Công nghệ wimax và thực tế triển khai của alcatel lucent tại quảng ninh

Với giá thành và tính ổn định cao, giải pháp mạng không dây WiMAX sẽ là một trong những xu hướng tất yếu để mở rộng, và thay thế dần hệ thống mạng LAN truyền thống sử dụng kết nối cáp, W

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

o0o

NGUYỄN HỒNG NHUNG

N

CÔNG NGHỆ WIMAX VÀ THỰC TẾ TRIỂN KHAI CỦA ALCATEL – LUCENT

TẠI QUẢNG NINH

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS.NGUYỄN VIẾT NGUYÊN

HÀ NỘI - 2010

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ iii

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU v

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT vi

LỜI NÓI ĐẦU 1

Chương 1.TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WiMAX 3

1.1 Định nghĩa về Wimax 3

1.2 Ưu điểm của công nghệ WiMAX 4

1.3 Băng tần của WiMAX 6

1.4 Sự đi lên từ Wifi đến Wimax 7

1.6 So sánh công nghệ Wifi - Wimax 9

1.6 Hai mô hình ứng dụng WiMAX 10

1.6.1 Mô hình ứng dụng cố định (Fixed WiMAX) 11

1.6.2 Mô hình ứng dụng WiMAX di động 12

1.7 Các chuẩn của Wimax 12

1.7.1 Chuẩn IEEE 802.16 - 2001 13

1.7.2 Chuẩn IEEE 802.16a 14

1.7.3 Chuẩn IEEE 802.16c - 2002 15

1.7.4 Chuẩn IEEE 802.16d - 2004 15

1.7.5 Chuẩn IEEE 802.16e – 2005 15

Chương 2.LỚP MAC VÀ PHY TRONG CHUẨN IEEE 802.16e 18

2.1 Lớp PHY 19

2.1.1 Phương thức song công FDD và TDD 20

2.1.2 Kỹ thuật điều chế OFDM và OFDMA 21

2.1.2.1 Kỹ thuật điều chế OFDM 21

2.1.2.2 Kỹ thuật điều chế OFDMA 26

2.1.3 Scalable OFDMA ( S-OFDMA ) 29

2.1.4 Các mô hình sắp xếp sóng mang con 31

2.1.5 Cấu trúc khung PMP 33

2.2 Lớp MAC 37

2.2.1 Hỗ trợ chất lượng dịch vụ QoS 38

2.2.2 Dịch vụ lập lịch MAC 41

2.2.3 Quản trị di động 42

2.2.3.1 Chuyển giao 42

2.2.3.2 Công suất tiêu thụ 46

2.2.4 Bảo mật 47

Chương 3.CÁC ĐẶC ĐIỂM NÂNG CAO CỦA CÔNG NGHỆ MOBILE WIMAX 49

3.1 Các đặc tính lớp PHY cao cấp trong Mobile WiMAX 49

3.1.3 Yêu cầu lặp lại tự động kiểu kết hợp HARQ 52

3.1.4 Phân đoạn và tái sử dụng tần số 54

3.2 Các công nghệ Ănten thông minh 57

3.2.1 Tạo chùm tia- (Beam-Forming) 57

3.2.2 Công nghệ đa cổng vào ra (MIMO) 59

3.2.2.1 Mã hóa không gian – thời gian ( Space – Time Coding ) 59

3.2.2.2 Ghép kênh không gian ( Spactial Multiplexing ) 60

3.3 Dịch vụ Multicast và Broadcast – MBS 63

Chương 4.MÔ HÌNH VÀ KẾT QUẢ TRIỂN KHAI MẠNG MOBILE WIMAX CỦA CÔNG TY 65

4.1 Xác định khu vực triển khai mạng .65

4.1.1 Thông tin về thành phố du lịch Hạ Long 65

4.1.2 Mục tiêu dự án .66

4.2 Kiến trúc tổng quan hệ thống Mobile WiMAX 820.16e 66

4.2.1 Phần mạng truy nhập vô tuyến 67

4.2.2 Thành phần của mạng lõi 72

4.3 Cấu hình mạng Mobile WiMAX lắp đặt tại Hạ Long 74

4.4.1 Mô hình mạng và vị trí đặt trạm .74

4.4.2 Số lượng và chủng loại thiết bị 76

4.4.3 Phương án đánh địa chỉ IP và kết nối hệ thống .78

4.6 Kết quả triển khai 79

4.6.1 Vùng phủ sóng 79

4.6.1.1 Vùng phủ sóng ngoài trời 79

4.6.1.2 Thông lượng DL UDP và UL FTP trong khi di động 88

4.6.1.3 Tỉ lệ trao đổi dữ liệu thành công 91

4.6.1.4 Dịch vụ ứng dụng VoIP 94

4.6.1.5 Vùng phủ sóng trong nhà 96

4.6.2 Thông lượng 99

4.6.2.1 Thông lượng DL và UL của người dùng 99

4.6.2.2 Thông lượng DL, UL của cell 101

4.6.2.3 Quyền người dùng 104

4.6.3 Khả năng di động 107

4.6.3.1 Chuyển giao giữa các sector trong cùng một trạm 107

4.6.3.2 Chuyển giao giữa các sector của hai trạm khác nhau 110

KẾT LUẬN 114

TÀI LIỆU THAM KHẢO 115

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Mô hình mạng WiMAX 4

Hình 1.2 Đặc điểm công nghệ WiMAX 5

Hình 1.3 Mô hình mạng WiMAX cố định 11

Hình 1.4 Lịch sử phát triển của các chuẩn 802.16 13

Hình 2.1 Mô hình lớp PHY và MAC 18

Hình 2.2 Hai chế độ song công TDD và FDD 20

Hình 2.3 Kỹ thuật ghép kênh theo tần số trực giao 22

Hình 2.4 Cấu trúc của một ký hiệu OFDM 23

Hình 2.5 Công nghệ OFDM và OFDMA 26

Hình 2.6 Cấu trúc sóng mang con OFDMA 28

Hình 2.7 Kênh con hóa trong OFDMA 28

Hình 2.8 Sự tạo kênh trong mô hình FUSH 31

Hình 2.9 Cluster trong mô hình DL PUSH 32

Hình 2.10 Tile trong mô hình UL PUSH 33

Hình 2.11 Bin trong mô hình AMC 33

Hình 2.12 Cấu trúc khung OFDMA trong chế độ TDD 35

Hình 2.13 Minh họa khung OFDMA với cấu trúc đa vùng 36

Hình 2.14 Hỗ trợ QoS WiMAX di động 39

Hình 2.15 Chuyển giao cứng HHO 43

Hình 2.16 Chuyển trạm gốc nhanh ( FBSS ) 44

Hình 2.17 Chuyển giao phân tập MDHO 46

Hình 3.1 Điều chế thích nghi và mã hóa dựa trên khoảng cách với BS 50

Hình 3.2 Cơ chế yêu cầu lặp lại khi lỗi xảy ra 53

Hình 3.3 Mô hình tái sử dụng tần số 54

Hình 3.4 Phân đoạn tần số trong một cell 56

Hình 3.5 Phân đoạn tái sử dụng tần số trọng một site gồm 3 cell 57

Hình 3.6 Công nghệ tạo chùm tia Beam forming 58

Hình 3.7 Mã hoá không gian thời gian 60

Hình 3.8 Hệ thống anten MIMO 61

Hình 3.9 Hệ thống MIMO 4x4 61

Hình 3.10 Chuyển mạch thích ứng cho Anten thông minh 62

Hình 4.1 Kiến trúc mạng Mobile WiMAX ………67

Hình 4.2 Máy tính kết nối Wimax 68

Hình 4.3 Card PCMCIA 68

Hình 4.4 CPE - Zyxel MAX 206M2 69

Hình 4.5 WBS sử dụng tại Hạ Long 70

Hình 4.8 Vị trí đặt trạm 76

Hình 4.9 Sơ đồ kết nối hệ thống 79

Hình 4.10: Kết quả đo CINR của site Bài Thơ 81

Hình 4.11: Kết quả đo RSSI của site Bài Thơ 82

Hình 4.12: Kết quả đo CINR của site Hà Khánh 82

Hình 4.13: Kết quả đo RSSI của site Hà Khánh 83

Hình 4.14: Kết quả đo CINR của site Đài truyền hình 84

Hình 4.15: Kết quả đo RSSI của trạm Đài truyền hình 84

Hình 4.16: Kết quả đo CINR của trạm Cẩm Phả 85

