Nghiên cứu và mô phỏng hệ thống wimax

Nếu chúng ta vẫn sử dụng hệ thống đơn sóng mang truyền thống cho những dịch vụ này thì hệ thống thu phát sẽ có độ phức tạp cao hơn rất nhiều so với việc sử dụng hệ thống đa sóng mang, gh

LỜI CẢM ƠN

Đồ án tốt nghiệp này đã khép lại quá toàn bộ quá trình học đại học của em suốt

5 năm qua tại Trường đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông – Đại học Thái Nguyên Em xin gửi lời cảm ơn tới tất cả các thầy cô giáo trong Trường đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông đã dạy dỗ chỉ bảo tận tình, cung cấp kiến thức cần thiết làm cơ sở nền tảng cho em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này

Em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo hướng dẫn Ths Hoàng Quang Trung

bộ môn Công Nghệ Điện Tử Và Truyền Thông đã giúp đỡ nhiệt tình, luôn ân cần chỉ bảo, hướng dẫn em trong suốt thời gian qua

Con xin biết ơn và ghi công Bố Mẹ và gia đình đã động viên, tạo điều kiện tốt nhất để con yên tâm học tập và hoàn thành đồ án một cách tốt nhất

Xin cảm ơn bạn bè đã cổ vũ động viên và tạo điều kiện để tôi hoàn thành đồ án này

Tuy em đã rất cố gắng để hoàn thành đồ án một cách tốt nhất nhưng cũng không thể tránh khỏi những thiếu xót Em mong nhận được sự quan tâm, góp ý và giúp đỡ của các thầy cô và các bạn để bản đồ án này hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn Sinh Viên thực hiện

Nguyễn Đức Huy

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan về nội dung của đồ án thiết kế của sản phẩm là không sao chép hoàn toàn nội dung cơ bản từ các đồ án khác, thiết kế sản phẩm nào khác,

sản phẩm của đồ án là của chính bản thân em nghiên cứu xây dựng

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

LIỆT KÊ HÌNH VẼ v

LIỆT KÊ BẢNG vii

CÁC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT viii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I 3

