớp MAC và lớp PHY Qua đó,giúp người đọc hiểu được những ưu điểm và nhược điểm của Wimax so với các thế

hệ trước

1.2 Khái niệm về WiMax

WiMax là một mạng không dây băng thông rộng viết tắt là WorldwideInteroperability for Microwave Access WiMax được thiết kế dựa vào tiêu chuẩnIEEE 802.16 WiMax đã giải quyết tốt nhất những vấn đề khó khăn trong việc quản

lý đầu cuối

WiMax sử dụng kỹ thuật sóng vô tuyến để kết nối các máy tính trong mạngInternet thay vì dùng dây để kết nối như DSL hay cáp, modem Trong Wimax,người sử dụng có thể sử dụng trong phạm vi từ 3 đến 5 dặm so với trạm chủ (BS)nếu thiết lập một đường dẫn công nghệ NLOS (Non-Line-Of-Sight) với tốc độtruyền dữ liệu rất cao là 75Mbps Còn nếu người sử dụng trong phạm vi lớn hơn 30dặm so với trạm chủ (BS) thì sẽ có anten sử dụng công nghệ LOS (Line-Of-Sight)với tốc độ truyền dữ liệu gần bằng 280Mbps

Nếu so với Wimax thì WiLANs (Wireless Local Area Networks) cũng làmạng không dây kết nối các thiết bị trong một phạm vi hẹp hơn so WiMax như là

Trang 7

một văn phòng hay một gia đình Các thiết bị theo chuẩn 802.11b sẽ cung cấp tốc

độ 11Mbps và các thiết bị theo chuẩn 802.11g sẽ cung cấp tốc độ 54Mbps

Bảng 1.1 So sánh giữa WiLANs và WiMAX

1.3 Khái niệm về IEEE 802.16

Ngày nay đã có rất nhiều hệ thống mạng không dây ra đời như là WiFi,bluetooth nhưng chúng không bằng những ưu điểm mà WiMax đã thể hiện Trongvài năm gần đây, những vấn đề đang được quan tâm hiện nay như bảo mật, QoS,giá thành và những vấn đề khác nữa… gặp rất nhiều khó khăn Nhưng đối vớiWiMax thì những vấn đề trên trở nên khá đơn giản, nó đáp ứng được nhu cầuinternet không dây do chính WISPs (Wireless Internet Providers) cung cấp với giáthành rẻ và tốc độ truyền cao khi kết nối đến thiết bị đầu cuối trong một khoảngcách truyền lớn

Về tiêu chuẩn, WiMax là một bộ tiêu chuẩn dựa trên họ tiêu chuẩn 802.16 củaIEEE nhưng hẹp hơn và tập trung vào một số cấu hình nhất định Hiện có 2 chuẩncủa WiMax là 802.16-2004, 802.16-2005

- Chuẩn 802.16-2004 (trước đó là 802.16 REVd) được IEEE đưa ra tháng 7năm 2004 Tiêu chuẩn này sử dụng phương thức điều chế OFDM và có thể cungcấp các dịch vụ cố định, nomadic (người sử dụng có thể di chuyển nhưng cố định

Trang 8

trong lúc kết nối) theo tầm nhìn thẳng (LOS) và không theo tầm nhìn thẳng(NLOS)

- Chuẩn 802.16-2005 (hay 802.16e) được thông qua IEEE tháng 12/2005.Tiêu chuẩn này sử dụng phương thức điều chế SOFDMA (Scalable OrthogonalFrequency Division Multiplexing), cho phép thực hiện các chức năng chuyểnvùng(handover) và chuyển mạng(roaming) nên có thể cung cấp đồng thời dịch vụ

cố định, nomadic, mang xách được (người sử dụng có thể di chuyển với tốc độ đibộ), di động hạn chế và di động

IEEE 802.16 sử dụng ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM như

là phương pháp truyền cho kết nối NLOS Tín hiệu OFDM được tạo từ nhiều sóngmang trực giao và mỗi một sóng mang được điều chế số với tốc độ ký tự thấp.WiMax có băng thông không phải là một hằng số mà thay đổi từ 1.25MHz đến28MHz Trong chuẩn IEEE 802.16-2004, một khác biệt có thể nhận thấy được giữahai phương pháp: OFDM và OFDMA Trong chế độ OFDM thông thường, 200sóng mang đã có sẵn cho việc truyền dữ liệu và cả hai phương pháp song công TDD

và FDD đều được sử dụng Còn đối với chế độ OFDMA, những thuê bao khác nhau

có thể được phục vụ đồng thời bởi việc cho mỗi thuê bao một nhóm sóng mangriêng biệt để mang dữ liệu đến thuê bao đó Số lượng sóng mang có thể tăng lên mộtcách đáng kể Chuẩn IEEE 802.16e là một chuẩn mở rộng của WiMax ở tần số 6GHz với mục đích ứng dụng trong di động Lịch sử phát triển của các loại chuẩnIEEE 802.16 được cho trong hình sau (Hình 2.2)

