Nghiên cứu công nghệ OFDM và ứng dụng trong wimax

Giới thiệu chung Ghép kênh phân chia theo tấn 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

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

-

Phan Thị Thu Hường

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG WIMAX

Chuyên ngành : ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

LỜI CAM ĐOAN iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ix

MỞ ĐẦU xi

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Tóm tắt vấn đề nghiên cứu 1

1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước 1

1.3 Nội dung nghiên cứu, giới hạn vấn đề 3

1.4 Mục tiêu nghiên cứu 3

1.5 Phương pháp nghiên cứu 3

CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT OFDM 4

2.1 Giới thiệu chung 4

2.2 Nguyên lý làm việc của OFDM 5

2.3 Tính trực giao của tín hiệu OFDM 7

2.4 Sử dụng biến đổi IFFT để tạo sóng mang con(subcarrier) .10

2.5 ISI, ICI trong hệ thống OFDM 13

2.6 Ưu nhược điểm của hệ thống OFDM .17

CHƯƠNG 3: CÔNG NGHỆ WIMAX 19

3.1 Giới thiệu chung 19

3.2 Đặc điểm của WiMax 21

3.3 Dải tần hoạt động của Wimax 22

3.4 Chuẩn IEEE 802.16 23

3.5 Truyền sóng tầm nhìn thẳng và tầm nhìn hạn chế NLOS và LOS 27

3.5.1 LOS (Light Of Sight) 27

3.5.2 NLOS 28

3.5.3 Ảnh hưởng của khoảng cách đến mô hình truyền của hệ thống WiMax29

3.6 Các mô hình ứng dụng WiMax 30

3.6.1 Mô hình ứng dụng cố định (Fixed WiMAX) 30

3.6.2 Mô hình ứng dụng WiMAX di động 31

3.7 Cấu hình mạng 33

3.7.1 Cấu hình điểm – điểm PP 33

3.7.2 Cấu hình điểm – đa điểm PMP 33

3.7.3 Cấu hình MESH 34

3.8 Ứng dụng WiMAX 36

3.9 Ưu nhược điểm của WiMAX 37

CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG OFDM TRONG HỆ THỐNG WIMAX VÀ TRIỂN KHAI WIMAX TẠI VIỆT NAM 42

4.1 OFDM sử dụng cho việc truyền dẫn vô tuyến ở hệ thống WiMax 42

4.2 Sơ đồ khối quá trình truyền - nhận tin 45

4.3 OFDM Symbol 48

4.4 Cấu trúc khung 49

4.5 Triển khai thí điểm WiMax tại tỉnh Lào Cai 51

4.5.1 Lựa chọn tần số và thiết bị Wimax 52

4.5.1.1 Lựa chọn tần số 52

4.5.1.2 Lựa chọn thiết bị Wimax 53

4.5.2 Sơ đồ thiết kế tổng thể 56

4.5.2.1 Các yêu cầu thiết kế mô hình thử nghiệm 56

4.5.2.2 Mô hình thiết kế tổng thể 57

4.5.2.3 Địa chỉ IP sử dụng 59

4.5.3 Mô hình triển khai thử nghiệm WiMax pha 1 tại TP Lào Cai 60

4.5.3.1 Triển khai mô hình kết nối phía trạm gốc BS 60

4.5.3.2 Triển khai mô hình kết nối phía người dùng 61

4.5.3.3 Phương án triển khai ứng dụng VoIP 62

4.5.3.4 Kết quả thử nghiệm giai đoạn 1 tại thành phố Lào Cai 64

4.5.4 Mô hình triển khai thử nghiệm WiMax pha 2 tại Tả Van, Xa Pa 66

4.5.4.1 Triển khai mô hình kết nối phía trạm gốc 66

4.5.4.2 Triển khai mô hình kết nối phía người dùng 67

4.5.4.3 Phương án triển khai ứng dụng VoIP 68

4.5.4.4 Kết quả thử nghiệm giai đoạn 2 tại bản Tả Van 69

4.5.5 Cài đặt, cấu hình và kiểm tra hệ thống 69

4.5.5.1 Cài đặt và cấu hình Router Zoom 4X 69

4.5.5.2 Cài đặt và cấu hình Router LinkSys 71

4.5.5.3 Cài đặt và cấu hình tại trạm gốc BTS 73

4.5.5.4 Cài đặt và cấu hình CPE 78

4.5.5.5 Cài đặt và cấu hình Server quản trị hệ thống WiMax 80

4.5.5.6 Cài đặt và cấu hình thiết bị thử nghiệm Voice 83

4.5.6 Kiểm tra chất lượng và tính ổn đinh của hệ thống 90

4.5.6.1 Kiểm tra chất lượng mạng tại các điểm thử nghiệm 90

4.5.6.2 Kiểm tra chất lượng thử nghiệm VoIP trên nền WiMax 91

KẾT LUẬN 93

TÀI LIỆU THAM KHẢO 95

LỜI CAM ĐOAN

Luận văn tốt nghiệp “ Nghiên cứu công nghệ OFDM và ứng dụng trong WiMax” này đã được hoàn thành sau một thời gian nghiên cứu, tìm hiểu các nguồn

tài liệu sách báo chuyên ngành và thông tin trên mạng mà theo em là hoàn toàn tin cậy Nội dung của luận văn này được tổng hợp từ các tài liệu tham khảo được liệt kê

ở cuối luận văn Em xin cam đoan luận văn này không hoàn toàn giống với các công trình nghiên cứu cũng như các luận văn trước đây