TỔNG QUAN VỀ WIMAX 3

1.1 Giới thiệu về wimax 3

1.2 Các chuẩn Wimax 7

1.2.1 Chuẩn IEEE 802.16-2001 .7

1.2.2 Chuẩn IEEE 802.16a .7

1.2.3 Chuẩn IEEE 802.16-2004 .8

1.2.4 Chuẩn IEEE 802.16e .8

1.3 Dải tần hoạt động 9

1.3.1 Băng tần đăng ký 9

1.3.2 Băng tần không đăng ký 5GHz 10

1.3.3 Các băng tần được đề xuất cho WiMAX trên thế giới 10

1.3.4 Các băng tần ở Việt Nam có khả năng dành cho WiMAX 11

1.4 Mô hình hệ thống Wimax 12

1.5 Các ưu nhược điểm của WiMAX 15

1.5.1 Ưu điểm 15

1.5.2 Nhược điểm 17

1.6 Cấu trúc của WiMAX 17

1.6.1 Các đặc tính của lớp vật lý 18

1.6.2 Các đặc tính của lớp truy nhập (MAC) 19

1.7 So sánh WiMAX với 3G 20

1.8 Các ứng dụng 22

CHƯƠNG II 23

CÁC KỸ THUẬT SỬ DỤNG TRONG WIMAX 23

2.1 Kỹ thuật điều chế OFDM 23

2.1.1 Giới thiệu 23

2.1.2 Nguyên lý cơ bản của OFDM 24

2.1.3 Nguyên lý điều chế 25

2.1.4 Tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix) 33

2.1.5 Nguyên lý giải điều chế OFDM 34

2.1.6 Đặc tính kênh truyền vô tuyến trong hệ thống OFDM 37

2.1.7 Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) 43

2.1.8 Ưu điểm và hạn chế của kĩ thuật OFDM 44

2.2 Kỹ thuật OFDMA cho Wimax 46

2.2.1 Giới thiệu 46

2.2.2 Đặc điểm 46

2.2.3 Hệ thống OFDMA 48

2.2.4 Điều khiển công suất 51

CHƯƠNG III 52

MÔ PHỎNG HỆ THỐNG WIMAX 52

3.1 Giới hạn của chương trình mô phỏng 52

3.2 Sơ đồ khối của hệ thống WiMAX 52

3.2.1 Sơ đồ khối bên phát 52

3.2.2 Sơ đồ khối bên thu 53

3.3 Thiết kế các khối 54

3.3.1 Khối tạo dữ liệu ngẫu nhiên 54

3.3.2 Khối điều chế FEC và điều chế 54

3.3.3 Khối tạo gói dữ liệu 59

3.3.4 Khối mã hóa không gian và thời gian 60

3.3.5 Khối điều chế và giải điều chế OFDM 61

3.3.6 Kênh truyền 62

3.3.7 Khối giải điều chế và kết hợp không gian -thời gian 62

3.3.8 Giản đồ hiển thị các điểm chòm sao 63

3.3.9 Khối giải điều chế và FEC 63

3.3.10 Khối Rate ID 64

3.4 Kết quả mô phỏng 64

3.4.1 Sơ đồ chòm sao của tín hiệu sau khi điều chế ở bên phát 65

3.4.2 Sơ đồ chòm sao của tín hiệu trước khi giải điều chế ở bên thu 65

3.4.3 Phổ của tín hiệu trên anten phát thứ nhất và anten thứ hai 66

3.4.4 Phổ của tín hiệu OFDM nhận về ở bên phía thu 66

KẾT LUẬN 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO 70

LIỆT KÊ HÌNH VẼ

Hình 1.1: Mô hình mạng WiMAX 3

Hình 1.2: Lộ trình công nghệ WiMAX 4

Hình 1.3: Mô hình hệ thống WiMAX 12

Hình 1.4: Mô hình Kết nối WiMAX giữa các tòa nhà chính 13

Hình 1.5: Miền Fresnel thứ nhất 14

Hình 1.6: Sự phản xạ các tín hiệu từ nơi phát đến nơi thu 14

Hình 1.7: Mô hình các kỹ thuật điều chế 16

Hình 1.8: Mô hình phân lớp trong hệ thống WiMAX so với OSI 18

Hình 1.9: Các ứng dụng WiMAX 22

Hình 2.1: Phương thức điều chế FDM và OFDM 25

Hình 2.2: Bộ điều chế OFDM 25

Hình 2.3: Các sóng mang trực giao trong OFDM 27

Hình 2.4: Mô hình trực giao 28

Hình 2.5: Đáp ứng tần số của các sóng mang phụ 29

Hình 2.6: Sơ đồ bộ điều chế OFDM sử dụng bộ điều chế IFFT 30

Hình 2.7: Phổ của tín hiệu OFDM 32

Hình 2.8: Xung cơ sở 32

Hình 2.9: Tiền tố lặp CP trong OFDM 33

Hình 2.10: Mô hình kênh truyền 34

Hình 2.11: Bộ thu tín hiệu OFDM 35

Hình 2.12: Tách chuỗi bảo vệ 36

Hình 2.13: Sơ đồ khối giải điều chế OFDM sử dụng thuật toán FFT 37

Hình 2.14: Ảnh hưởng của môi trường vô tuyến 37

Hình 2.15: Tín hiệu đa đường 38

Hình 2.16: Fading Rayleigh khi thiết bị di động di chuyển 38

Hình 2.17: Trải trễ đa đường 40

Hình 2.18: Hiệu ứng độ dịch Droppler 41

Hình 2.19: Lỗi dịch tần số gây nhiễu ICI trong OFDM 43

Hình 2.20: Sự xuất hiện đỉnh cao của sóng mang 44

Hình 2.21: ODFM và OFDMA 46

Hình 2.22: Ví dụ của biểu đồ tần số, thời gian với OFDMA 47

Hình 2.23: Cấu trúc sóng mang con 47

Hình 2.24: Ký hiệu OFDMA trong WiMAX 48

Hình 2.25: Tổng quan hệ thống sử dụng OFDMA 48

Hình 2.26: Mẫu tín hiệu dẫn đường trong OFDMA 49

Hình 2.27: Điều chế thích nghi 50

Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống WiMAX 52

Hình 3.2: Sơ đồ khối bên phát 52

Hình 3.3: Sơ đồ khối bên phía thu 53

Hình 3.4: Khối tạo dữ liệu ngẫu nhiên 54

Hình 3.5: Khối điều chế và sửa lỗi 54

Hình 3.6: Khối điều chế và sửa lỗi QPSK ½ 55

Hình 3.7: Khối mã hóa RS 55

Hình 3.8: Mã hóa xoắn với tốc độ 1/2 58

Hình 3.9: Khối chèn 58

Hình 3.10: Khối tạo gói dữ liệu 59

Hình 3.11: Sơ đồ khối mã hóa theo không gian và thời gian 60

Hình 3.12: Các symbol phát thu theo mã hóa không gian- thời gian 61

Hình 3.13: Khối điều chế OFDM 61

Hình 3.14: Khối giải điều chế OFDM 62

Hình 3.15: Khối giải điều chế và kết hợp không gian-thời gian 62

Hình 3.16: Khối hiển thị chòm sao 63

Hình 3.17: Sơ đồ khối giải điều chế FEC 63

Hình 3.18: Khối giải mã FEC sử dụng QPSK 63

Hình 3.19: Khối chọn kỹ thuật điều chế 64

Hình 3.20: Sơ đồ chòm sao của tín hiệu phát 65

Hình 3.21: Sơ đồ chòm sao của tín hiệu bên phía thu trước khi giải điều chế65 Hình 3.22: Phổ tín hiệu OFDM trên anten phát thứ nhất 66

Hình 3.23: Phổ tín hiệu OFDM trên anten phát thứ hai 66

Hình 3.24: Phổ của tín hiệu OFDM nhận được bên phía thu 67

Hình 3.25: Tỷ số SNR=2 68

Hình 3.26: Tỷ số SNR=21 68

LIỆT KÊ BẢNG

Bảng 1.1 So sánh WiMAX di động và 3G 21

Bảng 2.1. Sự phân bố tích luỹ đối với phân bố Rayleigh 39

Bảng 2.2. Các giá trị trải trễ thông dụng 40

Bảng 3.1 Thông số của mã hóa RS 56

Bảng 3.2 Vector phân chia tương ứng với tốc độ mã hóa 58

Bảng 3.3 Tham số Rate ID và kỹ thuật điều chế 64

Bảng 3.4 Tỷ số SNR và phương pháp điều chế 67

CÁC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT

AAS Advanced Antenna Systems Các hệ thống anten thích nghi

ARQ Automatic Repeat reQuest Tự động lặp lại yêu cầu

ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ Truyền tải Bất đồng bộ

AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gaussian trắng cộng

BPSK Binary Phase Shift Keying điều chế pha nhị phân

BTS Base Transceiver Station Trạm gốc

BWA Broadband Wireless Access Truy cập băng rộng không dây

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

CPE Customer Premiscs Equipment Thiết bị khách hàng

DES Data Encryption Standard Mã hóa dữ liệu chuẩn

DSL Digital Subcriber Line Đường thuê bao số

FDD Frequency Division Deplex Ghép kênh phân chia theo tần số FEC Forward Error Correction Sửa lỗi trước

FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh

FTP File Transfer Protocol Giao thức chuyển tập tin

ICI Inter Channel Interfearence Nhiễu liên kênh

IDFT Inverse Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier ngược

IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers Học Viện của các Kỹ Sư Điện và Điện Tử IFFT Inverse fast fourrier transform Biến đổi Fourier ngược

ISI Inter Symbol Interfearence Nhiễu liên ký tự

LDPC Low-Density-Parity-Check Mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường MANET Mobile Ad_hoc Netword Mạng di động Ad_hoc

MIMO Multiple Input Multiple Output Đa đầu vào đa đầu ra

MISO Multiple Input Single Output Đa đầu vào đơn đầu ra

NIC Network Interface Card Card giao tiếp mạng

NLOS Non line of sight Đường truyển không thẳng

OFDM Orthogonal Frequency Division

QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ trực giao

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

RARP Reverse Address Resolution Protocol Giao thức phân giải ngược lại địa chỉ SAP Service Access Point Dịch vụ điểm truy cập

SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín/tạp

TDD Time Division Duplex Song công phân chia theo thời gian TDM Time Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo thời gian TDMA Time Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo thời gian TELNET Telecommunication Network Mạng truyền thông

WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave

Access

Khả năng tương tác toàn cầu với truy nhập vi ba

WIFI Wireless Fidelity

WLAN Wireless Local Area Network Mạng không dây cục bộ

WMAN Wireless Metropolitan Area Network Mạng đô thị

MỞ ĐẦU

***

Trong những năm gần đây, kỹ thuật thông tin vô tuyến đã có những bước tiến triển vượt bậc Sự phát triển nhanh chóng của video, thoại và thông tin dữ liệu trên internet, điện thoại di động có mặt ở khắp mọi nơi, cũng như nhu cầu về truyền thông đa phương tiện di động đang ngày một phát triển

Nếu chúng ta vẫn sử dụng hệ thống đơn sóng mang truyền thống cho những dịch vụ này thì hệ thống thu phát sẽ có độ phức tạp cao hơn rất nhiều so với việc sử dụng hệ thống đa sóng mang, ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) là một trong những giải pháp đang được quan tâm để giải quyết vấn đề này

Sự ra đời của hệ thống WiMAX đã mang lại một cuộc cách mạng cho hệ thống vô tuyến và mạng internet trên toàn thế giới Hệ thống WiMAX đã đáp ứng được các nhược điểm của mạng vô tuyến truyền thống Nhờ vào kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM, hệ thống WiMAX đã tiết kiệm được băng thông một cách đáng kể Hệ thống WiMAX còn có thể đạt được tốc độ truyền dữ liệu mà các hệ thống vô tuyến truyền thống không thể thực hiện được,

và với sự linh hoạt trong hệ thống nên tín hiệu WiMAX có thể phủ sóng được với bán kính 50Km Khi hệ thống WiMAX ra đời thì hệ thống thông tin vô tuyến nói chung và internet nói riêng đã đáp ứng đầy đủ các dịch vụ băng thông rộng cho hệ thống giải trí, quảng cáo

Ngoài ra trong những năm gần đây, sự bùng nổ của mạng vô tuyến, khả năng liên lạc vô tuyến gần như tất yếu trong các thiết bị cầm tay, máy tính xách tay, điện thoại di động và một số thiết bị khác Với tính năng ưu việt về kết nối

và khả năng đáp ứng của nhu cầu ngày càng cao của con người, hệ thống WiMAX đóng vai trò quan trọng hơn trong sự phát triển thông tin