Hình 4.17: Kết quả đo RSSI của trạm Cẩm Phả 85

Hình 4.18: Kết quả đo CINR của trạm Tuần Châu 86

Hình 4.19: Kết quả đo RSSI của trạm Tuần Châu 86

Hình 4.20: Kết quả đo CINR vịnh Hạ Long 87

Hình 4.21: Kết quả đo RSSI vịnh Hạ Long 88

Hình 4.22 UDP đường xuống khi di chuyển 90

Hình 4.23 FDP đường lên khi di chuyển 91

Hình 4.24 RSSI và CINR của MSS đường lên 93

Hình 4.25 Đồ thị thông lượng đường xuống và CINR 94

Hình 4.26 Các vị trí kiểm tra vùng phủ sóng trong nhà 98

Hình 4.27 Chuyển giao giữa 2 sector của trạm đài truyền hình 109

Hình 4.28 CINR của MSS khi trong quá trình chuyển giao trong cùng một trạm 109

Hình 4.29 Chuyển giao giữa 2 sector của trạm Đài truyền hình và Bài Thơ 112

Hình 4.30 CINR của MSS trong quá trình chuyển giao giữa hai trạm 112

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 So sánh các chuẩn 802.16 17

Bảng 2.1 Ưu điểm của OFDMA so với OFDM 29

Bảng 2.2 Các tham số tỉ lệ OFDMA 31

Bảng 3.1 Tốc độ dữ liệu PHY trong WiMAX di động với các kênh con PUSH 52

Bảng 4.1: Cấu hình các WBS 78

Bảng 4.2 Tỉ lệ trao đối dữ liệu thành công 93

Bảng 4.3 Kết quả cho dịch vụ VoIP 96

Bảng 4.4: Kết quả kiểm tra vùng phủ sóng trong nhà - bưu điện Quảng Ninh 98

Bảng 4.5: Kết quả kiểm tra vùng phủ sóng trong nhà - bưu điện khách sạn Bin Bop 99

Bảng 4.6: Kết quả kiểm tra vùng phủ sóng trong nhà – Tòa nhà chính phủ 99

Bảng 4.7 Kết quả thông lượng DL 101

Bảng 4.8 Kết quả thông lượng UL 101

Bảng 4.9 Kết quả cho thông lượng DL của cell 103

Bảng 4.10 Kết quả cho thông lượng UL của cell 104

Bảng 4.11: Kết quả về quyền người dùng 107

Bảng 4.12 Kết quả chuyển giao tần số trong giữa các sestor trong cùng một trạm 110

Bảng 4.13 Kết quả chuyển giao giữa các trạm 113

ATM Asynchronous Transfer Mode Phương thức truyễn dẫn không

đồng bộ

BTS Base Transmit Station Trạm phát sóng gốc

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CID Connection Identifier Nhận dạng kết nối

CPE Customer Premise Equipment Thiết bị người dùng

CQI Channel Quality Indicator Chỉ thị chất lượng kênh

CTC Convolutional Turbo Code Mã Turbo xoắn

DSL Digital Subcriber Line Đường dây thuê bao số

Protocol

Giao thức xác thực mở rộng

EVDO Evolution Data Only/Optimized Nâng cấp của mạng CDMA 2000

FBSS Fast Base station Switching Chuyển giao trạm gốc nhanh FBWA Fixed Broadband Wireless

Access

Truy nhập băng rộng không dây

cố định FEC Forward Error Correction Sửa lỗi tiên tiến

FDD Frequency Division Duplexing Song công phân chia theo tần số FDMA Frequency Division Multiple

Access

Đa truy nhập phân chia theo tần

số FFT Fast Fourier Tranform Biến đổi Fourier Nhanh

FCH Frame Control Header Mào đầu điều khiển khung FUSC

Hiper LAN High Performance LAN LAN chất lượng cao

IEEE Institute of Electrical and

Electronic Engineers

Hiệp hội các kỹ sư điện và điện

tử

ITU International Telecommunication

Union

Tổ chức viễn thông thế giới

ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu xuyên kí hiệu

LDPC Low Density Parity Check Kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp LLC Logical Link Control (layer) Lớp điều khiển kiên kết vật lý

phải thoả mãn tầm nhìn thẳng MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập trung gian MAI Multiple Access Interference Nhiếu đa truy nhập

MAN Metropolitan Area Network Mạng khu vực đô thị

MBS Multicast and Broadcast Service Dịch vụ đa hướng và quảng bá MHDO Macro Diversity Hand Over Chuyển giao phân tập vĩ mô MIMO Multiple-Input, Multiple-Output Nhiều đầu vào, nhiều đầu ra MPDU MAC Protocol Data Unit Khối dữ liệu giao thức MAC MSDU MAC Service Data Unit Khối dữ liệu dịch vụ MAC

NLOS Non-Line-Of-Sight Không tầm nhìn thẳng

OFDM Orthogonal Frequency Division

Multiplexing

Ghép phân chia tần số trực giao

OFDMA Orthogonal Frequency Division

Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo tần

số trực giao OSI Open Systems Interconnection Quan hệ giữa các hệ thống mở PDA Personal Digital Assistance Thiết bị hỗ trợ số cá nhân

PSTN Public Switched Telephone

Network

Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng

PUSC Partially Used Sub-Carrier Kênh con sử dụng 1 phần

Modulation

Phương pháp điều chế biên độ cầu phương

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khoá dịch chuyển pha cầu

phương SAP Service Access Point Điểm truy nhập dịch vụ

SIMO Single Input Multile Output Một đầu vào nhiều đầu ra

SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu / tập âm

SOFDMA Scalable Orthogonal Frequency

Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo tần

số trực giao thay đổi tỉ lệ STC Space Time Coding Mã hóa không gian thời gian TDD Time Division Duplexing Song công phân chia theo thời

gian TDM Time Division Multiplexing Sự truyền dồn kênh phân chia

theo thời gian TDMA

UDP

Time Division Multiple Access

User Datagram Protocol

Đa truy nhập phân chia theo thời gian

Giao thức dữ liệu người dùng

UMTS Universal Mobile Telephone

WCDMA Wideband Code Division

WLAN Wireless Local Area Network Mạng vo tuyến cục bộ

WMAN Wireless Metropolitan

AreaNetwork

Mạng vô tuyến khu vực đô thị

LỜI NÓI ĐẦU

Trong thời đại ngày nay, phát triển công nghệ thông tin gắn liền với phát triển kinh tế, sự giàu sang thịnh vượng của quốc gia Những lợi ích mà nó mang lại là không thể phủ nhận Chính vì thế việc xây dựng một hệ thống hạ tầng công nghệ thông tin vững mạnh, hiện đại sẽ là một động lực góp phần to lớn thúc đẩy sự phát triển đi lên của đất nước