Học viên: Phan Thị Thu Hường Lớp cao học ĐTVT khóa 2008-2010

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

BPSK Binary Phase Shift Keying Khoá dịch pha nhị phâ

BSC Base Station Controler Trạm điều khiển cơ sở

BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo

mã

CPE Customer Premise Equipment Thiết bị tại nhà khách hàng

DAB Digital Audio Broadcasting Hệ thống phát thanh số và

truyền số liệu tốc độ cao

DFT Discrete Fourier Transform Phép biến đổi Fourier

DVB-T Digital Video Broadcasting –

Terrestrial

Hệ thống truyền hình số mặt đất

FDD Frequency Division Duplexing Song công phân chia theo

FEC Forward Error Correction Hiệu chỉnh lỗi

FFT Fast Fourier Transform Thuật toán biến đổi nhanh

Fourier

ICI Intercarrier Interference Nhiễu liên kênh

IDFT Inverse Discrete Fourier

Transform

Phép biến đổi ngược Fourier

MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập đường

truyền MAN Metropolitan Area Network Mạng diện rộng

MIMO Multiple Input Multiple Output Hệ thống đa anten phát và

thu NLOS Non Light Of Sight Không theo tầm nhìn thẳng NMS Network Reference Provide Phần mềm quản lý hệ thống

Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao

PAN Personal Access Network Mạng truy nhập cá nhân

PDA Personal Digital Assistant Hỗ trợ cá nhân dùng kĩ thuật

số PMP Point – to - MultiPoint Điểm – Đa điểm

Modulation

Phép 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

SNR Signal to Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm

TDD Time Division Duplexing Song công phân chia theo

thời gian TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo

thời gian

WiMAX Worlwide Interoperability for

Microwave Access

Tương tác toàn cầu cho truy nhập vi ba

WLAN Wireless Local Area Network Mạng vô tuyến cục bộ

Network

Mạng vô tuyến diện rộng

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1: Các thông số kỹ thuật của chuẩn IEEE 802.16 26

Bảng 4.1: Sự suy giảm tín hiệu trong môi trường vô tuyến 43

Bảng 4.2: Bảng mô tả sửa lỗi với các lựa chọn khác nhau 46

Bảng 4.3: Bảng mô tả các thông số trong khâu biến đổi OFDM 48

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 2.1: Sóng mang OFDM (N=8) 6

Hình 2.2: Kỹ thuật đa sóng mang không chồng xung và chồng xung .7

Hình 2.3: Đáp ứng tần số của các subcarrier 9

(a) Mô tả phổ của mỗi subcarrier và mẫu tần số 9

rời rạc được nhìn thấy của bộ thu OFDM .9

(b) Mô tả đáp ứng tổng cộng của 5 subcarrier (đường tô đậm) .9

Hình 2.4: Bộ điều chế OFDM 11

Hình 2.5: Mô tả truyền tín hiệu đa đường tới máy thu .13

Hình 2.6: Chèn thời khoảng bảo vệ vào tín hiệu OFDM 15

Hình 2.7: Phổ của bốn sóng mang trực giao 16

Hình 2.8: Phổ của bốn sóng mang không trực giao 16

Hình 3.1: Môi trường LOS 27

Hình 3.2: Môi trường NLOS 28

Hình 3.3: Ảnh hưởng của khoảng cách tới hệ thống WiMax 29

Hình 3.4 : Mô hình ứng dụngWiMAX cố định 30

Hình 3.5: Mô hình ứng dụng WiMAX di động 32

Hình 3.6: Cấu hình điểm – đa điểm PMP 34

Hình 3.7: Cấu hình Mesh 35

Hình 3.8: Ứng dụng cho mạng Backhaul 36

Hình 3.9: Các tính năng của WiMax 37

Hình 4.1: Suy giảm tín hiệu theo khoảng cách 43

Hình 4.2: Quá trình truyền nhận tin 45

Hình 4.4: Cấu trúc symbol trong miền thời gian 49

Hình 4.5: Cấu trúc symbol trong miền tần số 49

Hình 4.6: Cấu trúc khung WMAN-OFDM PHY với trường hợp TDD 50

Hình 4.7: Cấu trúc khung WMAN-OFDM PHY với trường hợp FDD 51

Hình 4.8: Trung tâm quản lý 55

Hình 4.9 : Sơ đồ kết nối tổng thể 57

Hình 4.10: Sơ đồ kết nối trạm gốc BS 60

Hình 4.11: Sơ đồ kết nối đầu cuối ( End-User) 62

Hình 4.12: Sơ đồ kết nối cho ứng dụng VoIP 63

Hình 4.13: Mô hình đấu nối trạm gốc 66

Hình 4.14: Sơ đồ kết nối phía người dùng 67

Hình 4.15: Sơ đồ đấu nối hệ thống VoIP/WIMAX 68

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, các dịch vụ ứng dụng trên Internet đã có bước phát triển bùng nổ với nhiều loại hình dịch vụ mới như các dịch vụ mua bán trực tuyến, ngân hàng, du lịch hay các dịch vụ đào tạo từ xa, game trực tuyến Cùng với

sự phát triển bùng nổ của các loại hình dịch vụ trên Internet, các công nghệ truy nhập cũng liên tục được phát triển để đáp ứng những đòi hỏi ngày càng cao về băng thông cho truy nhập Internet Các công nghệ truy nhập băng rộng đã được phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây bao gồm các công nghệ truy nhập hữu tuyến

và công nghệ vô tuyến

Một loạt các chuẩn về mạng truy nhập vô tuyến băng rộng đã được nhiều tổ chức nghiên cứu, xây dựng và phát triển như chuẩn IEEE 802.11x, IEEE 802.15, IEEE 802.16, IEEE 802.20, HIPERLAN 1/2, HomeRF, chuẩn Bluetooth, vv Phạm vi ứng dụng của các chuẩn này bao trùm từ mạng cá nhân (PAN), mạng nội

bộ (LAN), mạng diện rộng (MAN) và mạng diện rộng (WAN)

Hệ thống WiMAX được sản xuất dựa trên họ tiêu chuẩn IEEE 802.16 đang được các hãng cung cấp thiết bị cũng như nhà cung cấp dịch vụ quan tâm đặc biệt Các hệ thống WiMAX cố định dựa trên chuẩn 802.16-2004 đã được sản xuất, đưa vào thử nghiệm và đã được diễn đàn WiMAX cấp chứng nhận đã cho thấy rõ những

ưu điểm của công nghệ này Hệ thống WiMAX di động dựa trên tiêu chuẩn 802.16e cũng đang được các nhà cung cấp thiết bị lên kế hoạch để đưa thiết bị vào thử nghiệm