Từ những ưu điểm và vai trò quan trọng của hệ thống WiMAX trong tương

lai, em đã đăng ký đồ án với tên “Nghiên cứu và mô phỏng hệ thống Wimax”

Trong đề tài này, e sẽ đi tìm hiểu và phân tích những vấn đề sau: Đồ án tốt nghiệp gồm có ba chương:

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, các ứng dụng thực tế và những ưu nhược điểm của công

nghệ WiMAX

Chương 2: Các kỹ thuật sử dụng trong Wimax

Trong chương 2 sẽ trình bày những khái niệm cơ bản, ưu nhược điểm, nguyên

lý điều chế và giải điều chế của kỹ thuật điều chế OFDM và kỹ thuật đa truy nhập

phân chia theo tần số trực giao OFDMA, và những ứng dụng của kỹ thuật này Chương 3: Mô phỏng hệ thống WiMAX

Để hiểu hơn những vấn đề lý thuyết được trình bày trong những chương trước Trong chương này, sẽ trình bày chương trình mô phỏng quá trình xử lý tín hiệu trong WiMAX dựa trên kỹ thuật điều chế OFDM Chương trình bao gồm sơ

đồ khối mô phỏng sự phát và thu OFDM, mô phỏng kênh truyền, sơ đồ khối mô phỏng hệ thống OFDM bằng simulink của chương trình Matlab

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN VỀ WIMAX 1.1 Giới thiệu về wimax

WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) là một công nghệ không dây băng rộng, WiMax ứng dụng trong thiết bị mạng Internet dành

số lượng người sủ dụng lớn thêm vào đó giá thành rẻ 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 WiMax sử dụng kỹ thuật sóng vô tuyến để kết nối các máy tính trong mạng Internet thay vì dùng dây để kết nối như DSL hay cáp modem

WiMAX cũng là một sự phát triển kế tiếp từ dịch vụ cung cấp băng thông giữa LAN nâng cấp lên mạng WAN WiMAX sử dụng chuẩn kết nối 802.16 có nhiều đặc điểm nổi trội hơn về tốc độ, phạm vi phủ sóng so với chuẩn kết nối không dây hiện nay là chuẩn 802.11 Chuẩn 802.11 chỉ có thể phủ sóng trong một khu vực nhỏ, WiMAX có thể phủ sóng một vùng rộng tới 50 km với tốc độ lên đến 70Mbps WiMAX cung cấp truy nhập băng rộng không dây cố định theo hai phương pháp điểm - điểm hoặc điểm - đa điểm

Hình 1.1: Mô hình mạng WiMAX

Hai phiên bản của WiMAX đã được IEEE đưa ra như sau:

Fixed WiMAX (WiMAX cố định): Dựa trên tiêu chuẩn IEEE

802.16-2004, được thiết kế thích hợp cho dạng truy nhập cố định Trong phiên bản này

sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonnal Frequency Division Multiple) hoạt động trong cả môi trường nhìn thẳng – LOS (line-of-sight) và không nhìn thẳng – NLOS (Non-line-of-sight) Sản phẩm dựa trên tiêu chuẩn này hiện tại đã được cấp chứng chỉ và thương mại hóa

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

hỗ trợ cho dạng di động, cung cấp khả năng chuyển vùng – handoff và chuyển mạng – roaming Tiêu chuẩn này sử dụng phương thức đa truy cập ghép kênh chia tần số trực giao OFDMA (Orthogonnal Frequency Division Multiple Access) – là sự phối hợp của kỹ thuật ghép kênh và kỹ thuật phân chia tần số có tính chất trực giao, rất phù hợp với môi trường truyền dẫn đa đường nhằm tăng thông lượng cũng như dung lượng mạng,tăng độ linh hoạt trong việc quản lý tài nguyên, tận dụng tối đa phổ tần, cải thiện khả năng phủ sóng với các loại địa hình đa dạng Phiên bản này đã được hợp chuẩn năm 2005

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

Hình 1.2: Lộ trình công nghệ WiMAX

WiMAX đã được phát triển và khắc phục được những nhược điểm của các công nghệ truy cập băng rộng trước đây, cụ thể:

 Cấu trúc mềm dẻo:

WiMAX hỗ trợ các cấu trúc hệ thống bao gồm điểm – đa điểm, công nghệ lưới (mesh) và phủ sóng khắp mọi nơi Điều khiển truy nhập môi trường – MAC, phương tiện truyền dẫn hỗ trợ điểm – đa điểm và dịch vụ rộng khắp bởi lập lịch một khe thời gian cho mỗi trạm di động (MS) Nếu có duy nhất một MS trong mạng, trạm gốc (BS) sẽ liên lạc với MS trên cơ sở điểm – điểm Một BS trong một cấu hình điểm – điểm có thể sử dụng anten chùm hẹp hơn để bao phủ các khoảng cách xa hơn

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

 Triển khai nhanh, chi phí thấp:

So sánh với triển khai các giải pháp có dây, WiMAX yêu cầu ít hoặc không

có bất cứ sự xây dựng thiết lập bên ngoài Ví dụ, đào hố để tạo rãnh các đường cáp thì không yêu cầu Ngoài ra, dựa trên các chuẩn mở của WiMAX, sẽ không

có sự độc quyền về tiêu chuẩn này, dẫn đến việc cạnh tranh của nhiều nhà sản xuất, làm cho chi phí đầu tư một hệ thống giảm đáng kể

 Dịch vụ đa mức:

Cách thức nơi mà QoS được phân phát nói chung dựa vào sự thỏa thuận mức dịch vụ (SLA - Service-Level Agreement) giữa nhà cung cấp dịch vụ và người sử dụng cuối cùng Chi tiết hơn, một nhà cung cấp dịch vụ có thể cung cấp các SLA khác nhau tới các thuê bao khác nhau, thậm chí tới những người dùng khác nhau sử dụng cùng MS Cung cấp truy nhập băng rộng cố định trong những khu vực đô thị và ngoại ô, nơi chất lượng cáp đồng thì kém hoặc đưa vào khó khăn, khắc phục thiết bị số trong những vùng mật độ thấp nơi mà các nhân tố công nghệ và kinh tế thực hiện phát triển băng rộng rất thách thức

 Tính tương thích:

WiMAX được xây dựng để trở thành một chuẩn quốc tế, tạo ra sự dễ dàng đối với người dùng cuối cùng để truyền tải và sử dụng MS của họ ở các vị trí khác nhau, hoặc với các nhà cung cấp dịch vụ khác nhau Tính tương thích bảo

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

 Di động:

IEEE 802.16e bổ sung thêm các đặc điểm chính hỗ trợ khả năng di động Những cải tiến lớp vật lý OFDM (ghép kênh phân chia tần số trực giao) và OFDMA (đa truy nhập phân chia tần số trực giao) để hỗ trợ các thiết bị và các dịch vụ trong một môi trường di động Những cải tiến này, bao gồm OFDMA mở rộng được, MIMO (Multi In Multi Out - nhiều đầu vào nhiều đầu ra), và hỗ trợ đối với chế độ idle/sleep và handoff, sẽ cho phép khả năng di động đầy đủ ở tốc

độ tới 160 km/h Mạng WiMAX di động cho phép người sử dụng có thể truy cập Internet không dây băng thông rộng tại bất cứ đâu có phủ sóng WiMAX