Công nghệ WiMAX dùng sóng vô tuyến trong xây dựng giải pháp mạng hiện đại Với giá thành và tính ổn định cao, giải pháp mạng không dây WiMAX sẽ là một trong những xu hướng tất yếu để mở rộng, và thay thế dần hệ thống mạng LAN truyền thống

sử dụng kết nối cáp, WiMAX hỗ trợ cho nhiều thiết bị ứng dụng dựa trên chuẩn TCP/IP và việc kết nối mạng được thực hiện bất cứ nơi đâu trong vùng phủ sóng Đồng thời, một trạm phát sóng có thể cho phép hỗ trợ nhiều kết nối cũng như thiết bị truy xuất

Từ khi Wimax ra đời với chuẩn IEEE 802.16 đầu tiên được hoàn thành năm 2001

và công bố vào năm 2002, nó đã thực sự đem đến một cuộc cách mạng mới cho mạng truy cập không dây Nếu như Wireless LAN được phát triển để cung cấp dịch vụ truy nhập Internet cho mạng LAN không dây và nâng cao tính linh hoạt của truy nhập Internet cho những vùng tập trung đông dân cư trong những phạm vi hẹp, thì với WiMAX, ngoài khả năng cung cấp dịch vụ ở vùng đô thị, nó còn giải quyết được những vấn đề khó khăn trong việc cung cấp dịch vụ Internet cho những vùng thưa dân,

ở những khoảng cách xa mà công nghệ xDSL sử dụng dây đồng không thể đạt tới

Với sự định hướng và chỉ bảo tận tình của thầy TS.Nguyễn Viết Nguyên, cùng với

sự nỗ lực tìm tòi, nghiên cứu của bản thân, tôi đã chọn và hoàn thành luận văn tốt

nghiệp: “Công nghệ Wimax và thực tế triển khai của Alcatel- Lucent tại Quảng Ninh “

Cấu trúc luận văn tốt nghiệp gồm 4 chương:

ƒ Chương 1: Tổng quan công nghệ WIMAX

ƒ Chương 2: Lớp PHY và MAC trong chuẩn IEEE 802.16e

ƒ Chương 3: Những đặc điểm nâng cao của công nghệ Mobile WiMAX

ƒ Chương 4: Mô hình và kết quả triển khai Mobile WiMAX của công ty Alcatel- Lucent tại Hạ Long – Quảng Ninh

Với lòng biết ơn sâu sắc tôi xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Viết Nguyên đã tận tình chỉ bảo và hướng dẫn

Đồng thời tôi cũng xin cám ơn các cán bộ kỹ thuật của công ty liên doanh thiêt

bị viễn thông Alcatel đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn này

Do thời gian có hạn nên bản luận văn này chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, tôi rất mong nhận được các ý kiến đóng góp, chỉ bảo của các thầy cô giáo

Tôi xin chân thành cảm ơn

Học viên

Nguyễn Hồng Nhung

802.xx của IEEE Tiêu chuẩn này do hai tổ chức quốc tế đưa ra: Tổ công tác 802.16

trong ban tiêu chuẩn IEEE 802, và Diễn đàn WiMAX Tổ công tác IEEE 802.16 là người chế định ra tiêu chuẩn;còn Diễn đàn WiMAX là người triển khai ứng dụng tiêu

chuẩn IEEE 802.16

IEEE 802.16 chuẩn cung cấp giải pháp kết nối không dây băng rộng cho người dùng cố định và di động có tính kinh tế hơn mạng dùng cơ sở hạ tầng hữu tuyến Nhóm làm việc IEEE 802.16 đang phát triển chuẩn dành cho mạng WMAN với khả năng ứng dụng trên phạm vi toàn cầu từ tháng 7 năm 1999 Chuẩn IEEE 802.16 liên quan đến giao tiếp không gian giữa các thuê bao và các trạm phát sóng Chuẩn IEEE 802.16 được công bố vào ngày 8 tháng 4 năm 2002 Các chuẩn dành cho mạng WMAN có thể kết nối các điểm nóng 802.11 tới Internet và đưa ra giải pháp truy nhập băng rộng ở những chặng cuối thay thế cho DSL và cáp Chuẩn WMAN hỗ trợ các dịch vụ truy nhập không dây băng rộng tới các tòa nhà, chủ yếu thông qua các anten ngoài trời tới các trạm phát sóng cơ sở Phạm vi phủ sóng có thể lên tới 50 km và cho phép người sử dụng đạt được kết nối băng rộng mà không cần tầm nhìn thẳng tới các trạm phát sóng

Nhóm làm việc IEEE 802.16 phát triển các chuẩn truy nhập băng rộng không dây cho hệ thống ở băng tần 10- 66 GHz và dưới 11 GHz Chuẩn này tập trung vào lớp MAC và lớp vật lý

Hình 1.1 Mô hình mạng WiMAX

1.2 Ưu điểm của công nghệ WiMAX

Kiến trúc mềm dẻo: WiMAX có kiến trúc Point to Point dành cho Backhaul, Point to Multipoint cho BS đến SS Nếu chỉ có một SS trong mạng WiMAX thì BS sẽ giao tiếp với SS trên nền tảng Point to Point Các trạm BS trong mô hình Point to Point

có thể dùng một anten với độ định hướng cao để đạt được khoảng cách lớn hơn

Hình 1.2 Đặc điểm công nghệ WiMAX

Tính bảo mật cao: WiMAX hỗ trợ chuẩn mã hoá AES (Advanced Encryption Standard) và 3DES (Triple Data Encryption Standard) Với việc bảo mật tuyến giữa BS

và SS, WiMAX cung cấp sự riêng tư và an toàn ở giao tiếp không dây băng rộng Tính bảo mật của WiMAX còn cho phép các nhà vận hành mạng chống lại sự đánh cắp các dịch vụ Ngoài ra WiMAX cũng cho phép xây dựng mạng riêng ảo (VPN), cho phép bảo vệ dữ liệu được gửi đi từ những người sử dụng khác nhau trong cùng một BS

Cung cấp QoS: WiMAX cung cấp QoS trên từng kết nối đáp ứng tất cả các dịch

vụ nhạy cảm với trễ như thoại, truyền hình…và các dịch vụ đa phương tiện

Triển khai nhanh chóng: So với sự triển khai mạng hữu tuyến thì WiMAX có thể được triển khai nhanh hơn rất nhiều Chỉ với một anten và thiết bị cài đặt được cung cấp nguồn là WiMAX sẵn sàng phục vụ các dịch vụ Trong nhiều trường hợp sự triển khai WiMAX có thể được tính bằng giờ so với hàng tháng đối với các giải pháp khác

Cung cấp dịch vụ nhiều mức (Multi Level Service): Mạng Wimax đáp ứng các mức độ QoS khác nhau dựa trên thoả thuận về mức dịch vụ SLA (giữa nhà cung cấp dịch vụ và người sử dụng cuối) Ngoài ra WiMAX còn cho phép một nhà cung cấp dịch vụ có thể đưa ra các SLA khác nhau tới các thuê bao khác nhau hoặc thậm chí tới những người sử dụng khác nhau trên cùng một SS

Hoạt động tương thích với các thiết bị khác nhau (Interoperability) Công nghệ Wimax được phát triển sau nên cần phải đảm bảo khả năng tương thích với các thiết bị trước đó để có thể được thị trường chấp nhận