Hình 1.1 Từ 802.11b tới 802.16e

Trang 9

1.4 Giới thiệu chuẩn 802.16 OFDM

802.16 sử dụng kỹ thuật truy cập OFDM mà đã được sử dụng trong các hệthống khác như 802.11a Những đặc điểm mới chính trong lớp PHY - quan hệ với802.11a là: số sóng mang FFT dài hơn ( từ 64-FFT đến 256-FFT); thay đổi đượcbăng thông kênh và tần số lấy mẫu, và thay đổi được tỷ số của hai giá trị này; nhiềungười sử dụng được với một Tx burst; loại điều chế có thể thay đổi theo thời giantrong khung; bốn thay cho hai giá trị khoảng bảo vệ cần thiết

Bảng 1.2 Các tiêu chuẩn của 802.16

Trang 10

1.4.1 Bảng thông số kỹ thuật

Bảng 1.3 Các thông số kỹ thuật của chuẩn 802.16

1.4.2 Các băng tần số

Bảng 1.4 Các băng tần số

1.4.3 Chức năng phân kênh (Subchannelization)

WIMAX được thiết kế để vận hành như là một mạng cơ sở hạ tầng, và sựphân chia tài nguyên này cũng là một vấn đề quan trọng

Trang 11

Với WIMAX ( OFDM và OFDMA), Subchannelization cho phép ta nhómhoàn toàn một số các sóng mang OFDM thành các block và phân cho mỗi blockthành các segment khác nhau của trạm BS Những block được trải ra trên hoàn toànvùng tần số và gồm một số các sóng mang liên tiếp nhau Subchannel index điềukhiển sử dụng những Block khác nhau trên toàn bộ phổ.

Số sóng mang dữ liệu hoàn tất (192) có thể được chia thành 2, 4, 8 hoặc 16Subchannel Tất cả các sóng mang được trải trên 4 vùng " regions" khác nhau củavùng tần số

Nếu bốn Subchannel được sử dụng như ví dụ dưới đây, sẽ có 16/4 = 4subchannel khác nhau và 192/4 = 48 sóng mang trên subchannel, mà được chia trên

4 "region" khác nhau, vì vậy có thể coi 48/4 = 12 sóng mang liên tiếp / subchannelblock

1.4.4 Cấu trúc khung

Một khung được chia thành các khung nhỏ DL và UL Những khung nhỏ DL

và UL được bắt đầu với ô preamble (cho biết giới hạn số sóng mang của symbol) đểtìm lại thông tin về kênh truyền và cho phép máy thu tìm lại đáp ứng kênh Ô FCH

và DL MAP chứa thông tin về nội dung khung (vị trí và kiểu điều chế của mỗiburst) và được điều chế - BPSK (hình 2.4)

Hình 1.2 Subchannelization với 4 kênh sử dụng

Hình 1.3 Cấu trúc khung 802.16 OFDM

Trang 12

1.5 Chuẩn 802.16-2004 OFDMA

1.5.1 Giới thiệu chung

OFDMA mở rộng chức năng của OFDM bằng cách thêm vào đặc điểm đatruy cập trong miền tần số Điều này có nghĩa là băng thông được chia thành cáckhe cho người sử dụng trong miền thời gian và miền tần số

Hình 1.4 Sự so sánh OFDM và OFDMA

Trang 13

Điểm khác với chuẩn FDMA là các sóng mang OFDMA cho các user khác

nhau là rất gần với nhau và cho phép các sóng mang vật lý có thể thay đổi từsymbol này đến symbol khác

Như vậy thật là khó khăn để thiết kế một máy thu với khoảng cách sóngmang (subcarrier) thay đổi; các nhà sản xuất thì nghiên cứu để thực hiện các sự kếtnối của băng thông hệ thống và kích thước FFT để đưa ra khoảng cách sóng mang

cố định

Bảng dưới đây đưa ra sự thiết lập hợp lý cho các băng thông hệ thống vàkích cỡ FFT khác nhau

Bảng 1.5 Tham số vật lý của OFDMA

1.5.2 Tổng quát về khung (Frame)

Hình vẽ dưới đây giới thiệu một cách khái quát về khung OFDMA

Trang 14

Hình 1.5 Cấu trúc khung OFDMA

1.5.3 Các phần trong khung (Frame Parts)

UL và DL được tách ra bởi các khe hở: transmit transition gap(TTG) saukhung con DL và receive transition gap(RTG) sau khung con UL

Trong DL có 4 thành phần mà nó mang thông tin cho phép máy thu giải điềuchế tín hiệu : preamble, FCH, DL-MAP và UL-MAP

Bốn thành phần này trong cấu trúc 802.16-2004 được sử dụng cho việc truyềnthêm thông tin tín hiệu cần thiết trong tín hiệu OFDMA

1.5.3.1 Preamble

Ô preamble là ô bắt đầu của mỗi khung downlink Nó bao gồm các sóng mangđiều chế-BPSK và có độ dài 1 symbol OFDMA

Preamble được sửdụng vào hai mục đích:

- Bố trí tuần tự pilot vào trong ô preamble để làm cho nó dễ dàng hơn chomáy thu trong việc đánh giá lỗi tần số và pha và để đồng bộ với máy phát Chúngđược sử dụng để đánh giá và cân bằng kênh

- Số sóng mang preamble sử dụng để chỉ ra 3 segment được sử dụng CácSóng mang 0,3,6 chỉ ra rằng segment 0 là được sử dụng, các sóng mang 1,4,7 chỉ ra segment 1 được dùng, và các sóng mang 2,5,8, chỉ ra segment 3 được dùng

1.5.3.2 FCH

Frame control header(FCH) được điều chế QPSK và có độ dài 2 symbolOFDMA Vị trí vật lý của trường FCH là cố định, để khi trong preamble không cóthông tin thì nó sẽ mô tả địa chỉ

Trang 15

Nội dung của FCH mô tả Subchannel sử dụng, độ dài của DL-MAP và cáctham số truyền dẫn khác sẽ được cho dưới đây.