Hoạt động NLOS: Khả năng hoạt động của mạng WiMAX mà không đòi hỏi tầm nhìn thẳng giữa BS và MS Khả năng này của nó giúp các sản phẩm WiMAX phân phát dải thông rộng trong một môi trường NLOS

 Phủ sóng rộng hơn:

WiMAX hỗ trợ động nhiều mức điều chế, bao gồm BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM Khi yêu cầu với bộ khuếch đại công suất cao và hoạt động với điều chế mức thấp (ví dụ BPSK hoặc QPSK) Các hệ thống WiMAX có thể phủ sóng một vùng địa lý rộng khi đường truyền giữa BS và MS không bị cản trở Mở rộng phạm vi bị giới hạn hiện tại của WLAN công cộng (hotspot) đến phạm vi rộng (hotzone) Ở những điều kiện tốt nhất có thể đạt được phạm vi phủ sóng 50 km với tốc độ dữ liệu bị hạ thấp (một vài Mbit/s), phạm vi phủ sóng điển hình là gần

5 km với CPE (NLOS) trong nhà và gần 15km với một CPE được nối với một anten bên ngoài (LOS)

 Dung lượng cao:

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

 Tính mở rộng:

Chuẩn 802.16 -2004 hỗ trợ các dải thông kênh tần số vô tuyến(RF) mềm dẻo và sử dụng lại các kênh tần số này như là một cách để tăng dung lượng mạng Chuẩn cũng định rõ hỗ trợ đối với TPC (điều khiển công suất phát) và các phép đo chất lượng kênh như các công cụ thêm vào để hỗ trợ sử dụng phổ hiệu quả Chuẩn đã được thiết kế để đạt tỷ lệ lên tới hàng trăm thậm chí hàng nghìn người sử dụng trong một kênh RF Hỗ trợ nhiều kênh cho phép các nhà chế tạo thiết bị cung cấp một phương tiện để chú trọng vào phạm vi sử dụng phổ và những quy định cấp phát được nói rõ bởi các nhà vận hành trong các thị trường quốc tế thay đổi khác nhau

 Bảo mật:

Bằng cách mã hóa các liên kết vô tuyến giữa BS và MS,sử dụng chuẩn mã hóa tiên tiến AES, đảm bảo sự toàn vẹn của dữ liệu trao đổi qua giao diện vô tuyến Cung cấp cho các nhà vận hành với sự bảo vệ mạnh chống lại những hành

Đặc điểm chính của IEEE 802.16 – 2001:

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

 Lớp vật lý PHY: WirelessMAN-SC

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

 Điều chế QPSK, 16 QAM và 64 QAM

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

 Bán kính cell: 2 – 5 km

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

1.2.2 Chuẩn IEEE 802.16a

Vì những khó khăn trong triển khai chuẩn IEEE 802.16, hướng vào việc sử dụng tần số từ 10 – 66 GHz, một dự án sửa đổi có tên IEEE 802.16a đã được hoàn thành vào tháng 11/2002 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 và không cần thoả mãn điều kiện tầm nhìn thẳng

Đặc điểm chính của IEEE 802.16a như sau:

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

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

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

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

 Bán kính cell: 6 – 9 km

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

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

1.2.3 Chuẩn IEEE 802.16-2004

Tháng 7/2004, chuẩn IEEE 802.16 – 2004 hay IEEE 802.16d được chấp nhận thông qua, kết hợp của các chuẩn IEEE 802.16 – 2001, IEEE 802.16a, ứng dụng LOS ở dải tần số 10- 66 GHz và NLOS ở dải 2- 11 GHz Khả năng vô tuyến bổ sung như là “beam forming” và kênh con OFDM

1.2.4 Chuẩn IEEE 802.16e

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

WiMAX 802.16e có hỗ trợ handoff và roaming Sử dụng SOFDMA, một công nghệ điều chế đa sóng mang Các nhà cung cấp dịch vụ mà triển khai 802.16e cũng

có thể sử dụng mạng để cung cấp dịch vụ cố định 802.16e hỗ trợ cho SOFDMA cho phép số sóng mang thay đổi, ngoài các mô hình OFDM và OFDMA Sự phân chia sóng mang trong mô hình OFDMA được thiết kế để tối thiểu ảnh hưởng của nhiễu phía thiết bị người dùng với anten đa hướng Cụ thể hơn, 802.16e đưa ra hỗ trợ cải tiến hỗ trợ MIMO và AAS, cũng như các handoff cứng và mềm Nó cũng cải tiến các khả năng tiết kiệm công suất cho các thiết bị di động và các đặc điểm bảo mật linh hoạt hơn

Với những đặc điểm và sự phát tiển của các chuẩn IEEE802.16 nói trên, ta

có thể nhận thấy được sự khác nhau cơ bản cũng như tính kế thừa của các chuẩn này

Hiện nay, IEEE vẫn đang nghiên cứu và đưa ra các chuẩn 802.16 mới nhằm hoàn thiện chuẩn này Ví dụ như: IEEE 802.16f-2005, IEEE802.16g-2007 bổ sung cho thủ tục quản lý kế hoạch và dịch vụ, IEEE 802.16k-2007; IEEE 802.16-

2009 củng cố tiêu chuẩn IEEE 802,16-2.004, 802.16e-2005 và 2004/Cor1-2005, 802.16f-2005, và 802.16g-2007

802.16-1.3 Dải tần hoạt động

1.3.1 Băng tần đăng ký

Các giải pháp đăng ký cung cấp các ưu điểm chất lượng dịch vụ được cải thiện cao hơn các giải pháp không đăng ký, chấp nhận NLOS tốt hơn ở các tần số thấp, nó có một ngân qũy công suất đường xuống rộng hơn và có thể hỗ trợ các anten trong nhà tốt hơn Giải pháp đăng ký cho phép kiểm soát qua cách sử dụng phổ và nhiễu

1.3.1.1 Băng tần đăng ký 2,5 GHz

Đã được cấp phát trong phần lớn thế giới, bao gồm bắc Mỹ, Mỹ Latin, Đông và Tây Âu và nhiều vùng của châu Á - Thái Bình Dương như một băng tần đăng ký Mỗi quốc gia thường cấp phát dải khác nhau, vì vậy phổ được cấp phát qua các vùng có thể từ 2,495 GHz đến 2,690 GHz Tổng phổ khả dụng là

195 MHz, bao gồm các dải phòng vệ và các kênh MDS, gữa 2.495 GHz và 2.690 GHz Hỗ trợ FDD, TDD Phổ trên mỗi đăng ký là 22.5 MHz, một block 16.5 MHz và một block 6 MHz, tổng số 8 đăng ký

1.3.1.2 Băng tần đăng ký 3,5 GHz

Ở Châu Âu, viện chuẩn viễn thông Châu Âu đã phân phối dải 3,5 GHz, bắt đầu được sử dụng cho WPLL, cho các giải pháp WiMAX đăng ký Tổng phổ khả dụng thay đổi theo quốc gia nhưng nói chung khoảng 200MHz giữa 3,4 GHz và 3,8 GHz Hỗ trợ FDD, TDD Một vài quốc gia chỉ sử dụng FDD trong khi các quốc gia khác cho phép sử dụng FDD hoặc TDD Phổ trên mỗi đăng ký thay đổi

từ 25MHz đến 256 MHz

1.3.2 Băng tần không đăng ký 5GHz

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

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

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

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

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

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

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

 Băng tần 3,3-3,4GHz (3,3GHz Band): được đề xuất sử dụng cho WiMAX cố định

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

 Băng tần 3,6-3,8GHz: được đề xuất sử dụng cho WiMAX cố định (WBA) và cấp cho Châu Âu Tuy nhiên, băng 3,7-3,8 GHz đã được

dùng cho vệ tinh viễn thông Châu Á, nên băng tần này không được sử dụng cho Wimax Châu Á