Khả năng di động (Portability): Giống như hệ thống cellular một WiMAX SS được bật lên tự nó sẽ xác định mình và quyết định các đặc tính đường truyền tới BS Ngay khi SS được đăng ký trong cơ sở dữ liệu của hệ thống, nó sẽ thoả thuận về đặc tính đường truyền

Khả năng di dộng hoàn toàn (Mobility): Chuẩn IEEE 802.16 sửa đổi được thêm đặc tính quan trọng là hỗ trợ di động Để đáp ứng khả năng di động lớp vật lý dùng OFDM và OFDMA được nâng cấp đáng kể Sự cải thiện này bao gồm Scaleable OFDM, MIMO (multi input- multi output) và hỗ trợ dạng Idle/sleep và handoff cho phép sự di động ở tốc độ lên tới 160 km/h

Phạm vi phủ sóng rộng: WiMAX hỗ trợ nhiều mức điều chế bao gồm BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM Khi hoạt động với bộ khuếch đại công suất lớn và mức điều chế thấp BPSK, QPSK WiMAX vẫn có thể bao phủ một vùng rộng với đường truyền giữa BS và SS trong môi trường LOS

Hoạt động trong đường truyền NLOS: WiMAX dựa trên công nghệ OFDM có khả năng xử lý trong môi trường NLOS (Non Light of Sight) mà các sản phẩm khác không thể

1.3 Băng tần của WiMAX

802.16 cho phép nhiều lớp vật lý do đó nó có thể hoạt động trong băng tần rộng

vậy, nên chuần 802.16 chia phạm vi tần số này thành các băng tần khác nhau, mỗi băng tần dùng một lớp vật lý riêng Có 3 dạng băng tần chính:

* 10-66 GHz (Licensed Band): Truyền dẫn trong băng tần này yêu cầu đường truyền LOS giữa BS và SS Vì thực tế là trong phạm vi tần số này bước sóng ngắn do

đó phải đảm bảo cân bằng sự ảnh hưởng của suy hao do đặc điểm địa hình hay do giao thoa Tuy nhiên ưu điểm của băng tần này là có thể đạt được tốc độ dữ liệu cao

* 2-11 GHz (Licensed Band): Truyền dẫn trong băng tần này không yêu cầu đường truyền LOS, tuy nhiên nếu không có đường truyền LOS thì công suất tín hiệu có thể rất khác nhau giữa BS và SS

* 2-11 GHz (Unlicensed Band): Đặc tính của băng tần 2-11GHz không cần cấp phép gần giống như băng tần được cấp phép 2-11 Ghz Tuy nhiên, vì chúng là băng tần không cần cấp phép nên không có sự đảm bảo rằng sẽ không xảy ra sự giao thoa bởi các hệ thống khác hay người dùng khác dùng cùng một băng tần

1.4 Sự đi lên từ Wifi đến Wimax

Trên thực tế, trong thời gian qua, với sự ra đời của Wifi đã làm thay đổi cách thức trao đổi thông tin của người sử dụng.Tuy nhiên, do Wifi là công nghệ được thiết

kế hướng tới các mạng LAN kh dây, chính vì vậy trong những trượng hợp cụ thể, khi

áp dụng công nghệ này cho mạng MAN, thì nó đã bộc lộ rất nhiều những hạn chế Trước hết Wifi được thiết kế cho mạng ít thuê bao,kênh truyền của nó cố định kích thước khoảng 20Mhz, do vậy rất kém linh hoạt Bên cạnh đó, Wifi không hỗ trợ kiến trúc Mesh, một kiến trúc đảm bảo sự liên thông tốt trong mạng đô thị.Hơn nữa, nếu ta truyền trong môi trường tốt, ít nhiễu, tầm nhìn thẳng ( LOS ), dụng các Anten định hướng với công suất đủ lớn thì Wifi cũng chỉ đạt tới khoảng cách vài km, rất hạn chế cho việc phủ song trong một pham vi lớn…

Sự ra đời của Wimax đã khắc phục được những nhược điểm trên của Wifi Hiện nay, Wimax được xem là một giải pháp toàn diện của công nghệ không dây băng rộng

trong đô thị, ngoại ô và những vùng nông thôn xa xôi hẻo lánh… Wimax cho phép truyền không dây các loại dữ liệu, hình ảnh, âm thanh nhanh hơn cả DSL hay cáp, và tất nhiên là nhanh hơn nhiều lần các công nghệ không dây hiện hành như 802.11a hay 802.11b mà không yêu cầu điều kiện truyền thẳng

WiMax là mạng không dây phủ sóng một vùng rộng lớn, thuận tiện cho việc triển khai mạng nhanh, thuận lợi và có lợi ích kinh tế cao so với việc kéo cáp, đặc biệt

là vùng có địa hình phức tạp Vì vậy, mạng truy nhập không dây băng rộng WiMAX sẽ đáp ứng được các chương trình phổ cập Internet ở các vùng sâu, vùng xa, nơi có mật

độ dân cư thưa Đối với các vùng mật độ dân cư vừa phải (ngoại vi các thành phố lớn nơi đòi hỏi cung cấp đa dịch vụ với chất lượng được đảm bảo) thì việc triển khai WiMAX để cung cấp các dịch vụ đa phương tiện sẽ nhanh và có hiệu quả kinh tế cao hơn và với việc cung cấp băng thông rộng sẽ đáp ứng được các yêu cầu về chất lượng WiMAX có những ưu thế vượt trội so với các công nghệ cung cấp dịch vụ băng thông rộng hiện nay về tốc độ truyền dữ liệu và giá cả thấp do cung cấp các dịch vụ trên nền

IP Với khả năng truy nhập từ xa, tốc độ dữ liệu cao đáp ứng đa dạng các dịch vụ như Internet tốc độ cao, thoại qua IP, video luồng/chơi game trực tuyến cùng với các ứng dụng cộng thêm cho doanh nghiệp như hội nghị video và giám sát video, mạng riêng

ảo bảo mật WiMAX phù hợp với các ứng dụng truy cập xách tay, với sự hợp nhất trong các máy tính xách tay và PDA, cho phép truy nhập không dây băng rộng ngoài trời ở các khu vực đô thị, đồng thời cũng thích ứng với các ứng dụng truy nhập băng rộng cố định ở những vùng xa xôi, hẻo lánh

WiMAX là một giải pháp tuyệt vời về mặt công nghệ kết nối nhưng sẽ cần một chi phí lớn phải bỏ ra để phát triển hạ tầng cho một hệ thống mới trong khi hệ thống cũ vẫn còn chưa được sử dụng hết Quả thực, nếu phải đầu tư một khoản kinh phí để triển khai WiMAX trên một quy mô lớn trong khi công nghệ 3G vẫn là tiềm năng chưa khai thác hết thì chắc chắn các công ty viễn thông sẽ phải tính toán và cân nhắc hết sức kỹ lưỡng trước khi bỏ tiền đầu tư cho việc phát triển dịch vụ này

1.5 So sánh công nghệ Wifi - Wimax

* Về tính mở rộng:

802.11 802.16a

- Kênh trong giải tần số 20 MHz

- Thiết kế cho 10s MAC

Không hỗ trợ độ trễ cho hình ảnh, âm

thanh

Hỗ trợ tiềm năng cho hình ảnh, âm thanh

Không phân chia nhiều mức dịch vụ

khác nhau cho người sử dụng

Phân chia nhiều mức dịch vụ khác nhau cho người sử dụng

Kỹ thuật điều chế TDD không đối xứng Kỹ thuật điều chế TDD, FDD, HFDD

đối xứng và không đối xứng Chất lượng dịch vụ theo mức ưu tiên Chất lượng dịch vụ theo mức tập trung