1.5.3.3 DL-MAP /UL-MAP

DL-MAP (downlink map) mô tả vị trí của các burst chứa trong DownlinkZones Nó gồm số các downlink burst, độ dài của chúng theo cả hướng thời gian(=symbol) và tần số (= subchannel)

UL-MAP (uplink map) được truyền như burst đầu tiên trong đườngxuống(downlink) và gồm các thông tin về vị trí của UL burst cho các người sử dụngkhác nhau

1.6 Chuẩn 802.16e

802.16e là sự phát triển cao hơn của 802.16-2004 Chuẩn này bao gồm tất cảcác đặc điểm của 802.16-2004 và thêm một số chức năng khác

Bảng 1.6 So sánh các loại giao diện của lớp PHY

Modulation

QPSK,16QAM,64QAM

BPSK,QPSK,16QAM,64QAM,256QAM

QPSK,16QAM,64QAM

Trang 16

QPSK,16QAM,64QAM

BPSK,QPSK,16QAM,64QAM,256QAM

QPSK,16QAM,64QAM

- Số nhóm subchannel bị giảm đi 3( số 0 ,2, và 4) cho size FFT 128 và 512

- Nội dung FCH được thu ngắn lại đối với size FFT 128

- Hệ số lấy mẫu 86/75,144/125, 316/275 và 57/50 đã thay bởi 28/25

1.7 Lớp MAC và lớp PHY trong WIMAX

1.7.1 Giới thiệu chung

Trang 17

tư, thông tin quốc gia, bản quyền của cá nhân.

Dưới lớp MAC, là lớp vật lý PHY, nó cung cấp khả năng truyền tải mạnh vàthích nghi với môi trường không dây Lớp PHY sử dụng 5 loại giao diện:

 WirelessMAN-SCTM (Line of Sight - LOS)

 WirelessMAN-SCaTM (Non Line of Sight - NLOS)

 WirelessMAN-OFDMTM

 WirelessMAN-OFDMATM

 WirelessHUMANTM

Trang 18

Mặc dù mô hình trên chỉ mang tính chất tham khảo, nhưng có sự thống nhất chặtchẽ giữa chức năng MAC CPS và PHY, nó làm cho chức năng trở nên phụ thuộc vàphức tạp hơn giữa chúng

1.7.2 Lớp MAC

Lớp MAC chuẩn IEEE 802.16 cung cấp giao diện hoạt động độc lập với lớpvật lý do giao diện lớp vật lý là giao diện vô tuyến Phần chủ yếu của lớp MAC tậptrung vào việc quản lý tài nguyên trên airlink(lien kết vô tuyến) Giải quyết đượcbài toán yêu cầu tốc độ dữ liệu cao trên cả hai kênh downlink và uplink Các cơ chếđiều khiển truy cập và thuật toán cấp phát băng thông hiệu quả có khả năng đáp ứngcho hàng trăm đầu cuối trên mỗi kênh

Lớp MAC chuẩn IEEE 802.16 được xây dựng dựa trên kiến trúc tập trung, hỗtrợ mô hình Point-to-Point, Point-to- Multipoint và Mesh Trạm BS đóng vai tròtrung tâm với một ăngten-sectơ hóa có khả năng điều khiển đồng thời nhiều sectơđộc lập đồng thời

Các giao thức MAC chuẩn 802.16 là hướng kết nối Vào thời điểm truy cậpmạng, mỗi SS sẽ tạo một hoặc nhiều kết nối để truyền tải dữ liệu trên cả hai hướng.Đơn vị lập lịch lớp MAC sẽ sử dụng tài nguyên airlink để cung cấp mức QoS phânbiệt Lớp MAC cũng được thực hiện chức năng tương thích liên kết (link adaption)

và truyền lại tự động ARQ nhằm duy trì thong lượng tối đa với tỷ lệ lỗi bit (BER)chấp nhận được Lớp MAC chuẩn IEEE 802.16 cũng điều khiển quá trình truy nhập

và rời khỏi mạng của SS, thực hiện tạo và truyền các đơn vị dữ liệu giao thức PDU.Ngoài ra, lớp MAC chuẩn IEEE 802.16 còn cung cấp lớp con hội tụ đặc tả dịch vụ

hỗ trợ lớp mạng tế bào ATM và lớp mạng gói

Lớp MAC chuẩn IEEE 802.16 bao gồm 3 lớp:

1.7.2.1 Lớp SSCS (Service-Specific Convergence Sublayer)

Lớp này có chức năng thu nhận và phân loại PDUs từ lớp cao hơn ,dữ liệungoài vào từ Common sublayer thông qua SAP của nó để tạo thành MAC SDU sau

đó phân loại chúng nhờ vào CID

Packet PDU (e.g., IP packet, Ethernet Packet)