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

 Ngoài ra, một số băng tần khác phân bổ cho BWA cũng được một số nước xem xét cho BWA/WiMax là: băng tần 700-800MHz (< 1GHz),

Băng tần này lại là băng tần được đánh giá là thích hợp nhất cho WiMAX di động và đã được Diễn đàn WiMAX xác nhận chính thức là băng tần WiMAX Một số nước cũng đã dành băng tần này cho WiMAX như Mỹ, Mêhicô, Brazil, Canada, Singapo Vì vậy, đề nghị dành băng tần 2,5 - 2,69GHz cho WiMAX

 Băng tần 3,3 - 3,4GHz:

Theo Qui hoạch phổ tần số VTĐ quốc gia, băng tần này được phân bổ cho các nghiệp vụ Vô tuyến định vị, cố định và lưu động Hiện nay, về phía dân sự

và quân sự vẫn chưa có hệ thống nào được triển khai trong băng tần này Do đó,

có thể cho phép sử dụng WiMAX trong băng tần 3,3 - 3,4GHz

 Băng tần 3,4-3,6GHz, 3,6-3,8GHz:

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

 Băng tần 5,725 - 5,850GHz:

Hiện nay, băng tần này đã được Bộ qui định dành cho WiFi Nếu cho phép triển khai WiMAX trong băng tần này thì cũng sẽ hạn chế băng tần dành cho WiFi Băng tần này có thể thích hợp cho các hệ thống WiMAX ở vùng nông thôn, vùng sâu, vùng xa, ở đó có thể cho phép hệ thống WiMAX phát với công suất cao hơn để giảm giá thành triển khai hệ thống WiMAX Vì vậy, đề nghị cho phép triển khai WiMAX trong băng tần 5,725-5,850GHz nhưng WiMAX phải dùng chung băng tần và phải bảo vệ các hệ thống WiFi

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

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

 Băng tần 5,725-5,850GHz cho các hệ thống truy cập không dây băng rộng, kể cả

WiMAX nhưng các hệ thống này phải dùng chung băng tần với các hệ thống WiFi với điều kiện bảo vệ các hệ thống WiFi hoạt động trong băng tần này Băng tần 2,5-2,690GHz cho các hệ thống truy cập không dây băng rộng, kể

cả IMT-2000 và WiMAX

1.4 Mô hình hệ thống Wimax

Mô hình hệ thống WiMAX cũng giống như các hệ thống thông tin di động

tế bào truyền thống như hình 1.3

Hình 1.3: Mô hình hệ thống WiMAX

Hai phần chính của hệ thống WiMAX gồm:

 Trạm gốc WIMAX :

Đây là phần thiết bị giao tiếp với các hệ thống cung cấp dịch vụ mạng lõi bằng cáp quang, hoặc kết hợp các tuyến vi ba điểm - điểm kết nối với các nút quang hoặc qua các đường thuê riêng từ các nhà cung cấp dịch vụ hữu tuyến Các dịch vụ được chuyển đổi qua anten trạm gốc kết nối với các thiết bị đầu cuối WiMAX CPE qua môi trường vô tuyến

 Thiết bị đầu cuối CPE WiMAX :

Trong hầu hết các trường hợp, một đầu cuối “plug and play” đơn giản, tương tự với modem DSL, cung cấp khả năng kết nối Đối với những khách hàng được đặt ở vị trí vài km từ trạm gốc WiMAX, một anten bên ngoài tự cài đặt có thể được yêu cầu để cải thiện chất lượng truyền dẫn Để phục vụ các khách hàng

ở biệt lập, một anten chỉ dẫn trỏ đến trạm gốc WiMAX có thể được yêu cầu Với các khách hàng yêu cầu thoại thêm vào các dịch vụ băng rộng, CPE cụ thể sẽ cho phép kết nối bình thường hoặc các cuộc gọi điện thoại VoIP Cuối cùng thì chip WiMAX sẽ được nhúng trong các thiết bị trung tâm dữ liệu

Hình 1.4: Mô hình Kết nối WiMAX giữa các tòa nhà chính

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 đạt tốc 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 dụng lớn

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

Hình 1.5: Miền Fresnel thứ nhất

Trong trường hợp truyền NLOS, hệ thống sử dụng băng tần thấp hơn 2GHz-11GHz, tương tự như WLAN, tín hiệu có thể vượt các vật chắn thông qua đường phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ …để đến đích Các tín hiệu nhận được ở phía thu bao gồm sự tổng hợp các thành phần nhận được từ đường đi trực tiếp, các đường phản xạ, năng lượng tán xạ và các thành phần nhiễu xạ Những tín hiệu này có những khoảng trễ, sự suy giảm, sự phân cực và trạng thái ổn định liên quan tới đường truyền trực tiếp là khác nhau

Hình 1.6: Sự phản xạ các tín hiệu từ nơi phát đến nơi thu

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 các ứng dụng NLOS Nếu chỉ đơn thuần tăng công suất phát để “vượt qua” các chướng ngại vật không phải là công nghệ NLOS Điều kiện phủ sóng của cả LOS và NLOS bị chi phối bởi các đặc tính truyền sóng của môi trường, tổn hao trên đường truyền và công suất của đường truyền vô tuyến

1.5 Các ưu nhược điểm của WiMAX

1.5.1 Ưu điểm

Được xây dựng dựa trên tiêu chuẩn IEEE.802.16, WiMAX là hệ thống đa truy nhập không dây băng rộng dùng công nghệ OFDM với cả hai kiểu đường truyền LOS và NLOS Và hệ thống WiMAX có một vài ưu điểm sau:

 Thông lượng:

Với việc sử dụng các mô hình điều chế hết sức linh hoạt và mạnh mẽ, WiMAX có thể cung cấp thông lượng cao trong một vùng bao phủ rộng Các mô hình điều chế thích ứng động cho phép các BS cân bằng giữa thông lượng và khoảng cách Ví dụ, giả dụ như lúc này đang sử dụng mô hình điều chế 64QAM, nếu với mô hình này, một BS không thể thiết lập một liên kết mạnh, tức là liên kết mà trên đó có thể thực hiện được việc truyền dữ liệu ở một mức tối thiểu có thể chấp nhận được, tới một thuê bao ở một khoảng cách nào đó, thì mô hình điều chế 16QAM hoặc QPSK sẽ được sử dụng, đồng nghĩa với tốc độ được giảm

đi nhưng khoảng cách truyền dữ liệu xa hơn Thông lượng lớn nhất trong WiMAX có thể đạt được là khoảng 70Mbps trong điều kiện truyền tốt

 Độ bao phủ rộng hơn:

WiMAX hỗ trợ các điều chế đa mức, bao gồm BPSK, QPSK, 16-QAM, và 64-QAM Khi được trang bị với một bộ khuếch đại công suất lớn và hoạt động với điều chế mức thấp như BPSK hoặc QPSK, các hệ thống WiMAX có thể bao phủ một vùng địa lý rộng khi giữa BS và SS không bị vật cản

Hình 1.7: Mô hình các kỹ thuật điều chế

 Khả năng mở rộng:

Để thực hiện dễ dàng việc triển khai hệ thống WiMAX ở cả dải tần cấp phép và dải tần miễn phí, chuẩn 802.16 cung cấp một cách linh động các băng thông kênh truyền Ví dụ, nếu một nhà điều hành mạng được đăng kí 20MHz tần phổ, nhà điều hành mạng đó có thể chia làm hai sector, mỗi sector 10MHz, hoặc

là 4 sector, mỗi sector là 5MHz, điều này ưu việt hơn hẳn so với một số mạng băng rộng khác có độ rộng kênh cố định như WiFi Bằng việc tập trung công suất

và tái sử dụng tần số, nhà điều hành vẫn có thể đảm bảo được chất lượng, vùng bao phủ cũng như phần nào thông lượng kênh truyền

 Phạm vi bao phủ:

Để hỗ trợ một cách mạnh mẽ và linh động các mô hình điều chế, WiMAX cũng cung cấp các công nghệ làm tăng phạm vi bao phủ, bao gồm kĩ thuật cấu hình lưới kết hợp với hệ thống anten thông minh

 Chất lượng dịch vụ (QoS):

Khả năng cung cấp dịch vụ thoại là đặc biệt quan trọng, nhất là trong môi trường toàn cầu như hiện nay Chính vì vậy WiMAX cung cấp các thành phần đảm bảo QoS cho phép triển khai các dịnh vụ thoại, video với độ trễ thấp Tính năng hỗ trợ trong lớp MAC của chuẩn 802.16 cho phép một nhà điều hành mạng

có thể cung cấp đồng thời các dịch vụ với độ đảm bảo khác nhau như dịch vụ T1 hoặc best-effort, giống như trong truyền cáp

 Bảo mật cao:

WiMAX hỗ trợ ASE (chuẩn mật mã hóa tiên tiến) và DES ( trong đó là chuẩn mật mã hóa số liệu) Bằng cách mật mã hóa các liên kết giữa BS và SS,

WiMAX cung cấp các thuê bao riêng nhằm mục đích chống nghe trộm và bảo mật trên giao diện không dây băng rộng Bảo mật cũng cung cấp cho các nhà khai thác sự bảo vệ mạnh mẽ, chống ăn trộm dịch vụ WiMAX cũng được xây dựng hỗ trợ VLAN, và cung cấp sự bảo vệ dữ liệu được truyền bởi các người sử dụng khác nhau trên cùng một BS Tính năng bảo mật được tích hợp sẵn trong chuẩn 802.16 cung cấp một cơ chế truyền thông tin cậy và an toàn Chuẩn 802.16 định nghĩa riêng một lớp con cho bảo mật thuộc lớp MAC gọi là Secure-Sublayer

1.5.2 Nhược điểm

Với bất kỳ hệ thống truyền thông vô tuyến nào thì ảnh hưởng của môi trường truyền sóng là không thể tránh khỏi, hệ thống WiMAX cũng có những hạn chế về đường truyền:

 Ảnh hưởng của thời tiết xấu, mưa to có thể làm gián đoạn các dịch vụ

 Các sóng vô tuyến điện lân cận có thể gây nhiễu với kết nối WiMAX, và

là nguyên nhân gây ra sự suy giảm dữ liệu trên đường truyền hoặc làm mất kết nối

 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

1.6 Cấu trúc của WiMAX

Về cấu trúc phân lớp, hệ thống WiMAX được phân chia thành 4 lớp:

 Lớp con tiếp ứng giữ vai trò giao diện giữa lớp đa truy nhập và các lớp bên trên

Hình 1.8: Mô hình phân lớp trong hệ thống WiMAX so với OSI

1.6.1 Các đặc tính của lớp vật lý

Có 3 kiểu lớp vật lý 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 FFT Điều này 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 dụng bằng cách gửi một tập con nhiều sóng mang cho các máy thu riêng biệt

Đầu tiên là Wireless Metropolitan Area Network - Single carrier physical layer dựa trên tập chuẩn 802.16c, hoạt động ở băng tần 11-66GHz Trạm gốc BS chỉ cần một anten đẳng hướng, truyền dữ liệu hướng xuống các user đã có mã số nhận dạng kết nối Các máy thu SS với các anten định hướng, hướng về phía các

BS Tín hiệu xử lý phía máy phát bao gồm: ngẫu nhiên hoá, mã hoá sửa lỗi, sắp xếp các kí hiệu, sửa dạng xung 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 chuỗi 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 động VCO của máy thu có thể khoá pha tại các tần số này thay vì nhận tần số sóng mang, điều này sẽ dẫn đến không giải điều chế được và sẽ mất thông tin của luồng dữ liệu Bộ mã hoá sửa lỗi FEC bao gồm mã Reed Solomon, mã chập, có thể có thêm mã kiểm tra chẵn

lẻ hay mã xoắn turbo (CTC) Tỉ lệ mã phụ thuộc vào điều kiện của kênh truyền

và tỉ số lỗi bit BER Các kĩ thuật điều chế thường là QPSK, 16QAM, đôi khi sử dụng 64QAM Chuẩn này áp dụng cho kết nối ba điểm - điểm (PPP) và điểm - đa điểm (PMP); giúp tiết kiệm thời gian, chi phí hơn so với việc lắp đặt dây cáp Ngoài ra, tập chuẩn 802.16a cũng hỗ trợ WirelessMAN PHY SC nhưng dành cho băng tần dưới 11GHZ và hoạt động trong NLOS Máy thu có thể là một máy tính với với modem gắn ngoài nối với một anten đẳng hướng Tập chuẩn này cũng hỗ trợ song công TDD và FDD, như chuẩn 802.16c, sử dụng thêm các

kĩ thuật cân bằng và ước lượng kênh để khắc phục hiệu ứng đa đường, và để nâng chất lượng tín hiệu vẫn phải sử dụng điều chế mắc lưới (TCM), FEC, ghép xen, hệ thống anten thích ứng (AAS), mã hoá không gian thời gian (STC) WirelessMAN 256 sóng mang dựa trên chuẩn 802.16d, cung cấp dịch vụ kết nối băng rộng trong nhà Các máy thu là các thiết bị anten dùng trong nhà và

có thể di chuyển với tốc độ thấp Nhờ sử dụng OFDM nên cho phép kết nối NLOS dưới 11GHz, và làm bỏ bớt khối cân bằng trong bộ thu Các kĩ thuật hỗ trợ cũng gồm: FEC với Reed-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 Wireless MAN OFDMA 2048 sóng mang: tương tự như Wireless MAN 256 sóng mang nhưng có nhiều ưu điểm hơn Dựa trên chuẩn 802.16e (2005), với sự hỗ trợ của OFDMA ở lớp vật lý, cho phép các user di chuyển với tốc độ cao, khoảng gần 125km/s, sử dụng mã hoá kênh là mã xoắn, mã xoắn turbo, mã khối, mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp (LDPC); dữ liệu được ngẫu nhiên hoá, ghép xen để tránh tổn thất khi khôi phục và lỗi cụm Ngoài kĩ thuật AAS, STC còn sử dụng thêm phân tập thu phát MIMO