* Tầm bao phủ:

802.11 802.16a

- Tối ưu cho NLOS trong nhà

- Chưa hỗ trợ MESH

- Tối ưu cho NLOS ngoài trời

- Hỗ trợ MESH và kỹ thuật Anten tiên tiến

* Bảo mật

802.11 802.16a

Sử dụng chuẩn WEP Sử dụng Tripple DES (128bits) và RSA

(1024 bits)

1.6 Hai mô hình ứng dụng WiMAX

Tiêu chuẩn IEEE 802.16 đề xuất 2 mô hình ứng dụng:

9 Mô hình ứng dụng cố định

9 Mô hình ứng dụng di động

1.6.1 Mô hình ứng dụng 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 với các anten đặt cố định tại nhà các thuê bao Anten đặt trên nóc nhà hoặc trên cột tháp tương tự như chảo thông tin vệ tinh

user thì có thể phân tán tại các địa phương như nông thôn và các vùng sâu vùng xa khó đưa mạng cáp hữu tuyến đến đó

Sơ đồ kết cấu mạng WiMAX được đưa ra trên hình 1.6 Trong mô hình này bộ phận vô tuyến gồm các trạm gốc WiMAX BS (làm việc với anten đặt trên tháp cao) và các trạm phụ SS (SubStation) Các trạm WiMAX BS nối với mạng đô thị MAN hoặc mạng PSTN

2005

Wimax là công nghệ mới ra đời do vậy mà còn có rất nhiều vấn đề cần được nghiên cứu Trong phạm vi đề tài này, tôi chỉ tập trung nghiên cứu mạng truy nhập không dây băng rộng di động Mobile Wimax đựa theo chuẩn 802.16e

1.7 Các chuẩn của Wimax

Lịch sử phát triển các chuẩn của WiMAX được mô tả bởi Hình 1.7 sau:

Như trong định nghĩa chuẩn IEEE 802.16, một mạng vùng đô thị không dây cung cấp sự truy nhập mạng cho các tòa nhà thông qua ăngten ngoài trời có thể truyền thông với các trạm cơ sở rađiô trung tâm (BS) Do hệ thống không dây có khả năng hướng vào những vùng địa lý rộng, hoang vắng mà không cần phát triển cơ sở hạ tầng tốn kém như trong việc triển khai các kết nối cáp nên công nghệ tỏ ra ít tốn kém hơn trong việc triển khai và như vậy dẫn đến sự truy cập băng rộng tăng lên ở khắp mọi nơi Bản thiết kế MAC WirelessMAN có thể làm thích nghi mọi kết nối với chất lượng dịch vụ (QoS) hoàn hảo Với công nghệ được mở rộng theo hướng này, nó là chuẩn

được phát triển để hỗ trợ những người dùng luôn cần sự di chuyển ( ví dụ như trong xe

1.7.2 Chuẩn IEEE 802.16a

Chuẩn 802.16a được hoàn thành vào tháng 11 - 2002 và được công bố vào tháng

4 - 2003 Chuẩn này cung cấp khả năng truy cập băng rộng không dây ở đầu cuối và điểm kết nối bằng băng tần 2-11 GHz, bao gồm cả những phổ cấp phép và không cấp phép, với khoảng cách kết nối tối đa có thể đạt tới 50 km trong trường hợp kết nối điểm điểm và 7-10 km trong trường hợp kết nối từ điểm đa điểm Tốc độ truy nhập có thể đạt tới 70 Mbps

Trong khi với dải tần 10-66Ghz chuẩn 802.16 - 2001 phải yêu cầu tầm nhìn thẳng, thì với dải tần 2-11Ghz chuẩn 802.16a cho phép kết nối mà không cần thoả mãn điều kiện tầm nhìn thẳng, tránh được tác động của các vật cản trên đường truyền như cây cối, nhà cửa Chuẩn này sẽ giúp ngành viễn thông có các giải pháp như cung cấp băng thông theo yêu cầu, với thời gian thi công ngắn hay băng thông rộng cho hộ gia đình

mà công nghệ thuê bao số hay mạng cáp không tiếp cận được So sánh với những tần

số cao hơn, những phổ như vậy tạo cơ hội để thu được nhiều khách hàng hơn với chi phí chấp nhận được, mặc dù các tốc độ dữ liệu là không cao Tuy nhiên, các dịch vụ sẽ hướng tới những toà nhà riêng lẻ hay những xí nghiệp vừa và nhỏ

1.7.3 Chuẩn IEEE 802.16c - 2002

Chuẩn IEEE 802.16c được đưa ra vào tháng 9/2002 Chuẩn được nâng cấp lên

từ chuẩn 802.16 – 2001 Bản cập nhật đã sửa một số lỗi và sự mâu thuẫn trong bản tiêu chuẩn ban đầu và thêm vào một số profiles hệ thống chi tiết cho dải tần 10 – 66 GHz

1.7.4 Chuẩn IEEE 802.16d - 2004

Chuẩn IEEE 802.16-2004 được chính thức phê chuẩn ngày 24/07/2004 và được công bố rộng rãi vào tháng 9/2004 IEEE 802.16 – 2004 thường được gọi với tên 802.16-REVd Chuẩn này được hình thành dựa trên sự tích hợp các chuẩn 802.16-

2001, 802.16a, 802.16c Chuẩn mới này đã được phát triển thành một tập các đặc tả hệ thống có tên là IEEE 802.16-REVd, nhưng đủ toàn diện để phân loại như là một sự kế thừa hoàn chỉnh chuẩn IEEE 802.16 ban đầu

Chuẩn 802.16d hỗ trợ cả 2 dải tần số, cho phép kết nối thực hiện ở các môi trường khác nhau:

- Băng tần 10 – 66 Ghz: với băng tần này thường được dùng trong môi trường tầm nhìn thẳng ( LOS ) Độ rộng kênh được khuyến nghị cho dải tần này là 25 đến 28 MHz Nó cung cấp khả năng hỗ trợ tốt trong những ứng dụng mô hình điểm –

đa điểm

- Băng tần 2 – 11 GHz: với băng tần này thường được dùng trong môi trường không trong tầm nhìn thẳng ( NLOS ).Nó cung cấp khả năng hỗ trợ tốt trong những ứng dụng mô hình Mesh

1.7.5 Chuẩn IEEE 802.16e – 2005

Chuẩn 802.16e - 2005 được tổ chức IEEE đưa ra vào tháng 11 - 2005 Đây là phiên bản phát triển dựa trên việc nâng cấp chuẩn 802.16 - 2004 nhằm hỗ trợ thêm cho

các dịch vụ di động Chuẩn này sử dụng kỹ thuật đa truy nhập SOFDMA ( Scalable

Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access ), kỹ thuật điều chế đa sóng mang

sử dụng kênh phụ Băng tần được khuyến cáo dành cho chuẩn là < 6Ghz để phục vụ cho các ứng dụng trong môi trường không trong tầm nhìn thẳng và ứng dụng di động Tuy tốc độ và khả năng bao phủ không được lớn như chuẩn cố định, nhưng với kênh băng thông 10 Mhz, nó cũng có thể đạt tới tốc độ 30 MHz, với khả năng bao phủ tới 15

km Một đặc điểm nổi bật của chuẩn này là có thể ứng dụng trong môi trường di động với tốc độ lý thuyết có thể lên tới đến 120 km/h