WiMax được phát triển dựa trên nền tảng công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao Lợi ích của WiMax là khả năng ghép kênh cao, vì thế các nhà cung cấp dịch vụ có thể dễ dàng cung cấp cho khách hàng dịch vụ truy nhập không dây Ngoài ra WiMax có khả năng họat động trong môi trường NLOS

Mạng Viễn thông Việt Nam trong những năm qua đã có sự phát triển mạnh

mẽ, các hệ thống cung cấp dịch vụ truy nhập băng rộng đã và đang được triển khai tại hầu hết các tỉnh thành Tuy nhiên, phần lớn vẫn là các hệ thống xDSL

cung cấp truy nhập hữu tuyến và hệ thống WiFi với phạm vi phục vụ còn rất hạn chế Trong khi đó, nhu cầu sử dụng dịch vụ băng rộng lại đang đòi hỏi rất cấp thiết tại nhiều vùng, nhiều khu vực mà các giải pháp hiện có rất khó triển khai hoặc triển khai chậm Để có thể triển khai nhanh chóng và hiệu quả hệ thống truy nhập băng rộng tại các khu vực này thì việc nghiên cứu triển khai các hệ thống truy nhập vô tuyến băng rộng WiMAX là hết sức cần thiết

Với mục đích tìm hiểu về công nghệ WiMAX để đánh giá, lựa chọn giải pháp, thiết bị và hệ thống mạng phù hợp với điều kiện tại Việt Nam, luận văn sẽ gồm 4 chương cụ thể như sau:

Chương 1: Tóm tắt nội dung sẽ trình bày trong luận văn

Chương 2: Giới thiệu tổng quan kỹ thuật OFDM và các ưu điểm của

OFDM

Chương 3: Trình bày công nghệ WiMax và đặc điểm của WiMax

Chương 4: Trình bày ứng dụng kỹ thuật OFDM trong hệ thống WiMax

và triển khai thực tế tại Việt Nam, trong đó luận văn sẽ đi sâu vào dự án triển khai thử nghiệm công nghệ WiMax tại Lào Cai

Do hạn chế về nhiều mặt nên Luận văn chắc chắn không tránh khỏi những thiếu xót, rất mong được sự đóng góp ý kiến của Thầy, Cô và các bạn để Luận văn được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo, PGS.TS Nguyễn Văn Khang đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá trình hoàn thành luận văn Em cũng xin trân thành cảm ơn các thầy, cô, bạn bè cùng toàn thể người thân đã giúp đỡ và chỉ bảo cho em trong thời gian thực hiện luận văn này

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Tóm tắt vấn đề nghiên cứu

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

mà nó mới được ứng dụng rộng rãi những năm gần đây Những sản phẩm ứng dụng

kĩ thuật OFDM có thể kể đến WIMAX (Worlwide interoperationability for Microwaves Access), WLAN (Wireless Local Area Network) 802.1, x-DSL (x-Digital Subcriber Line) và DVT (Digital Video Broadcasting)…

Luận văn tốt nghiệp: “ Nghiên cứu công nghệ OFDM và ứng dụng trong WiMax” sẽ trình bày những nét cơ bản nhất của công nghệ OFDM, công nghệ

WiMax và ứng dụng công nghệ OFDM trong hệ thống WiMax Ngoài ra, đồ án còn

đề cập đến tình hình triển khai công nghệ WiMax tại Việt Nam

1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước

Công nghệ WiMAX, hay còn gọi là chuẩn 802.16 được biết tới là công nghệ không dây băng thông rộng Không giống các chuẩn không dây khác, WiMAX cho phép truyền dữ liệu trên nhiều dải tần, có thể tránh “đụng độ” với những ứng dụng không dây khác

WiMAX cho tốc độ cao một phần nhờ kỹ thuật OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) cho phép tăng băng thông bằng cách chia tách các kênh băng rộng thành nhiều kênh băng hẹp, mỗi kênh dùng tần số khác nhau để truyền đồng thời các gói dữ liệu

Theo thống kê trên Website của liên minh Wimax, thế giới hiện có 568 mạng

ở 148 quốc gia đang triển khai công nghệ Wimax Riêng khu vực châu Á có 100 mạng triển khai công nghệ không dây này Tại Việt Nam công nghệ này cũng đã được triển khai thử nghiệm khá sớm từ năm 2004 tới giờ

Hiện nay Việt Nam đang có bốn doanh nghiệp được Bộ Bưu chính Viễn thông cấp phép thử nghiệm dịch vụ Wimax là Tập đoàn bưu chính viễn thông VNPT (thực hiện cả Wimax cố định Fixed và di động Mobile), Tổng công ty truyền thông đa phương tiện VTC (tập trung vào dịch vụ hình, ví dụ IPTV), Tổng công ty viễn thông quân đội Viettel (Wimax di động) và Công ty cổ phần viễn thông FPT Telecom (thực hiện cả Wimax cố định và di động ở dải tần 2,3 Ghz và 3,3 Ghz) Trong đó FPT telecom đang triển khai trong giai đoạn lựa chọn thiết bị, thử nghiệm

kỹ thuật và nghiên cứu các dự án tiến hành thí nghiệm Viettel Telecom đã thử nghiệm tại Hà Nội với 72 thiết bị đầu cuối và khoảng 60 khách hàng Trước mắt khi giá thiết bị còn cao Viettel sẽ cung cấp cho khách hàng lớn chưa cung cấp rộng rãi cho khách hàng bình dân