PHSI

MAC SDU = CS PDU

Payload Header Suppression Index Optional, Depending on upper layer protocol

Hình 1.7 Cấu trúc của MAC SDU ( Service Data Unit )

Trang 19

1.7.2.2 Lớp CPS (Common Part Sublayer)

MAC CPS là nguyên nhân tạo ra môt số chức năng quan trọng Nó là tất cảcác đặc tính kỹ thuật chung cho CS Sau đây sẽ nói rõ hơn các chức năng đó

WiMax sử dụng phương pháp định hướng trực tiếp Điều này có nghĩa làtrước khi gởi một vài dữ liệu của người sử dụng thì phải thiết lập kết nối giữa một

SS và một BS hay giữa các SS với nhau Multicast cũng được hỗ trợ và chỉ truyềnvới dữ liệu 16 bit trên mỗi đường truyền Có 4 loại kết nối: cơ sở (base), sơcấp(primary), thứ cấp (secondary) và dữ liệu (data) Loại kết nối dữ liệu được sửdụng để truyền thông tin của người dùng, trong khi 3 loại còn lại thì được sử dụng

để truyền thông tin điều khiển gọi là kết nối quản lý MAC

Mỗi SS có 3 kết nối quản lý :

- Basic Connection (kết nối cơ sở): được sử dụng cho những thông tin cóthời gian ngắn

- Primary Management connection (kết nối quản lý sơ cấp): được sử dụngcho những kết nối dài hơn, có độ trễ thông tin nhiều hơn

- Secondary Management Connection (kết nối quản lý thứ cấp): được dùngcho các thông tin quản lý lớp cao hơn và dữ liệu cấu hình SS

 Cấu trúc của MAC PDU (MAC Protocol Data Unit)

MAC PDU chia thành 3 phần: phần đầu GMH (Generic MAC Header) dùng

6 bytes, phần tải payload, mã kiểm tra dư thừa chu kỳ CRC (Cyclic RedundancyChecking) sử dụng 4 bytes

GMH MSDU (truyền tải gói tin) CRCHình 1.8 Hình dạng của MAC PDU

Trang 20

Độ dài lớn nhất của một MAC PDU là 2Kbytes Phần CRC chỉ được sử dụngnếu SS yêu cầu trong các thông số QoS.

Generic Header có hai loại :GMH và BRH (Bandwidth Request Header).Loại thứ nhất là GMH dùng để gửi bản tin quản lý MAC chuẩn Loại thứ hai làBRH, loại này chỉ đi một mình không sử dụng phần tải

GMH MAC Management message CRC

BRH MSDU (truyền tải gói tin, phân CRCHình 1.9 So sánh hai loại Generic Header của MAC PDU

Bảng 1.7 Bảng thông số của MAC Header

Dùng để mô tả CRC1=CRC được thêm vào PDU0=CRC không được thêm vào PDUCID 16 Nhận dạng kết nối

Điều khiển mã hoá0=Payload không được mã hoá1=Payload được mã hoá

Trang 21

EKS 2

Chuỗi khoá mãĐược dùng để mã hoá payload Trường này chỉ có nghĩanếu trường EC được được set bằng 1

Chuỗi kiểm tra HeaderTrường 8-bit dùng để dò tìm các lỗi trong header Đa thứcsinh là g(D) = D8 + D2 – D – 1

HT 1 Header Type Sẽ được set bằng zero

LEN 11 Độ dài byte của MAC PDU gồm cả MAC header

Type 6 Trường này mô tả loại payload

Trong hình 2.11 mô tả hình dạng của Generic MAC Header HT viết tắt làHeader Type (HT bit) nó có giá trị 0 cho GMH, có giá trị 1 cho BRH Vùng Typechứa thông tin về bản tin quản lý được lưu trữ trong phần tải (payload) Vùng EKSđược sử dụng để chắc chắn rằng trạm BS và trạm SS phải được đồng bộ hoá nhautrong khi sử dụng các khoá mật mã lưu thông và các vectơ ban đầu IV (InitialisingVectors) Các thông số đặc trưng trong MAC Header trong (bảng 2.7)

 Sự đóng gói dữ liệu (Data Packet Encapsulations):

LENmsb(3)

H

T

CID msb (8)

LEN lsb (8)

Generic MAC Header Format

(Header Type (HT) = 0) BW Req Header Format (Header Type (HT) =1)

H

T

CID msb (8)

LEN lsb (8)

Generic MAC Header Format

(Header Type (HT) = 0) BW Req Header Format (Header Type (HT) =1)

MAC PDU

Ethernet Packet

Packet PDU (e.g., Ethernet)

CS PDU (i.e., MAC SDU)