► Với những đặc điểm và sự phát triển của các chuẩn 802.16 nói trên, ta có thể nhận thấy được sự khác nhau về cơ bản, cũng như nhận biết được những tính kế thừa của các chuẩn này

Môi trường

truyền Line of Sight Non Light of Sight

Non Light of Sight

Mức di động Cố định Cố định

Có thể cho tốc

độ di chuyển thấp

Băng thông

kênh 20,25,28MHz Dải kênh 1.25-20 MHz

Tương tự 802.16a Bán kính cell 1.7-5km 5 tới 10km; tối đa 50 km tùy 1.7-5km

thuộc vào điều kiện truyền

Bảng 1.1 So sánh các chuẩn 802.16

Như đã đề cập ở phần đầu chương, WiMAX – hay còn gọi theo tên kỹ thuật là chuẩn 802.16 - tập trung vào 2 lớp thấp nhất của mô hình OSI, đó là lớp PHY và lớp MAC Chương tiếp theo chúng ta sẽ cùng nghiên cứu về vai trò cũng như đặc tính

kỹ thuật của 2 lớp này đối với chuẩn IEEE 802.16e trong việc phát triển WiMAX di động.

Chương 2

LỚP MAC VÀ PHY TRONG CHUẨN IEEE 802.16e

Chuẩn IEEE 802.16 đã đưa ra một mô hình cho hệ thống truy cập không dây băng rộng, nó là chuẩn thiết kế cho hai lớp thấp nhất trong mô hình OSI là lớp PHY và lớp MAC Chuẩn này đưa ra nhiều cấu hình dành cho lớp PHY như lớp vật lý đơn sóng mang (SC PHY layer), lớp vật lý OFDM (OFDM PHY layer), lớp vật lý OFDMA (OFDMA PHY layer) Các lớp vật lý này sẽ được các nhà sản xuất lựa chọn khi sản xuất thiết bị Đối với chuẩn 802.16e của WiMAX di động thì vị trí tương đối của lớp PHY và lớp MAC được trình bày như hình 2.1:

Hình 2.1 Mô hình lớp PHY và MAC

Trong những công bố đầu tiên của chuẩn IEEE 802.16 chỉ ra rằng nó hoạt động

Nhưng đã được sửa đổi và chỉ ra ở trong chuẩn IEEE 802.16e, thiết kế cho các hệ thống hoạt động ở dải tần từ 2 GHz đến 6 GHz Ý nghĩa quan trọng của sự khác nhau giữa hai băng tần trên đó là khả năng hỗ trợ trong tầm nhìn không thẳng NLOS và ở tần số thấp khi mà các thiết bị không thể thực hiện được ở tần số cao.Lớp MAC mô tả

trong 802.16e bao gồm 3 lớp con: Lớp con hội tụ chuyên biệt dịch vụ ( Service Specific

Convergence Sublayer ), lớp con MAC phần chung ( MAC Common Part Sublayer ) và

lớp con bảo mật ( Privacy Sublayer )

2.1 Lớp PHY

Với những công bố của chuẩn 802.16e, lớp PHY chỉ định hoạt động ở tần số từ

2 – 6 GHz, được thiết kế với khả năng linh hoạt cao để có thể cho phép các nhà cung cấp dịch vụ có thể triển khai hệ thống một cách tích cực phù hợp với việc thiết kế cell, chi phí, khả năng truyền sóng, dịch vụ và băng thông

Chuẩn này có kiến trúc điểm - đa điểm, nên về cơ bản BS truyền một tín hiệu TDM với những trạm thuê bao riêng lẻ được định vị những khe thời gian theo chu kỳ Tuy nhiên để có thể sử dụng phổ một cách linh hoạt nhất, cả 2 phương thức TDD và FDD đều được hỗ trợ Cả 2 dạng này đều sử dụng định dạng truyền dẫn burst mà được

hỗ trợ trong cơ chế đóng khung để các thông số burst thích ứng với các thông số truyền dẫn, bao gồm cả phương thức điều chế và mã hoá, có thể điều chỉnh một cách riêng biệt cho mỗi SS dựa trên cơ sở từng khung một Trường hợp FDD hỗ trợ các SS song công cũng như các SS bán song công không thể đồng thời truyền và nhận tại cùng một thời điểm Việc lựa chọn TDD hay FDD hỗ trợ những burst thích hợp trong đó việc điều chế và mã hóa có thể được gán động trên từng burst một với mỗi trạm thuê bao

CPE (Customer Premise Equipment)

OFDMA PHY dựa trên một trong số những phương pháp biến đổi FFT 2048 ( thích hợp với các chuẩn sau IEEE 802.16 – 2004 ) , hay 1024, 512 và 128 point đều được hỗ trợ Sự tương hợp đó hỗ trợ cho tất cả những kênh băng thông khác nhau

2.1.1 Phương thức song công FDD và TDD

WiMAX di động hỗ trợ cả hai phương thức song công FDD và TDD trong các

mô hình ứng dụng của nó Phiên bản đầu tiên cho chuẩn Wimax di động được phê chuẩn bởi diễn đàn Wimax chỉ hỗ trợ TDD.Với những phiên bản sau, diễn đàn Wimax

sẽ đề cập đến các thông số FDD để định lại các cơ hội thị trường riêng biệt , nơi mà những yêu cầu phân định các phổ cục bộ cũng như kế thừa TDD hoặc những triển khai phù hợp hơn cho FDD

- FDD ( Frequency Division Duplexing ): kỹ thuật này chia kênh tần số ra

làm hai kênh riêng biệt, một tần số được sử dụng cho chiều lên, còn tần số còn lại được

sử dụng cho chiều xuống

- TDD ( Time Division Duplexing ): Kỹ thuật này cho phép các khung

đường lên và đường xuống có thể nằm trên cùng một kênh, tuy chúng ở những khe thời gian khác nhau

Hình 2.2 Hai chế độ song công TDD và FDD

Đối với các vấn đề nhiễu, TDD yêu cầu sự đồng bộ hóa hệ thống diện rộng Tuy nhiên, trong WiMAX di động TDD thường được ưu tiên ở chế độ song công vì những

lý do sau:

- TDD cho phép điều chỉnh tỷ lệ DL / UL ( đường xuống / đường lên ) để

hỗ trợ hiệu quả lưu lượng bất đối xứng giữa đường lên và đường xuống, trong khi với FDD, đường lên và đường xuống luôn được giữ cố định, và thông thường băng thông đường lên và đường xuống bằng nhau

- TDD bảo đảm sự trao đổi kênh nhằm hỗ trợ tốt hơn cho các kết nối thích ứng, MIMO và các công nghệ anten nâng cao khác

- Không giống như FDD yêu cầu một cặp kênh, TDD chỉ yêu cầu một kênh duy nhất cho cả đường lên và đường xuống, đem lại sự thích ứng linh động hơn cho việc cấp phát phổ tần số khác nhau

- Bộ thu phát được thiết kế cho việc thực hiện TDD cũng đơn giản hơn và

do vậy đỡ tốn kém hơn

2.1.2 Kỹ thuật điều chế OFDM và OFDMA

2.1.2.1 Kỹ thuật điều chế OFDM

Công nghệ ghép kênh phân chia tần số trực giao (OFDM: Orthogonal

Frequency Division Multiplexing) là một kỹ thuật ghép kênh mà nó được thực hiện

bằng cách chia dòng số liệu truyền đi thành nhiều các dòng số liệu song song với tốc