1.6.2 Các đặc tính của lớp truy nhập (MAC)

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

là đơn sóng mang, 256 OFDM, 2048 OFDMA Lớp MAC này là kết nối được định hướng điểm - đa điểm Hoạt động truy nhập kênh ở lớp MAC của WiMAX hoàn toàn khác so với WiFi WiMax hỗ trợ phương pháp truyền song công FDD

và TDD sử dụng kỹ thuật truy nhập TDMA/OFDMA

Ưu điểm của phương pháp này là nó cho phép linh động thay đổi độ rộng băng tần lên hoặc xuống, dẫn đến có thể thay đổi tốc độ phát hoặc thu dữ liệu chứ không phải là cố định như trong ADSL hay CDMA

Trong WiFi tất cả các trạm truy nhập một cách ngẫu nhiên đến điểm truy cập, chính vì vậy khoảng cách khác nhau từ mỗi nút đến AP sẽ làm giảm thông lượng mạng Ngược lại, ở lớp MAC của chuẩn 802.16, lịch trình hoạt động cho mỗi thuê bao được định trước, do vậy các trạm chỉ có duy nhất một lần cạnh tranh 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 của việc đặt lịch trình là chế độ truyền dẫn vẫn hoạt động ổn định trong trường 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 bằng việc cân bằng nhu cầu truyền thông giữa các thuê bao

Do 1xEVDO và HSDPA/HSPA được phát triển từ tiêu chuẩn CDMA 3G để cung cấp dịch vụ số liệu thông qua mạng ban đầu được thiết kế cho dịch vụ thoại di động do đó nó thừa hưởng cả những ưu điểm và cả những hạn chế của hệ thống 3G WiMAX ban đầu được phát triển cho truy nhập vô tuyến băng rộng cố định và nó được tối ưu cho truyền số liệu WiMAX di động được phát triển trên cơ sở của WiMAX cố định và được điều chỉnh để phù hợp cho yêu cầu di động Việc so sánh giữa các thuộc tính của WiMAX di động với 3G trên cơ sở hệ thống 1x EVDO và HSDPA/HDPA sẽ cho ta thấy rõ công nghệ nào sẽ đáp ứng được các đòi hỏi của

mạng địch vụ số liệu băng rộng di động Các thuộc tính cụ thể được đưa ra trong bảng 1.1

Đa truy nhập h.lên

mềm ảo khởi đầu từ

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

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

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

 VoIP

Kết luận chương : Trong chương này e đã trình bày về những khái niệm cơ bản, về cấu trúc, các băng tần sử dụng, các ứng dụng thực tế và những ưu nhược điểm của công nghệ WiMAX

CHƯƠNG II

CÁC KỸ THUẬT SỬ DỤNG TRONG WIMAX

2.1 Kỹ thuật điều chế OFDM

2.1.1 Giới thiệu

Phương thức truyền dữ liệu bằng cách chia nhỏ ra thành nhiều luồng bit và

sử dụng chúng để điều chế nhiều sóng mang đã được sử dụng cách đây hơn 30 năm Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM là một trường hợp đặc biệt của truyền dẫn đa sóng mang, tức là chia nhỏ một luồng dữ liệu tốc độ cao thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và được truyền đồng thời trên cùng một kênh truyền Kỹ thuật OFDM là một phương thức điều chế thích hợp cho các kênh truyền có đáp tuyến tần số không phẳng, kỹ thuật OFDM do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ, trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tín hiệu ở các sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu

Trong kỹ thuật OFDM, băng thông khả dụng được chia thành một số lượng lớn các kênh con, mỗi kênh con nhỏ đến nỗi đáp ứng tần số có thể giả sử như là không đổi trong kênh con Luồng dữ liệu chính được chia thành những luồng dữ liệu con, mỗi luồng dữ liệu con được truyền trên một kênh con khác nhau Những kênh con này trực giao với nhau Chính điều quan trọng này làm giảm nhiễu xuyên

kí tự giữa các symbol và làm hệ thống OFDM hoạt động tốt trong các kênh fading nhiều tia Trong các sóng mang phụ thì sóng mang phụ này trực giao với các sóng mang phụ khác có nghĩa là có một số nguyên lần lặp trên một chu kỳ kí tự Vì vậy, phổ của mỗi sóng mang bằng “0” tại tần số trung tâm của tần số sóng mang khác trong hệ thống Kết quả là không có nhiễu giữa các sóng mang phụ

Trong hệ thống FDM truyền thống, băng tần số của tổng tín hiệu được chia thành N kênh tần số con không trùng lắp Mỗi kênh con được điều chế với một sóng mang con riêng lẻ và sau đó N kênh con được ghép kênh tần số với nhau Điều này giúp tránh việc chồng lấp phổ của những kênh và giới hạn được nhiễu xuyên kênh Tuy nhiên, điều này dẫn đến hiệu suất sử dụng phổ thấp

Ý nghĩa của trực giao cho ta biết rằng có một sự quan hệ toán học chính xác giữa những tần số của các sóng mang trong hệ thống Trong hệ thống ghép kênh phân chia tần số thông thường, nhiều sóng mang được cách nhau bởi một khoảng bảo vệ để cho tín hiệu có thể thu được tại đầu thu bằng các bộ lọc và bộ giải điều chế thông thường Trong những bộ thu như thế, các khoảng tần bảo vệ được đưa vào giữa những sóng mang khác nhau và trong miền tần số sẽ làm cho hiệu suất

sử dụng phổ giảm đi

Vào năm 1971, Weinstein và Ebert đã ứng dụng biến đổi Fourier rời rạc (DFT) cho hệ thống truyền dẫn dữ liệu song song như một phần của quá trình điều chế và giải điều chế Điều này làm giảm đi số lượng phần cứng cả ở đầu phát và đầu thu Thêm vào đó, việc tính toán phức tạp cũng có thể giảm đi một cách đáng kể bằng việc sử dụng thuật toán biến đổi Fourier nhanh (FFT), đồng thời nhờ những tiến bộ gần đây trong kỹ thuật tích hợp với tỷ lệ rất cao và kỹ thuật xử lý tín hiệu số đã làm được những chíp FFT tốc độ cao, kích thước lớn có thể đáp ứng cho mục đích thương mại và làm giảm chi phí bổ sung của những hệ thống OFDM một cách đáng kể

Hiện nay, kỹ thuật OFDM được sử dụng trong nhiều hệ thống như ADSL, các hệ thống không dây như chuẩn 802.11 trong Wi-Fi và chuẩn 802.16 trong WiMAX, phát quảng bá âm thanh số, và phát quảng bá truyền hình số mặt đất chất lượng cao

2.1.2 Nguyên lý cơ bản của OFDM

Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia nhỏ một luồng dữ liệu tốc độ cao thành N luồng dữ liệu song song tốc độ thấp hơn nhờ bộ biến đổi nối tiếp sang song song Thông thường N nhận giá trị bằng 2 lũy thừa của một số nguyên để có thể áp dụng kỹ thuật IFFT/FFT tạo sóng mang con Và các luồng dữ liệu này được phát trên một sóng mang con khác nhau Các sóng mang con này là trực giao với nhau, điều này được thực hiện bằng cách chọn độ giãn tần số một cách hợp lý Bởi vì khoảng thời symbol tăng lên làm cho các sóng mang con song song có tốc độ thấp hơn, cho nên lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đường được giảm xuống Nhiễu xuyên ký tự ISI được hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa

vào một chuỗi bảo vệ trong mỗi symbol ký tự OFDM Trong khoảng thời bảo vệ symbol OFDM được mở rộng theo chu kỳ để tránh xuyên nhiễu giữa các sóng mang ICI Hình 2.1 so sánh phương thức điều chế FDM và OFDM