HT

FEC block 1

CRC MAC PDU Payload

OFDM symbol 1

PHY Burst

(e.g., TDMA burst) Preamble

OFDM symbol 2

OFDM symbol n

FEC FEC Block 2 FEC Block 3 FEC block m

Hình 1.11 Sự đóng gói dữ liệu

Trang 22

- MAC PDUs được truyền trong PHY Bursts

- PHY burst có thể gồm có nhiều FEC blocks

- MAC PDUs có thể là nhiều FEC block

OFDM symbol 1

PHY Burst

(e.g., TDMA burst) Preamble

OFDM symbol 2

OFDM symbol n

HT MAC PDUPayload CRC

Multiple MAC PDUs are concatenated into the same PHY burst

Hình 1.12 Sự đóng gói MAC PDU

Trang 23

1.7.3.1Giới thiệu

Lớp PHY là lớp chịu trách nhiệm về quá trình truyền của khung Giao diệnđầu tiên của nó là WirelessMAN-SC Nó hoạt động trong dải tần số 10-66GHz,được thiết kế để ứng dụng trong LOS và thông qua điều chế sóng mang đơn Nóđược chọn bởi vì nó đủ lớn để cung cấp cho mạng viễn thông không dây băng thôngrộng Do tầm quan trọng trong việc quảng cáo ngày càng tăng trong dải tần số 2-11GHz cho NLOS nên một nhóm làm việc trong IEEE 802.16 đã phát triển thêm 3loại giao diện Ba loại giao diện mới là: WirelessMAN-SCa, WirelessMAN-OFDM

và WirelessMAN-OFDMA

 WirelessMAN-SCa: đây là giao diện sử dụng điều chế sóng mang đơn

 WirelessMAN-OFDM: sử dụng ghép kênh phân chia theo tần số trực giaovới 256 sóng mang

 WirelessMAN-OFDMA: sử dụng truy cập ghép kênh phân chia theo tần sốtrực giao với 2048 sóng mang để cung cấp nhiều hơn một sóng mang trênmột trạm thuê bao SS

Ngày nay, do FFT cho phép làm việc với số lượng sóng mang lớn nênWirelessMAN-HUMAN đã ra đời

1.7.3.2 Phương pháp ghép kênh (Duplexing)

Có hai phương pháp song công: song công phân chia theo thời gian TDD(Time Division Duplexing), song công phân chia theo tần số FDD (FrequencyDivision Duplexing) Trong FDD, quá trình truyền trao đổi hai hướng ở hai tần sốkhác nhau trong khi TDD thì chỉ sử dụng một tần số duy nhất nhưng lại ở nhữngthời gian khác nhau

- Khung TDD gồm hai phần: downlink subframe và uplink subframe

- FDD cần có 2 kênh, một đường lên (uplink), một đường xuống (downlink).Với TDD chỉ cần 1 kênh tần số, lưu lượng đường lên và đường xuống được phânchia theo các khe thời gian

Trang 24

Hình 1.13 Mô tả về FDD và TDD

Hình 1.14 Cấu trúc khung của FDD

Hình 1.15 Cấu trúc khung của TDD

Trang 25

1.8 Các kỹ thuật sử dụng trong WiMAX để khắc phục những ảnh hưởng của môi trường NLOS

Các kỹ thuật được sử dụng để giải quyết hay giảm nhẹ những ảnh hưởng trongmôi trường NLOS của WiMAX là:

 Kỹ thuật OFDM

 Phân chia kênh con

 Các ăng ten hướng tính

 Phân tập phát và thu

 Điều chế thích nghi

 Kỹ thuật sửa lỗi

 Điều khiển công suất

1.9 Ứng dụng

Công nghệ WiMAX là giải pháp cho nhiều loại ứng dụng băng rộng tốc độcao cùng thời điểm với khoảng cách xa và cho phép các nhà khai thác dịch vụ hội tụtất cả trên mạng IP để cung cấp các dịch vụ "ba cung": dữ liệu, thoại và video

WiMAX với sự hỗ trợ QoS, khả năng vươn dài và công suất dữ liệu caođược dành cho các ứng dụng truy cập băng rộng cố định ở những vùng xa xôi, hẻo

Hình 1.16 Vị trí NLOS của CPE

Hình 1.17 Một ví dụ ứng dụng WiLAN và WiMax

Trang 26

lánh nơi công nghệ chưa đến được, cũng như cho các khu vực thành thị ở các nướcđang phát triển

WiMAX cũng cho phép các ứng dụng truy cập xách tay, với sự hợp nhất trongcác máy tính xách tay và PDA, cho phép các khu vực nội thị và thành phố trở thànhnhững "khu vực diện rộng" nghĩa là có thể truy cập vô tuyến băng rộng ngoài trời

Do vậy, WiMAX là một công nghệ bổ sung bình thường cho các mạng di động vìcung cấp băng thông lớn hơn và cho các mạng Wi-Fi nhờ cung cấp kết nối băngrộng ở các khu vực lớn hơn

1.10 Kết luận chương

Qua những hiểu biết ở trên về Wimax, thì có thể đưa ra những đánh giá về ưucũng như nhược điểm của Wimax như sau:

- Ưu điểm của WiMAX di động so với công nghệ 3G dựa trên CDMA:

 Khả năng chịu được nhiễu đa đường và nhiễu cục bộ

Trang 27

 Mưa lớn sẽ gây nhiễu đến các thiết bị.