độ dữ liệu giảm đi Mỗi một dòng dữ liệu này sau đó được truyền lên những sóng mang riêng biệt, được gọi là các sóng mang con ( Sub – carrier ) Các sóng mang này được điều chế trực giao với nhau bằng cách chọn tần số cách quãng thích hợp giữa chúng, nghĩa là các kênh con được xếp đặt trên miền tần số cách nhau một khoảng đều đặn sao cho điểm cực đại của một kênh con là điểm không của kênh con lân cận Những sóng mang này sau đó ghép thành các kênh tần số để truyền vô tuyến

Hình 2.3 Kỹ thuật ghép kênh theo tần số trực giao

Điều này làm nguyên lý trực giao thoả mãn và cho phép chồng phổ giữa các sóng mang vì tính trực giao vẫn đảm bảo cho thiết bị thu nhận có thể phân biệt được các sóng mang con OFDM và khôi phục lại các tín hiệu này

Điều chế đa sóng mang theo tần số trực giao OFDM là một dạng đặc biệt của phép điều chế đa sóng mang thông thường FDM, là công nghệ sử dụng nhiều tần số để truyền tín hiệu song song trong cùng một thời điểm

OFDM khai thác sự phân tập tần số của kênh đa đường bằng cách mã hoá

và chèn thông tin trên các sóng mang con trước khi truyền đi Điều chế OFDM có thể thực hiện được với biến đổi ngược Fourier nhanh - IFFT, phép biến đổi này cho phép một số lượng lớn các sóng mang con (lên tới 2048) với độ phức tạp thấp Trong một hệ thống OFDM, tài nguyên sẵn có trong miền thời gian chính là các symbol OFDM và trong miền tần số chính là các sóng mang con

Hiệu quả của OFDM có thể thấy được là yêu cầu về băng thông giảm đi rất nhiều nhờ việc bỏ đi khoảng bảo vệ Do đó OFDM hiệu quả hơn FDM trong trải phổ bởi khoảng cách giữa các kênh con gần nhau hơn ( gần như chúng chồng lẫn lên nhau ) Nhờ sự trực giao này mà hiệu quả sử dụng phổ tín hiệu của toàn bộ hệ thống tăng lên

rõ rệt mà không gây ra nhiễu

Một ký hiệu OFDM được tạo thành từ các sóng mang con Số lượng các sóng mang con phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ rộng kênh và mức độ nhiễu Con số này tương ứng với kích thước FFT ( Fast Fourier Transformer ) Chuẩn giao tiếp vô tuyến 802.16-2004 xác định rõ 256 sóng mang con, tương ứng với kích cỡ FFT 256 độ rộng kênh độc lập Theo cách khác, chuẩn 802.16e-2005 cung cấp các kích cỡ FFT từ 512 tới 2048 phù hợp với các độ rộng kênh từ 1.25 tới 20MHz để duy trì tương đối khoảng thời gian không đổi của ký tự và khoảng dãn cách giữa các sóng mang con độc lập với

độ rộng kênh Vì thế với công nghệ OFDM, sự kết hợp của các sóng mang con trực giao truyền song song với các ký tự có khoảng thời gian dài đảm bảo rằng lưu lượng băng thông rộng không bị hạn chế do môi trường bị che chắn tầm nhìn (NLOS) và nhiễu do hiện tượng đa đường dẫn

Cấu trúc theo miền thời gian của một symbol có dạng sau:

Hình 2.4 Cấu trúc của một ký hiệu OFDM

Tiền tố vòng - CP (cyclic prefix) chính là sự lặp lại phần dữ liệu gồm các mẫu cuối của khối được gắn vào trước một tải tin CP có thể hoàn toàn loại bỏ nhiễu xuyên

ký hiệu (ISI) miễn là thời lượng CP lâu hơn trễ kênh lan truyền Chính CP chống lại nhiễu liên khối và làm kênh quay vòng và cho phép cân bằng miền tần số với độ phức tạp thấp Tuy vậy, một hạn chế của CP là nó được thêm vào trước tải tin làm giảm hiệu suất sử dụng băng thông CP không chỉ làm giảm hiệu suất băng thông, ảnh hưởng của

CP cũng tương tự như hệ số rolloff trong các hệ thống sóng mang đơn được lọc cosine nâng Do OFDM có một phổ "tường gạch" (đan xen) rất nhọn, một tỉ lệ lớn các băng thông kênh cấp phát có thể được sử dụng cho truyền số liệu, giúp làm giảm suy hao

hiệu suất do tiền tố vòng CP

Mẫu tín hiệu OFDM có độ dài là Ts, trong đó Tb là khoảng thời gian thực của

ký hiệu, ngoài ra còn có một chuỗi bảo vệ ( Guard Interval ) có độ dài Tg, thực chất là một chuỗi tín hiệu được sao chép từ phần phía sau Tb rồi đưa lên phần trước của ký

hiệu này Do đó cấu trúc của ký hiệu OFDM sẽ là:

Ts = Tb + Tg

Sự sao chép này có tác dụng chống lại nhiễu xuyên tín hiệu gây ra bởi hiệu ứng

phân tập đa đường Nguyên tắc này được giải thích như sau:

Nếu như máy phát phát đi một khoảng tín hiệu hình sin có chiều dài là Tb Sau khi chèn chuỗi bảo vệ, tín hiệu này có chu kỳ là Ts = Tb + Tg Do hiệu ứng phân tập đa đường, tín hiệu này sẽ đến máy thu qua nhiều tuyến đường truyền với trễ truyền dẫn khác nhau Giả sử thời gian trễ truyền của tín hiệu ở đây là τ Khi đó mẫu tín hiệu sau

bị dịch sang mẫu tín hiệu trước một khoảng là τ do trễ truyền dẫn Cứ như vậy các tín hiệu tiếp theo cũng sẽ bị dịch đi một khoảng τ so với tín hiệu trước nó Tín hiệu thu được ở máy thu sẽ là tổng của tín hiệu tất cả các tuyến Sự dịch tín hiệu do trễ truyền dẫn trong các phương pháp điều chế thông thường sẽ gây ra nhiễu xuyên tín hiệu ISI Tuy nhiên trong hệ thống OFDM có sử dụng chuỗi bảo vệ sẽ loại bỏ được nhiễu này

Trong trường hợp Tg ≥ τ thì phần bị chồng lấn tín hiệu gây nhiễu ISI chỉ nằm trong khoảng của chuỗi bảo vệ Khoảng tín hiệu có ích có độ dài Ts không bị chồng lấn bởi các mẫu tín hiệu khác Ở phía thu, chuỗi bảo vệ sẽ bị gạt bỏ trước khi gửi đến bộ giải điều chế OFDM Như vậy điều kiện quyết định để đảm bảo hệ thống OFDM không bị ảnh hưởng bởi nhiễu ISI là:

Tg ≥ τ

Việc sử dụng chuỗi bảo vệ đảm bảo tính trực giao của các sóng mang phụ, do vậy đơn giản hoá cấu trúc bộ đánh giá kênh truyền, bộ cân bằng tín hiệu ở phía máy thu Tuy nhiên chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích nên phổ tín hiệu của hệ thống giảm đi một hệ số là:

η =

Ts Tg

™ Các ưu nhược điểm của phương pháp OFDM

• Ưu điểm:

- Tăng hiệu suất phổ và tốc độ dữ liệu

- Ảnh hưởng của nhiễu xuyên kí hiệu ISI giảm đi đáng kể

- Ảnh hưởng của hiệu ứng lựa chọn tần số kênh cũng giảm do kênh được chia ra

làm nhiều kênh phụ

- Độ phức tạp của bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu cho hệ thống cũng giảm đi