WiMax với thế mạnh là phủ sóng Internet rộng, không căn cứ vào địa hình bằng phẳng hay hiểm trở, nên rất phù hợp cho việc phổ cập Internet băng thông rộng tại mọi miền đất nước, kể cả vùng sâu, vùng xa của Việt Nam Wimax được coi là công nghệ lý tưởng cho toàn bộ khu vực Đông Nam Á, giúp các nước trong khu vực thực hiện các mục tiêu cấp thiết như: Chính phủ điện tử, Phát triển giáo dục

và y tế, Phát triển nông nghiệp,…

Gồm hai loại hình: Wimax cố định (Fixed Wimax) và Wimax di động (Mobile Wimax), công nghệ này sẽ trở thành phổ biến trên toàn bộ các thiết bị: máy tính, điện thoại di động, PDA Wimax cố định có tốc độ tương đương với ADSL (256/512/1024/2048 ) trong khi không cần phải đi dây dẫn đến các nhà thuê bao Người dùng đầu cuối chỉ cần mua một thiết bị Indoor Wimax (kích thước bằng một modem ADSL), rồi cắm dây mạng là có thể dùng được Internet tốc độ cao Ngoài

ra, Wimax cố định cũng có thể thay thế đường truyền leased-line của các DN Bốn nhà cung cấp Việt Nam hiện tại (VNPT, FPT, VTC và Viettel) chỉ đang được cấp phép thử nghiệm dịch vụ Wimax cố định, trên tần số 3.3GHz đến 3.4GHz Cuối năm 2007, Bộ BCVT đã cấp phép cung cấp dịch vụ Wimax di động Wimax di động mới là triển vọng lớn nhất của Wimax Với công nghệ này, người dùng đầu cuối có thể được sử dụng Internet tốc độ cao lên đến 1Mbps, tại bất kỳ nơi nào

trong vùng phủ sóng bán kính rộng nhiều km Thiết bị đầu cuối của dịch vụ Wimax

di động có thể là các card PCMCIA, USB, hoặc đã được tích hợp sẵn vào trong con chip máy tính (kiểu như công nghệ Centrino của Intel)

1.3 Nội dung nghiên cứu, giới hạn vấn đề

Đề tài tốt nghiệp: “ Nghiên cứu công nghệ OFDM và ứng dụng trong WiMax” sẽ tập trung chủ yếu tìm hiểu, nghiên cứu những vấn đề sau:

- Tìm hiểu những vấn đề cơ bản nhất của công nghệ OFDM và ưu điểm của công nghệ này

- Tìm hiểu tổng quan công nghệ WiMax, các ứng dụng của WiMax

- Nghiên cứu kỹ thuật OFDM sử dụng trong hệ thống WiMax

- Nghiên cứu phương án triển khai hệ thống WiMax tại tỉnh Lào Cai

1.4 Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu việc triển khai công nghệ truy cập băng rộng không dây Wimax tại các khu vực nông thôn, vùng sâu, vùng xa và tại những địa bàn phức tạp, nhiều đồi núi sông suối, việc triển khai cáp truyền thống sẽ hết sức khó khăn

1.5 Phương pháp nghiên cứu

- Tìm hiểu và phân tích tài liệu kỹ thuật, công nghệ OFDM và WiMax

- Tìm hiểu hiện trạng, yêu cầu cũng như ứng dụng công nghệ WiMax tại Việt Nam

- Nghiên cứu, tìm hiểu một số phương án triển khai thử nghiệm hệ thống WiMax

CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT OFDM

2.1 Giới thiệu chung

Ghép kênh phân chia theo tấn 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 được truyền đồng thời trên cùng một kênh truyền.OFDM là một phương thức điều chế hấp dẫn cho các kênh có đáp tuyến tần

số không phẳng, lịch sử của OFDM được bắt đầu từ 1960

Trong 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 thông tin tổng quát được chia thành những luồng thông tin con, mỗi luồng thông tin con được truyền trên một kênh con khác nhau Những kênh con này trực giao với nhau và dễ dàng khôi phục lại ở đầu thu Chính điều quan trọng này làm giảm xuyên nhiễu giữa các symbol (ISI) và làm hệ thống OFDM hoạt động tốt trong các kênh fading nhiều tia Dựa vào các lợi ích của sự tiến bộ trong kỹ thuật RF và DSP, hệ thống OFDM có thể đạt được tốc độ cao trong truy xuất vô tuyến với chi phí thấp và hiệu quả sử dụng phổ cao

Trong hệ thống FDM (Frequency Division Multiplexer) 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 symbol 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 xuyên nhiễu giữa các kênh với nhau Tuy nhiên, điều này dẫn đến hiệu suất sử dụng phổ thấp Để khắc phục vấn đề hiệu suất, nhiều ý kiến đã được đề xuất từ giữa những năm 60 là sử dụng dữ liệu song song và FDM với các kênh con chồng lấp

nhau, trong đó mỗi sóng mang tín hiệu có băng thông 2b được cách nhau một khoảng tần b để tránh hiện tượng cân bằng tốc độ cao, chống lại nhiễu xung và

nhiễu đa đường, cũng như sử dụng băng tần một cách có hiệu quả

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 ra một phần 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 (VLSI) và kỹ thuật xử lý tín hiệu số (DSP) 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, OFDM được sử dụng trong nhiều hệ thống như ADSL,các hệ thống không dây như IEEE802.11 (Wi-Fi) và IEEE 802.16 (WiMAX), phát quảng bá âm thanh số (DAB), và phát quảng bá truyền hình số mặt đất chất lượng cao (HDTV)

2.2 Nguyên lý làm việc của OFDM

a) Khái niệm OFDM

OFDM là kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM phân toàn bộ băng tần thành nhiều kênh băng hẹp, mỗi kênh có một sóng mang Các sóng mang này trực giao với các sóng mang khác có nghĩa là có một số nguyên lần lặp trên một chu kỳ kí tự Vì vậy, phổ của mỗi sóng mang bằng “không” 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 Hình 2.1 minh họa phổ sóng mang khi N=8

Hình 2.1: Sóng mang OFDM (N=8)

b) Nguyên lý cơ bản của OFDM

Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia nhỏ một luồng dữ liệu tốc độ cao trước khi phát thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu đó trên một sóng mang con khác nhau Các sóng mang này là trực giao với nhau , điều này được thực hiện bằng cách chọn độ giãn tần số một cách hợp lý Bởi vì khoảng thời symbol tăng lên cho các sóng mang con song song 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 khoảng thời bảo vệ trong mỗi symbol OFDM Trong khoảng thời bảo vệ, symbol OFDM được mở rộng theo chu

kỳ (cyclicall extended) để tránh xuyên nhiễu giữa các sóng mang ICI

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

Hình 2.2 minh họa sự khác nhau giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang không

chồng xung và kỹ thuật đa sóng mang chồng xung Bằng cách sử dụng kỹ thuật đa

sóng mang chồng xung, ta có thể tiết kiệm được khoảng 50% băng thông Tuy

nhiên, trong kỹ thuật đa sóng mang chồng xung, chúng ta cần triệt để giảm xuyên

nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này cần phải trực giao với nhau