 Những thiết bị không dây trong mạng không dây khác sẽ dễ gây ảnh đếnWiMax trong phạm vi làm việc của nó nên đó chính là nguyên nhân gây raviệc trôi dữ liệu trong quá trình truyền dẫn kết nối các thiết bị trong mạngWiMax

CHƯƠNG 2

2.1 Giới thiệu chương

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao là một kĩ thuật truyền mà trong đótập hợp những sóng mang trực giao với nhau rồi truyền đồng thời Ứng dụng kĩthuật OFDM, ta có khả năng truyền thông tin tốc độ cao, sử dụng băng thông hiệuquả, chống được nhiễu liên kí tự ISI, nhiễu liên sóng mang ICI, chống được fadingchọn lọc tần số Kĩ thuật OFDM được biết đến cách đây khoảng 40 năm nhưng mà

nó mới được ứng dụng rộng rãi những năm gần đây Những sản phẩm ứng dụng kĩthuật OFDM có thể kể đến WIMAX (Worlwide interoperationability for

Trang 28

Microwaves Access), WLAN (Wireless Local Area Network) 802.11, x-DSL Digital Subcriber Line) và DVT (Digital Video Broadcasting).

Trong những thập kỷ vừa qua, nhiều công trình khoa học về kỹ thuật này đãđược thực hiện ở khắp nơi trên thế giới Đặc biệt là công trình khoa học củaWeistein và Ebert đã chứng minh rằng phép điều chế OFDM có thể thực hiện đượcthông qua phép biến đổi IDFT và phép giải điều chế OFDM có thể thực hiện đượcbằng phép biến đổi DFT Phát minh này cùng với sự phát triển của kỹ thuật số làmcho kỹ thuật điều chế OFDM được ứng dụng trở nên rộng rãi Thay vì sử dụngIDFT người ta có thể sử dụng phép biến đổi nhan IFFT cho bộ điều chế OFDM, sửdụng FFT cho bộ giải điều chế OFDM

Trong chương này sẽ lần lượt trình bày về các khái niệm cơ bản trong OFDM,

sự khác nhau giữa OFDM và FDM, tính trực giao, cấu trúc OFDM, sơ đồ khối hệthống OFDM, vấn đề đồng bộ trong OFDM, ưu nhược điểm của hệ thống OFDM,

kỹ thuật điều chế sử dụng trong OFDM

2.2 Khái niệm OFDM

Kỹ thuật OFDM là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Đó là sự kết hợp giữa mã hóa vàghép kênh Thường thường nói tới ghép kênh người ta thường nói tới những tín hiệuđộc lập từ những nguồn độc lập được tổ hợp lại Trong OFDM, những tín hiệu độclập này là các sóng mang con Đầu tiên tín hiệu sẽ chia thành các nguồn độc lập, mãhóa và sau đó ghép kênh lại để tao nên sóng mang OFDM

OFDM là trường hợp đặc biệt của FDM (Frequency Divison Multiplex) Ta

có thề liên tưởng kênh truyền FDM giống như một dòng nước đang chảy, nướcchảy thành một dòng lớn; kênh truyền OFDM giống như nước chảy ở vòi sen, chia

ra thành từng dòng nước nhỏ Ta có thể dùng tay để chặn dòng nước từ vòi nướcthông thường nhưng không thể làm tương tự với nước chảy ra ở vòi sen Mặc dù cả

Trang 29

hai kỹ thuật cùng thực hiện chung một công việc nhưng mà lại có những phản ứngkhác nhau đối với nhiễu.

Ta cũng có thể liên tưởng tới sự vận chuyển hàng hóa bằng xe tải Ta có haiphương án, dùng một chiếc xe lớn chở tất cả hàng hóa (FDM) hoặc dùng một đoàn

xe nhỏ (OFDM) Cả hai phương án đều chở cùng một loại hàng hóa nhưng trongtrường hợp tai nạn xảy ra nếu ta dùng đoàn xe nhỏ thì chỉ có ¼ hàng hóa bị mấtmát

Hình 2.1: Minh họa sự khác nhau của OFDM và FDM

2.3 So sánh FDM và OFDM

OFDM khác với FDM nhiều điểm Tất cả các sóng mang thứ cấp trong tín

hiệu OFDM được đồng bộ thời gian và tần số với nhau, cho phép kiểm soát tốt cannhiễu giữa các sóng mang với nhau Các sóng mang này chồng lấp trong miền tần sốnhưng không gây can nhiễu giữa các sóng mang (ICI: inter-carrier interference) dobản chất trực giao của điều chế Với FDM, tín hiệu truyền cần có khoảng bảo vệ tần

số lớn giữa các kênh để đảm bảo không bị chồng phổ, vì vậy không có hiện tượnggiao thoa kí tự ISI giữa những sóng mang Điều này làm giảm hiệu quả phổ Tuynhiên với OFDM nhằm khắc phục hiệu quả phổ kém khi có khoảng bảo vệ (guardperiod) bằng cách giảm khoảng cách các sóng mang và cho phép phổ của các sóngmang cạnh nhau trùng lắp nhau Sự trùng lắp này được phép nếu khoảng cách giữacác sóng mang được chọn chính xác sao cho đỉnh của sóng mang này sẽ đi qua diểmkhông của sóng mang kia tức là các sóng mang trực giao nhau để những tín hiệuđược khôi phục mà không giao thoa hay chồng phổ

Trang 30

Hình 2.2:Kỹ thuật đa sóng mang chồng xung và không chồng xung.