• Nhược điểm

- Tỉ số công suất đỉnh trên trung bình (PAPR) cao

- Nhạy cảm với sự dịch tần số.Sự dịch tần số sẽ làm giảm tính trực giao của các sóng mang

2.1.2.2 Kỹ thuật điều chế OFDMA

Truy cập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) là công nghệ đa sóng mang phát triển từ công nghệ OFDM , ứng dụng như một công nghệ đa truy cập Được diễn tả như ở biểu đồ dưới đây, OFDMA hỗ trợ các nhiệm vụ của các nhóm sóng mang con đối với các thuê bao nhất định Mỗi một nhóm sóng mang con được biểu thị như một kênh con (subchannel), và mỗi thuê bao được chỉ định một hoặc nhiều kênh con để truyền phát dựa trên mỗi yêu cầu cụ thể về lưu lượng của mỗi thuê bao

Hình 2.5 Công nghệ OFDM và OFDMA

OFDMA có một số ưu điểm như khả năng linh hoạt tăng và thông lượng và tính

ổn định được cải tiến Bằng việc ấn định các kênh con cho các thuê bao cụ thể, việc truyền phát từ một số thuê bao có thể xảy ra đồng thời mà không cần sự can thiệp nào,

do đó sẽ giảm thiểu tác động như ảnh hưởng nhiễu đa truy nhập- MAI (multiple access

interference) Hơn nữa, hiện tượng các kênh con cho phép tập trung công suất phát qua một số lượng các sóng mang con ít hơn Kết quả này làm tăng số đường truyền dẫn đến tăng phạm vi và khả năng phủ sóng

Việc sửa đổi bổ sung chuẩn IEEE 802.16e-2005 được triển khai nhằm mở rộng chuẩn vô tuyến 802.16 đáp ứng các ứng dụng di động Sự bổ sung này cho phép công nghệ OFDMA đáp ứng nhiều tính năng sử dụng một cách linh hoạt và các thách thức

về việc các thuê bao di động di chuyển nhanh trong môi trường NLOS Chuẩn 802.16e-2005 hỗ trợ 3 tuỳ chọn phân phối kênh con, tuỳ theo các tình huống sử dụng như sau:

- Các sóng mang con có thể được tán xạ thông qua kênh tần số Điều này liên quan hoàn toàn tới việc sử dụng phân hoá kênh con (sub-channelization) hoặc FUSC

- Một số nhóm sóng mang con tán xạ có thể được sử dụng để tạo thành một kênh con Điều này liên quan 1 phần tới việc sử dụng phân hoá kênh con (sub-channelization) hoặc PUSC

- Các kênh con có thể được tạo ra bởi các nhóm sóng mang con tiếp theo Điều này liên quan tới sự điều biến và mã hoá tuỳ ứng hoặc AMC

™ Cấu trúc ký hiệu OFDMA bao gồm 3 loại sóng mang con được biểu diễn như hình sau:

- Sóng mang con dữ liệu cho truyền dữ liệu

- Sóng mang con dẫn đường cho mục đích đánh giá và đồng bộ

- Sóng mang con vô dụng không dùng cho truyền dẫn mà được sử dụng cho dải bảo vệ và các sóng mang DC

Hình 2.6 Cấu trúc sóng mang con OFDMA

Trong OFDM ,tất cả các sóng mang được truyền song song với cùng 1 biên độ OFDMA chia không gian sóng mang thành NG nhóm,mỗi nhóm có NE sóng mang,và tạo thành NE kênh con, mỗi một kênh con có 1 sóng mang trên nhóm

Hình 2.7 Kênh con hóa trong OFDMA

Trường hợp OFDMA với 2048 sóng mang sẽ có NE=32 và NG=48 ở luồng xuống và NE=32 và NG=53 ở luồng lên,với các sóng mang còn lại được sử dụng cho pilot và bảo vệ Mã hoá, điều chế và biên độ được phân biệt cho mỗi 1 kênh con phụ thuộc vào điều kiện kênh để tối ưu hoá tài nguyên mạng

Các sóng mang con tích cực ( dữ liệu và dẫn đường ) được nhóm lại thành những tập hợp con gọi là kênh con.Lớp vật lý ( PHY ) Wimax OFDMA hỗ trợ kênh con hóa theo cả 2 hướng DL và UL Đơn vị tài nguyên tần số - thời gian tối thiểu của kênh con hóa là một khe, tương đương với 48 nhịp dữ liệu ( sóng mang con )

Việc sửa đổi bổ sung chuẩn IEEE 802.16e-2005 được triển khai nhằm

mở rộng chuẩn vô tuyến 802.16 đáp ứng các ứng dụng di động Sự bổ sung này cho phép công nghệ OFDMA đáp ứng nhiều tính năng sử dụng một cách linh hoạt và các thách thức về việc các thuê bao di động di chuyển nhanh trong môi trường NLOS

™ Ưu điểm của OFDMA so với OFDM

Thay đỗi cỡ

FFT

Không(chỉ có 256 FFT/2.5Mhz)

Có Linh hoạt khi thiết kế hệ thống

Phân kênh

phụ UL

(option), ít mô hình sắp xếp

Có Thay đổi mô hình sắp xếp các

sóng mang phụ nhằm nâng cao chất lượng tín hiệu phù hợp với các loại dịch vụ và người dùng cố định, normaldic hay di động

Bảng 2.1 Ưu điểm của OFDMA so với OFDM

2.1.3 Scalable OFDMA ( S-OFDMA )

Mạng truy cập không dây diện rộng OFDMA theo chuẩn IEEE 802.16e –

2005 dành cho WiMAX di động dựa trên kỹ thuật S - OFDM ( Scalable OFDM ) Việc

mở rộng công nghệ S - OFDM đã hỗ trợ khả năng điều chỉnh OFDMA cho phù hợp

với độ rộng kênh đang được sử dụng S - OFDM hỗ trợ những băng thông dải rộng một

cách linh hoạt cần thiết cho sự cấp phát nhiều loại phổ khác nhau cũng như yêu cầu cho

những mô hình hữu ích khác

Theo nguyên tắc khi ấn định số lượng dải phổ dành cho các nhà cung cấp

dịch vụ khác, các thông số công nghệ OFDMA có thể được tối ưu hoá sao cho tỷ lệ với

dải băng tần cấp cho một nhà cung cấp dịch vụ cụ thể Đối với công nghệ S - OFDM,

khả năng mở rộng được hỗ trợ bằng cách điều chỉnh kích thước FFT trong khi vẫn giữ

nguyên độ rộng băng tần sóng mang con, có nghĩa là khi độ rộng kênh thay đổi, thì

kích thước FFT cũng sẽ thay đổi theo một tỷ lệ nhất định với độ rộng kênh, sao cho

khoảng cách giữa các sóng mang phụ là không đổi Ví dụ, trong kênh tần số 5GHz một

FFT kích cỡ 512 sóng mang con được xác định còn một kênh 10MHz, một FFT kích

cỡ 1024 được xác định Điều đó đảm bảo rằng cả hai hệ thống 5MHz và 10MHz có

cùng khoảng thời gian của ký tự và do đó có cùng khả năng chống méo đa đường kể cả

khi 2 hệ thống khác nhau về kích cỡ Do đó, băng thông sóng mang con theo đơn vị tài

nguyên và khoảng thời gian của ký hiệu được giữ nguyên, ảnh hưởng tới các lớp cao

hơn cũng được giảm tối thiểu khi lấy tỉ lệ băng thông