2.3 Tính trực giao của tín hiệu OFDM

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(multiple information ssignal)

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 OFDM, các sóng mang con được chồng lắp với nhau nhưng tín hiệu vẫn

có thể được khôi phục mà không có xuyên nhiễu giữa các sóng mang kế cận bởi vì

giữa các sóng mang con có tính trực giao Xét một tập các sóng mang con: f n (t),

n=0,1, , N −1, t1 ≤t≤t2 Tập sóng mang con này sẽ trực giao khi:

m n , 0 ) ( ).

(

2

1 f t f t dt K

t t

m

n (2.1)

Trong đó: K là hằng số không phụ thuộc t, n hoặc m Và trong OFDM, tập các sóng

mang con được truyền có thể được viết là:

f n(t) = exp(j2πf n t) (2.2)

Trong đó : j= − 1 và f n = f0 +n∆f = f0+n/T (2.3)

f 0 là tần số offset ban đầu

Bây giờ ta chứng minh tính trực giao của các sóng mang con Xét biểu thức (2.1) ta

có :

∫ ∗ =∫2 ( − )

1 2

1

/ ) ( 2 exp )

( ).

(

t t

T t m n j T

t m n j

/ ) ( 2

/ ) ( 2 exp /

) ( 2

T m n j

T t t m n j T

t m n j

/ ) ( 2

/ ) )(

( 2 exp 1 / ) ( 2

(2.4)

= 0 với n≠m Nếu các sóng mang con trực giao nhau thì biểu thức (2.1) phải xảy ra, tức biểu thức

(2.4) luôn đúng

Khi n=m thì tích phân trên bằng T/2 không phụ thuộc vào n, m

Vì vậy, nếu như các sóng mang con cách nhau một khoảng bằng 1 T , thì chúng

sẽ trực giao với nhau trong khoảng t 2 − t 1 là bội số của T OFDM đạt được tính trực

giao trong miền tần số bằng cách phân phối mỗi khoảng tín hiệu thông tin vào các

sóng mang con khác nhau Tín hiệu OFDM được hình thành bằng cách tổng hợp

các sóng sine, tương ứng với một sóng mang con Tần số băng gốc của mỗi sóng

mang con được chọn là bội số của nghịch đảo khoảng thời symbol, vì vậy tất cả

sóng mang con có một số nguyên lần chu kỳ trong mỗi symbol

Trực giao trong miền tần số của tín hiệu OFDM

Hình 2.3: Đáp ứng tần số của các subcarrier (a) Mô tả phổ của mỗi subcarrier và mẫu tần số rời rạc được nhìn thấy của bộ thu OFDM

(b) Mô tả đáp ứng tổng cộng của 5 subcarrier (đường tô đậm)

Một cách khác để xem xét tính trực giao của tín hiệu OFDM là xem phổ của nó Phổ của tín hiệu OFDM chính là tích chập của các xung dirac tại các tần số sóng mang với phổ của xung hình chữ nhật (=1 trong khoảng thời gian symbol, =0 tại các vị trí khác) Phổ biên độ của xung hình chữ nhật là sinc(π fT) Hình dạng

của hình sinc có một búp chính hẹp và nhiều búp phụ có biên độ suy hao chậm với các tần số xa trung tâm Mỗi subcarrier có một đỉnh tại tần số trung tâm và bằng không tại tất cả các tần số là bội số của 1/T Hình 2.3 mô tả phổ của một tín hiệu OFDM

Tính trực giao là kết quả của việc đỉnh của mỗi subcarrier tương ứng với các giá trị không của tất cả các subcarrier khác Khi tín hiệu này được tách bằng cách sử dụng DFT, phổ của chúng không liên tục như hình 2.3a , mà là những mẫu rời rạc Phổ của tín hiệu lấy mẫu tại các giá trị ‘0’ trong hình vẽ Nếu DFT được đồng bộ theo thời gian, các mẫu tần số chồng lắp giữa các subcarrier không ảnh hưởng tới bộ thu Giá trị đỉnh đo được tương ứng với giá trị ‘null’ của tất cả các subcarrier khác

do đó có tính trực giao giữa các subcarrier

2.4 Sử dụng biến đổi IFFT để tạo sóng mang con(subcarrier)

Để đạt được khả năng chống lại hiện tượng tán sắc trong các kênh truyền, kích thướt khối N (số subcarrier) phải lớn, điều này đòi hỏi một lượng lớn modem sub-channel May mắn là chúng ta có thể chứng minh về mặt toán học rằng việc lấy biến

đổi Fourier rời rạc ngược (IDFT-inverse discrete Fourier transform) N symbol

QAM và sau đó truyền các hệ số một cách liên tiếp Việc đơn giãn hoá phần cứng cho việc truyền dẫn tín hiệu OFDM có thể đạt được nếu các bộ điều chế và giải điều chế cho các kênh con được thực hiện bằng cách sử dụng cặp biến đổi IFFT (inverse fast Fourier transform) và FFT.Một tín hiệu OFDM bao gồm tổng hợp của các sóng mang con được điều chế sử dụng khóa dịch pha PSK (Phase Shift Keying) hoặc

điều chế biên độ vuông góc QAM (Quadrature Amplitude Modulation) Nếu gọi d i

là các chuỗi dữ liệu QAM phức, N S là số lượng sóng mang con, T là khoảng thời

symbol và f C là tần số sóng mang, thì symbol OFDM bắt đầu tại t = t s có thể được

viết như sau:

T

i f j d

N i

2

2 / exp 2 0,5 ( ) , t Re

)