Hình 2.3: Phổ của OFDM và FDM

2.4 Tính trực giao

Một tín hiệu được gọi là trực giao nếu nó có quan hệ độc lập với tín hiệukhác Tính trực giao là một đặc tính cho phép truyền một lúc nhiều thông tin trênmột kênh chung mà không gây ra nhiễu Chính sự mất tính trực giao là nguyên nhângây ra sự suy giảm tín hiệu trong viễn thông

OFDM đạt được sự trực giao bằng cách cấp phát cho mỗi nguồn thông tinmột số sóng mang nhất định khác nhau Tín hiệu OFDM đạt được chính là tổng hợpcủa tất cả các sóng sin này Mỗi một sóng mang có một chu kì sao cho bằng một số

Trang 31

nguyên lần thời gian cần thiết để truyền một ký hiệu (symbol duration) Tức là đểtruyền một ký hiệu chúng ta sẽ cần mốt số nguyên lần của chu kỳ Hình 2.4 làtrường hợp của tín hiệu OFDM với 4 sóng mang phụ.

Hình 2.4: Cấu trúc của một tín hiệu OFDMCác hình (1a), (2a), (3a), (4a) là miền thời gian của các sóng mang đơn tần với cácchỉ số 1, 2, 3, 4 là số chu kỳ trên mỗi ký hiệu Các hình (1b), (2b), (3b), (4b) làmiền tần số nhờ sử dụng biến đổi Fourier nhanh của tín hiệu Hình phía dưới cùng

là tín hiệu tổng hợp của 4 sóng mang phụ

Tập hợp các hàm được gọi là trực giao nếu thỏa mãn biểu thức (2.1)

2.5 Cấu trúc OFDM

Cấu trúc miền tần số OFDM gồm 3 loại sóng mang con :

- Sóng mang con dữ liệu cho truyền dữ liệu

- Sóng mang con dẫn đường cho mục đích ước lượng và đồng bộ

- Sóng mang con vô dụng (null) không để truyền dẫn, được sử dụng cho các băng

bảo vệ và các sóng mang DC

Trang 32

Hình 2.5: Cấu trúc OFDM trong miền tần sốTrong một hệ thống OFDM, tài nguyên sẵn có trong miền thời gian chính làcác symbol OFDM và trong miền tần số chính là các sóng mang con Các tài nguyên

này được tổ chức thành các kênh con (sub-channel) cấp phát cho người dùng

Hình 2.6: Cấu trúc kênh con OFDM

Trang 33

Hình 2.7: Cấu trúc lát OFDMCấu trúc kênh con OFDM được phát hoạ ở hình (2.6) Trong kí tự OFDM thứ 1

và thứ 3, những sóng mang con bên ngoài của mỗi lát đều là những sóng mang condẫn đường và có thể ước lượng đáp ứng kênh tại những tần số này bằng việc so sánhvới những sóng mang dẫn đường tham chiếu đã biết trước Đáp ứng tần số của haisóng mang bên trong có thể được ước lượng bằng phép nội suy tuyến tính trongmiền tần số Để tính toán đáp ứng tần số của những sóng mang liên kết với kí tựOFDM thứ hai, ta có thể nội suy trong miền thời gian từ sự ước lượng cho kí tựOFDM thứ 1 và thứ 3

2.6 Sơ đồ khối của hệ thống OFDM

Những tín hiệu OFDM được tạo ra trong miền tần số vì khó tạo ra nhữngbank lớn các bộ dao động và những bộ thu khóa pha trong miền tương tự Hình 2.8

là sơ đồ khối của bộ phát và thu OFDM cơ bản Phần máy phát biến đổi dữ liệu sốcần truyền, ánh xạ vào biên độ và pha của các tải phụ Sau đó nó biến đổi biểu diễnphổ của dữ liệu vào trong miền thời gian nhờ sử dụng biến đổi Fourier rời rạc đảo(inverse Discrecte Fourier Transform) Biến đổi nhanh Fourier đảo (Inverse FastFourier Transform) thực hiện cùng một thuật toán như IDFT, nhưng nó hiệu quảhơn nhiều và do vậy nó được sử dụng trong tất cả các hệ thống thực tế Để truyềntín hiệu OFDM tín hiệu miền thời gian được tính toán được nâng lên tần số cầnthiết Máy thu thực hiện thuật toán ngược lại với máy phát Khi dịch tính hiệu RFxuống băng cơ sở để xử lý, sau đó sử dụng biến đổi Fourier nhanh (FFT) để phân

Trang 34

tích tín hiệu trong miền tần số Sau đó biên độ và pha của các tải phụ được tách ra

và đuợc biến đổi ngược lại thành dữ liệu số

Hình 2.8: Sơ đồ khối của qúa trình phát và thu OFDM

2.6.1 Bộ chuyển đổi nối tiếp song song

Dữ liệu cần truyền thường có dạng dòng dữ liệu nối tiếp tốc độ cao do vậygiai đoạn biến đổi song song thành nối tiếp là cần thiết để biến đổi dòng bit nốitiếp đầu vào thành dữ liệu cần truyền trong mỗi ký hiệu OFDM Dữ liệu được phânphối cho mỗi ký hiệu phụ thuộc vào sơ đồ điều chế được sử dụng và số sóngmang Có thể nói biến đổi nối tiếp song song bao hàm việc làm đầy các dữ liệu chomỗi tải phụ Tại máy thu một quá trình ngược lại sẽ được thực hiện, với dữ liệu từcác tải phụ được biến đổi trở lại thành dòng dữ liệu nối tiếp gốc