Hình 2.1: Phương thức điều chế FDM và OFDM Hình 2.1 minh họa sự khác nhau giữa kỹ thuật điều chế FDM và kỹ thuật điều chế OFDM Bằng cách sử dụng kỹ thuật OFDM, ta có thể tiết kiệm được khoảng 50% băng thông Tuy nhiên, trong kỹ thuật OFDM, chúng ta cần phải giảm xuyên nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này cần phải trực giao với nhau

2.1.3 Nguyên lý điều chế

2.1.3.1 Sơ đồ điều chế

Hình 2.2: Bộ điều chế OFDM

Giả sử băng thông hệ thống là B chia thành Nc kênh con, với chỉ số kênh con là n, n  {-L,-L+1,…,-1,0,1,…,L-1,L} , nên NFFT = 2L+1 Dòng dữ liệu đầu

vào {ai} chia thành NFFT dòng song song với tốc độ dữ liệu giảm đi NFFT lần thông qua bộ chia nối tiếp sang song song Dòng bit trên mỗi luồng song song {ai} lại được điều chế thành tín hiệu phức đa mức {dk,n}, với n là chỉ số sóng mang phụ, i là chỉ số khe thời gian tương ứng với NC bit song song sau khi qua

bộ chuyển đổi nối tiếp sang song song, k là chỉ số khe thời gian ứng với NC mẫu tín hiệu phức Các mẫu tín hiệu phát {dk,n } được nhân với xung cơ sở để giới hạn phổ của mỗi sóng mang, sau đó được dịch tần lên đến kênh con tương ứng bằng việc nhân với hàm phức jL s t

e  , các tín hiệu sóng mang này trực giao nhau Tín hiệu sau khi nhân với xung cơ sở và dịch tần cộng lại qua bộ tổng và cuối cùng được biểu diễn như sau:

t jm n

k

se kT t S

t jm n

k

s

e kT t S

Trước khi phát đi thì tín hiệu OFDM được chèn thêm chuỗi bảo vệ để chống nhiễu xuyên kí tự ISI

Phép điều chế OFDM có thể thực hiện được thông qua phép biến đổi IDFT

và phép giải điều chế OFDM có thể thực hiện được bằng phép biến đổi DFT Thay vì sử dụng IDFT người ta có thể sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT cho bộ điều chế OFDM, sử dụng FFT cho bộ giải điều chế OFDM Điều chế OFDM bằng phương pháp biến đổi ngược Fourrier nhanh cho phép một số lượng lớn các sóng mang con với độ phức tạp thấp

2.1.3.2 Tính trực giao

Các tín hiệu là trực giao nhau nếu chúng độc lập tuyến tính với nhau Trực giao là một đặc tính giúp cho các tín hiệu đa thông tin được truyền một cách hoàn hảo trên cùng một kênh truyền thông thường và được tách ra mà không gây nhiễu xuyên kênh Việc mất tính trực giao giữa các sóng mang sẽ tạo ra sự chồng lặp giữa các tín hiệu mang tin và làm suy giảm chất lượng tín hiệu và làm cho đầu thu khó khôi phục lại được hoàn toàn thông tin ban đầu

Trong hệ thống FDM thông thường, nhiều sóng mang được cách nhau một khoảng phù hợp để tín hiệu thu có thể nhận lại bằng cách sử dụng các bộ lọc và các bộ giải điều chế thông thường Trong các máy như vậy, các khoảng bảo vệ cần được dự đoán trước giữa các sóng mang khác nhau và việc đưa vào các khoảng bảo vệ làm giảm hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống

Hình 2.3: Các sóng mang trực giao trong OFDM Tuy nhiên, có thể sắp xếp các sóng mang trong OFDM sao cho các dải biên của chúng che phủ lên nhau mà các tín hiệu vẫn có thể thu được chính xác mà không có sự can nhiễu giữa các sóng mang Muốn được như vậy các sóng mang phải trực giao về mặt toán học Máy thu hoạt động như một bộ gồm bộ giải điều chế, dịch tần mỗi sóng mang xuống mức DC, tín hiệu nhận được lấy tích phân trên một chu kỳ của symbol để phục hồi dữ liệu gốc Nếu tất cả các sóng mang khác đều được dịch xuống tần số tích phân của sóng mang này (trong một chu kỳ symbol T) thì kết quả tính tích phân cho các sóng mang khác sẽ là zero Do đó các sóng mang độc lập tuyến tính với nhau trực giao nếu khoảng cách giữa các

sóng là bội số của 1/T Bất kì sự phi tuyến nào gây ra bởi can nhiễu giữa các sóng mang ICI cũng làm mất tính trực giao

Về mặt toán học, trực giao có nghĩa là các sóng mang được lấy ra từ nhóm trực chuẩn i(t)/i0,1,  có tính chất sau:

( )

2 1



Trong đó i (t)là sóng mang thứ và *k(t)là liên hợp phức của sóng mang thứ k Khoảng thời gian từ T1 đến T2 là chu kỳ của tín hiệu

Việc điều chế và giải điều chế tín hiệu OFDM được thực hiện trong miền tần

số, bằng cách sử dụng các thuật toán xử lý tín hiệu số Nguyên tắc của tính trực giao thường được sử dụng trong phạm vi xử lý tín hiệu số Trong toán học, số hạng trực giao có đýợc từ việc nghięn cứu các vector Theo định nghĩa, hai vector được gọi là trực giao với nhau khi chúng vuông góc với nhau và tích vô hướng của 2 vector là bằng 0

Hình 2.4: Mô hình trực giao

2.1.3.3 Tính trực giao trong miền tần số

Một cách khác để xem tính trực giao của tín hiệu OFDM là xem phổ của

nó Để xem tính trực giao của những tín hiệu OFDM ta tiến hành phân tích phổ

của hàm

x

x

sin

Nhận thấy mỗi sóng mang gồm một đỉnh tại tần số trung tâm và

một số điểm “không” cách nhau bằng khoảng cách giữa các sóng mang Hiện tượng trực giao được thể hiện là đỉnh của mỗi sóng mang trùng với điểm

“không” của các sóng mang khác về mặt tần số Hình 2.5 mô tả phổ của một tín hiệu OFDM

Tính trực giao được thể hiện là đỉnh của mỗi sóng mang phụ này tương ứng với các giá trị “không” của tất cả các sóng mang phụ khác Khi tín hiệu này được

tách bằng cách sử dụng thuật toán DFT, phổ của chúng không liên tục như hình 2.5a, mà là những mẫu rời rạc Phổ của tín hiệu lấy mẫu tại các giá trị “không” trong hình 2.5b Nếu thuật toán DFT được đồng bộ theo thời gian, các mẫu tần số chồng lắp giữa các sóng mang phụ không ảnh hưởng tới bộ thu do có tính trực giao giữa các sóng mang phụ

Hình 2.5: Đáp ứng tần số của các sóng mang phụ (a), Mô tả phổ của mỗi sóng mang phụ

Giả sử x(n) có chiều dài là N (n=0, 1, 2, …, N-1) Công thức của phép biến đổi DFT là:

1, ,1,0,)

()

n x k

X

N

n

nk N

Trong đó, WNđược xác định là j N

N e W

W

 2

(

1)(

biến đổi FFT thì số phép nhân phức chỉ còn là Nlog2N

2.1.3.4.2 Kỹ thuật IFFT trong OFDM

Hình 2.6: Sơ đồ bộ điều chế OFDM sử dụng bộ điều chế IFFT