T t

T t

s( ) = 0 , t < ts và t > ts +Trong biểu thức trên, phần thực và phần ảo tương ứng với thành phần cùng pha

và vuông pha của tín hiệu OFDM, mà sẽ được nhân với hàm cosin và sin của từng tần số sóng mang con riêng rẽ để tổng hợp được tín hiệu OFDM sau cùng

Hình 2.4 minh họa sơ đồ khối hoạt động của bộ điều chế OFDM

OFDM signal

) / ) ( exp( −jπN s t−t s T

) / ) )(

2 ( exp(jπ N s − t−t s T

hiệp phức của các sóng mang con Nếu liên hiệp phức của sóng mang con thứ l được nhân với s(t) , thì sẽ thu được symbol QAM dj+Ns/2 (được nhân với hệ số T ),

còn đối với các sóng mang con khác, giá trị nhân sẽ bằng không bởi vì sự sai biệt

tần số (i-j)/T tạo ra một số nguyên chu kỳ trong khoảng thời symbol T , cho nên kết

quả nhân sẽ bằng không

s N

i s

t t T

l j

1 2

2

2 / exp 2 ( ) )

( 2

T d dt t t T

l i j

T t t

s N

1 2

2 exp )

N i i

N

in j d n

(2.8)

Trong thực tế, biến đổi Fourier ngược rời rạc (IDFT) này có thể thực hiện nhanh hơn bằng cách thay thế bởi biến đổi Fourier ngược nhanh (IFFT) Điều này cũng tương tự đối với biến đổi Fourier rời rạc (DFT) khi được thay thế bởi biến đổi

Fourier nhanh (FFT) Một biến đổi IDFT N điểm đòi hỏi tổng cộng có N 2 phép nhân phức, thực sự chỉ là phép quay pha Ngoài ra, cũng có thêm một số phép cộng, nhưng vì phần cứng của bộ cộng ít phức tạp hơn bộ nhân nhiều cho nên ta chỉ so

sánh số phép nhân mà thôi Trong khi đó, biến đổi IFFT N điểm, nếu sử dụng thuật

toán cơ số 2 chỉ cần có (N/ 2 ) log2(N) phép nhân phức, nếu sử dụng thuật toán cơ

số 4 thì chỉ cần ( 3 / 8 ) log2(N− 2 ) phép nhân mà thôi Sở dĩ thuật toán IFFT, FFT có được hiệu suất như vậy là do biến đổi IDFT có thể phân tích thành nhiều biến đổi IDFT nhỏ hơn cho đến khi còn là các biến đổi IDFT một điểm

Sau khi luồng dữ liệu nối tiếp cần truyền đi được chuyển thành song song, chúng được đưa vào bộ biến đổi IFFT có nhiệm vụ là biến đổi thành phần phổ trong miền tần số của dữ liệu cần truyền thành tín hiệu trong miền thời gian, đưa lên tần

số cao và truyền đi Ở đầu thu, tín hiệu trong miền thời gian sẽ được thu, được biến đổi tần số, và đưa đến bộ biến đổi FFT có nhiệm vụ là biến đổi tín hiệu trong miền thời gian thành tín hiệu trong miền tần số , sau đó đưa luồng dữ liệu đến cho các bộ giải điều chế

2.5 ISI, ICI trong hệ thống OFDM

ISI( intersymbol interference) là hiện tượng nhiễu liên kí hiệu ISI xảy ra do hiệu ứng đa đường, trong đó một tín hiệu tới sau sẽ gây ảnh hưởng lên tín hiệu trước

đó

Hình 2.5: Mô tả truyền tín hiệu đa đường tới máy thu

Chẳng hạn như ở hình 2.5, chúng ta thấy rõ tín hiệu phản xạ (reflection) đến máy thu theo đường truyền dài hơn so với các tín hiệu còn lại Khoảng thời gian trễ(mức trải trễ) này tính như sau:

τ = ∆s/c khoảng chênh lệch này là khá nhỏ, tuy nhiên so với khoảng thời gian một mẫu tín hiệu thì nó lại không nhỏ chút nào Trong các hệ thống đơn sóng mang, ISI là một vấn đề khá nan giải Lí do là độ rộng băng tần tỉ lệ nghịch với khoảng thời gian kí hiệu, do vậy nếu muốn tăng tốc độ truyền dữ liệu trong các hệ thống này, tức là

giảm khoảng kí hiệu, vô hình chung đã làm tăng mức trải trễ tương đối Lúc này hệ thống rất nhạy với trải trễ Và việc thêm khoảng bảo vệ khó triệt tiêu hết ISI Phương án giải quyết được lựa chọn là tạo các đường truyền thẳng Theo đó, các anten thu phát sẽ được đặt trên cao nhằm lấy đường truyền Tuy nhiên, đó cũng không phải là một cách hiệu quả

Nhưng vấn đề về nhiễu ISI đã được giải quyết trong hệ thống OFDM, đây cũng

là một lý do quan trọng để chúng ta sử dụng hệ thống OFDM, tức là nó bị ảnh hưởng ít bởi độ trải trễ đa đường Đối với một hệ thống băng thông cho trước, tốc

độ symbol của tín hiệu OFDM thấp hơn nhiều so với phương thức truyền dẫn đơn sóng mang Ví dụ, đối với kiểu điều chế BPSK đơn sóng mang, tốc độ symbol tương đương với tốc độ bit truyền dẫn Còn đối với hệ thống OFDM, băng thông

được chia nhỏ cho N s sóng mang con làm cho tốc độ symbol thấp hơn N s lần so với truyền dẫn đơn sóng mang Tốc độ symbol thấp này làm cho OFDM chống lại được ảnh hưởng của nhiễu ISI gây ra do truyền đa đường Truyền đa đường gây ra bởi tín hiệu truyền dẫn vô tuyến bị phản xạ bởi những vật cản trong môi trường truyền như tường, nhà cao tầng, núi Nhiều tín hiệu phản xạ này đến đầu thu ở những thời điểm khác nhau do khoảng cách truyền khác nhau Điều này sẽ trải rộng đường bao các symbol gây ra sự rò rỉ năng lượng giữa chúng