Khi truyền dẫn OFDM trong môi trường đa đường (multipath), fading chọn lọc tần số có thể làm cho một số nhóm tải phụ bị suy giảm nghiêm trọng và gây ra lỗi bit Để cải thiện chỉ tiêu kỹ thuật phần lớn các hệ thống OFDM dùng các bộ xáo trộn dữ liệu (scramber) như một phần của giai đoạn biến đổi nối tiếp thành song song Tại máy thu quá trình giải xáo trộn được thực hiện để giải mã tín hiệu

2.6.2 Mã hóa kênh và sắp xếp (Coding & Mapping) trong hệ thống OFDM 2.6.2.1 Mã hóa kênh

Trong hệ thống thông tin số nói chung, mã hóa sửa sai theo phương pháp FEC(Forward Error Correcting) được sử dụng để nâng cao chất lượng thông tin, cụ thể

Trang 35

là đảm bảo tỷ số lỗi trong giới hạn cho phép , điều này càng thể hiện rõ ở kênhtruyền bị tác động của AWGN

Trong OFDM, theo một số khuyến nghị, người ta còn kết hợp mã hóa với

kỹ thuật xen rẽ (interleaving) trên giản đồ thời gian – tần số để khắc phục lỗi chùm (burst error) thường xuất hiện trong thông tin đa sóng mang do hiện tượngFading lựa chọn tần số Các lỗi chùm không thể được sửa bởi các loại mã hóa kênh Nhờ vào kỹ thuật xen rẽ, người ta đã chuyển lỗi chùm (nếu có xảy ra) thành các lỗi ngẫu nhiên và các lỗi ngẫu nhiên này dễ dàng được khắc phục bởi các loại mã hóa kênh

2.6.2.2Ánh xạ (Mapping)

Sau khi đã được mã hóa và xen rẽ, các dòng bit trên các nhánh sẽ được điều

chế BPSK, QPSK, 16-QAM, hoặc 64-QAM Dòng bit trên mỗi nhánh được sắp xếpthành các nhóm có Nbs (1, 2, 4, 6) bit khác nhau tương ứng với các phương phápđiều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM Hay nói cách khác dạng điều chế đượcquy định bởi số bit ở ngõ vào và cặp giá trị (I, Q) ở ngõ ra

Chẳng hạn : khi ta sử dụng phương pháp điều chế 64-QAM thì sẽ có 6 bit đầuvào được tổ chức thành một nhóm tương ứng cho một số phức trên đồ thị hình saođặc trưng cho kiểu điều chế 64-QAM (64-QAM constellation) Trong 6 bit thì 3 bitLSB (b0 b1 b2) sẽ biểu thị cho giá trị của I, còn 3 bit MSB (b3 b4 b5) biểu thị cho giátrị của Q

Trang 36

Bảng 2.1 : Các giá trị trong mã hóa 64-QAM

2.6.3 Ứng dụng kĩ thuật IFT/FFT trong OFDM

Như đã đề cập trong phần khái niệm về OFDM, ta đã biết OFDM là kỹ thuậtđiều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ rất nhiều sóngmang phụ Để làm được điều này, cứ mỗi kênh phụ, ta cần một máy phát sóng sin,một bộ điều chế và một bộ giải điều chế Trong trường hợp số kênh phụ là khá lớnthì cách làm trên không hiệu quả, nhiều khi là không thể thực hiện được Nhằm giảiquyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi DFT/IDFT được dùng để thaythế toàn bộ các bộ tạo dao động sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế dùng trong mỗikênh phụ FFT/IFFT được xem là một thuật toán giúp cho việc thực hiện phép biếnđổi DFT/IDFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiệnphép biến đổi DFT/IDFT và giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại chỗ (inplace)

Ta quy ước : Chuỗi tín hiệu vào X(k) , 0 ≤ k ≤ N-1 ,

Khoảng cách tần số giữa các sóng mang là : ∆f Chu kỳ của một ký tự OFDM là : Ts

Tần số trên sóng mang thứ k là fk = f0 + k∆f

Tín hiệu phát đi có thể biểu diễn dưới dạng :

, (2.2)

Trang 37

Tại bộ thu, bộ DFT được sử dụng để lấy lại tín hiệu X(k) ban đầu

Thật vậy, ta có :

= = (2.5)

Ở đây, hàm là hàm delta, được định nghĩa là :

(2.6)

2.6.4 Tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix)

Đối với một băng thông hệ thống đã cho tốc độ ký hiệu của tín hiệu OFDMthấp hơn nhiều tốc độ ký hiệu của sơ đồ truyền đơn sóng mang Ví dụ đối với điềuchế đơn sóng mang BPSK tốc độ ký hiệu tương ứng với tốc độ bit Tuy nhiên với

Tiêu đề	Wimax và Kỹ Thuật Ofdm Trong Wimax
Tác giả	Thanh Bình, Duy Cận
Người hướng dẫn	GVHD: Võ Thị Hương
Trường học	Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ
Chuyên ngành	Công Nghệ Thông Tin
Thể loại	Đồ án tốt nghiệp
Năm xuất bản	2023
Thành phố	Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	75
Dung lượng	2,54 MB