Ảnh hưởng của ISI lên tín hiệu OFDM có thể cải tiến hơn nữa bằng cách thêm vào một khoảng thời bảo vệ lúc bắt đầu mỗi symbol Khoảng thời bảo vệ này chính

là copy lặp lại dạng sóng làm tăng chiều dài của symbol Khoảng thời bảo vệ được chọn sao cho lớn hơn độ trải trễ ước lượng của kênh, để cho các thành phần đa đường từ một symbol không thể nào gây nhiễu cho symbol kế cận Mỗi sóng mang con, trong khoảng thời symbol của tín hiệu OFDM khi không có cộng thêm khoảng thời bảo vệ, (tức là khoảng thời thực hiện biến đổi IFFT dùng để phát tín hiệu), sẽ

có một số nguyên chu kỳ Bởi vì việc sao chép phần cuối của symbol và gắn vào phần đầu cho nên ta sẽ có khoảng thời symbol dài hơn Hình 2.6 minh họa việc chèn thêm khoảng thời bảo vệ Chiều dài tổng cộng của symbol là: T s =T G +T FFT với T s là

chiều dài tổng cộng của symbol, T G là chiều dài khoảng thời bảo vệ, và T FFT là khoảng thời thực hiện biến đổi IFFT dùng để phát tín hiệu OFDM

Hình 2.6: Chèn thời khoảng bảo vệ vào tín hiệu OFDM

Trong một tín hiệu OFDM, biên độ và pha của sóng mang con phải ổn định trong suốt khoảng thời symbol để cho các sóng mang con luôn trực giao nhau Nếu

nó không ổn định có nghĩa là hình dạng phổ của các sóng mang con sẽ không có

dạng hình sinc chính xác nữa, và như vậy các điểm có giá trị phổ cực tiểu của sóng

mang con sẽ không xuất hiện tại các tần số mà những sóng mang con khác có phổ cực đại nữa và gây ra nhiễu xuyên sóng mang (ICI)

Tính chất trực giao của sóng mang có thể được nhìn thấy trên giản đồ trong miền thời gian hoặc trong miền tần số Từ giản đồ miền thời gian, mỗi sóng mang

có dạng sin với số nguyên lần lặp với khoảng FFT Từ giản đồ miền tần số, điều này tương ứng với mỗi sóng mang có giá trị cực đại tần số trung tâm của chính nó và bằng không tại tần số trung tâm của sóng mang khác Hình 2.7 biểu diễn phổ của bốn sóng mang trong miền tần số cho trường hợp trực giao

Hình 2.7: Phổ của bốn sóng mang trực giao

Tính trực giao của một sóng mang với sóng mang khác bị mất nếu giá trị của sóng mang không bằng không tại tần số trung tâm của sóng mang khác Từ giản đồ miền thời gian, tương ứng hình sin không dài hơn số nguyên lần lặp khoảng FFT Hình 2.8 biểu diễn phổ của bốn sóng mang không trực giao

ICI xảy ra khi kênh đa đường khác nhau trên thời gian ký tự OFDM Dịch Doppler trên mỗi thành phần đa đường gây ra bù tần số trên mỗi sóng mang, kết quả

là mất tính trực giao giữa chúng ICI cũng xảy ra khi một ký tự OFDM trải qua ISI

Sự bù tần số sóng mang của máy phát và máy thu cũng gây ra ICI đến một ký tự OFDM

Hình 2.8: Phổ của bốn sóng mang không trực giao

2.6 Ưu nhược điểm của hệ thống OFDM

Thông qua việc tìm hiểu các tính chất của hệ thống OFDM như trên,chúng ta

có thể tóm tắt những thuận lợi khi sử dụng hệ thống OFDM như sau :

+ OFDM tăng hiệu suất sử dụng phổ bằng cách cho phép chồng lấp những sóng mang con

+ Bằng cách chia kênh thông tin ra thành nhiều kênh con fading phẳng băng hẹp, các hệ thống OFDM chịu đựng fading lựa chọn tần số tốt hơn những hệ thống sóng mang đơn

+ OFDM loại trừ xuyên nhiễu symbol (ISI) và xuyên nhiễu giữa các sóng mang (ICI) bằng cách chèn thêm vào một khoảng thời bảo vệ trước mỗi symbol

+ Sử dụng việc chèn (interleaving) kênh và mã kênh thích hợp, hệ thống OFDM có thể khôi phục lại được các symbol bị mất do hiện tượng lựa chọn tần số của các kênh

+ Kỹ thuật cân bằng kênh trở nên đơn giản hơn kỹ thuật cân bằng kênh thích ứng được sử dụng trong những hệ thống đơn sóng mang

+ Sử dụng kỹ thuật DFT để bổ sung vào các chức năng điều chế và giải điều chế làm giảm độ phức tạp của OFDM

+ Các phương thức điều chế vi sai (differental modulation) giúp tránh yêu cầu bổ sung vào bộ giám sát kênh

+ OFDM ít bị ảnh hưởng với khoảng thời gian lấy mẫu (sample timing offsets) hơn so với các hệ thống sóng mang đơn

+ OFDM chịu đựng tốt với nhiễu xung và nhiễu xuyên kênh kết hợp

Ngoài những thuận lợi trên hệ thống OFDM cũng có những hạn chế cần giải quyết như sau :

+ Symbol OFDM bị nhiễu biên độ với một khoảng động rất lớn Vì tất cả các

hệ thống thông tin thực tế đều bị giới hạn công suất, tỷ số PAPR (Peak-to-Average Power Ratio) cao là một bất lợi nghiêm trọng của OFDM nếu dùng bộ khuếch đại công suất hoạt động ở miền bão hòa để khuếch đại tín hiệu OFDM Nếu tín hiệu OFDM có tỷ số PAPR lớn thì sẽ gây nên nhiễu xuyên điều chế Điều này cũng sẽ

làm tăng độ phức tạp của các bộ biến đổi từ analog sang digital và từ digital sang analog Việc rút ngắn (clipping) tín hiệu cũng sẽ làm xuất hiện cả méo nhiễu (distortion) trong băng lẫn bức xạ ngoài băng.

+ OFDM nhạy với tần số offset và sự trượt của sóng mang hơn các hệ thống đơn sóng mang Vấn đề đồng bộ tần số trong các hệ thống OFDM phức tạp hơn hệ thống sóng mang đơn Tần số offset của sóng mang gây nhiễu cho các sóng mang con trực giao và gây nên nhiễu liên kênh làm giảm hoạt động của các bộ giải điều chế một cách trầm trọng Vì thế, đồng bộ tần số là một trong những nhiệm vụ thiết yếu cần phải đạt được trong bộ thu OFDM

Kết luận chương II:

Với việc giới thiệu về nguyên lý và các đặc tính cơ bản của OFDM trong chương này, chúng ta thấy rằng OFDM thực sự là một phương thức điều chế thuận lợi cho các ứng dụng không dây tốc độ cao

Đi cùng với việc chế tạo các mạch tích hợp tỷ lệ rất cao (VLSI) và kỹ thuật xử

lý tín hiệu số (DSP) tiên tiến là việc hạ giá thành của các hệ thống OFDM Chính nhờ điều này mà các hệ thống OFDM hoạt động dựa trên nguyên tắc tạo các sóng mang con bằng biến đổi IFFT/FFT đã trở nên dễ dàng khi chế tạo các ma trận IFFT/FFT kích thước lớn giá thành hạ

Trong chương tiếp theo chúng ta sẽ tìm hiểu về công nghệ Wimax, giải pháp băng rộng vô tuyến cải thiện vùng phủ sóng cho mạng băng rộng cố định và băng rộng di động thông qua công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng và cấu hình mạng cố định

CHƯƠNG 3: CÔNG NGHỆ WIMAX

3.1 Giới thiệu chung

WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Access – Khả năng tương tác toàn cầu với truy nhập vi ba) là một công nghệ truy nhập không dây băng thông rộng mới, dựa trên chuẩn IEEE 802.16

WiMAX không yêu cầu tầm nhìn thẳng (LOS) như WiFi, WiMAX cho phép làm việc trong điều kiện thiết bị đầu cuối và Access Point không nhìn thấy nhau (NLOS) WiFi là công nghệ sử dụng cho mạng LAN, trong khi đó WiMAX là công nghệ sử dụng cho mạng MAN

Công nghệ WiMAX được ứng dụng trên chuẩn IEEE 802.16 được công bố tháng 8/2002 Theo mô tả của IEEE 802.16, WiMAX có phạm vi phủ sóng đạt tới hơn 50km và sẽ hoạt động ở dải tần từ 2GHz đến 11GHz, kết hợp được với nhiều dạng Angtenna như Parabol, Panel, Yagi, Ommi Với dải tần số hoạt động này, WiMAX cho phép kết nối mà không cần thoả mãn điều kiện tầm nhìn thẳng LOS (Line on Sight), tránh được tác động của các vật cản trên đường truyền như cây cối, nhà cửa Đây là một giải pháp lý tưởng cho việc truyền dữ liệu, hình ảnh, điện thoại IP Thiết bị WiMAX phải được thiết kế có thể hoạt động tốt trong các điều kiện nhiệt độ, độ ẩm của môi trường và sức gió Với băng tần như trên, dữ liệu truyền đi của WiMAX có thể đạt tới tốc độ 70Mbps, độ bảo mật cao và ổn định tuyệt đối

WiMAX hỗ trợ cả hai cơ chế kết nối : Điểm nối điểm (Point to Point) và Điểm nối Đa điểm (Point to MultiPoint) Để hạn chế và loại trừ các loại nhiễu và giảm suy hao trên đường truyền, hệ thống WiMAX thường có kèm theo thiết bị chống sét và dây tương thích WiMAX rất thích hợp với giải pháp kết nối mạng cho những vị trí không thể đi dây hoặc với khoảng cách truyền quá xa

Trong ứng dụng không dây Wireless, WiMAX có kỹ thuật tương tự như WiFi, nhưng WiMAX có tầm phủ sóng rộng hơn và băng thông WiMAX cũng lớn

hơn rất nhiều so với WiFi (công nghệ WiFi chỉ có thể hoạt động trong phạm vi vài trăm mét và băng thông tuỳ thuộc vào phạm vi phủ sóng cụ thể, nhưng tối đa chỉ đạt được 54Mbps) Trong tương lai, khi công nghệ WiMAX sẽ trở nên hoàn thiện, WiMAX sẽ hỗ trợ luôn cả trong trường hợp bạn đang di chuyển Điều này sẽ đem lại những thay đổi đáng kể trong ngành viễn thông khi công nghệ WiMAX thật sự được hoàn chỉnh và chính thức ứng dụng Với khả năng hỗ trợ mobility, tốc độ truy cập đạt 5 – 10Mbps so với 300Kbps – 500Kbps như hiện nay của điện thoại di động thế hệ 3G, WiMAX có thể sẽ thay thế và đưa di động lên thế hệ mới - công nghệ di động thế hệ 4G, tuy nhiên đây chỉ là một hướng đi dự kiến của công nghệ 4G

Hình 3 1: Mô hình truyền thống của Wimax

Một hệ thống Wimax như mô tả ở hình vẽ gồm hai phần:

• Trạm phát: giống như các trạm BTS trong mạng thông tin di động với công suất lớn có thể phủ sóng một vùng rộng tới 8000Km2

• Trạm thu: có thể là các anten nhỏ như các Card mạng cắm vào hoặc được thiết lập sẵn trên Mainboard bên trong máy tính, theo cách mà WLAN vẫn dùng

Các trạm phát BTS được kết nối tới mạng Internet thông qua các đường truyền tốc độ cao riêng hoặc có thể được nối tới một BTS khác như một trạm trung chuyển bằng đường truyền thẳng (line of sight), và chính vì vậy Wimax có thể phủ sóng đến những vùng rất xa

Các anten thu/ phát có thể trao đổi thông tin với nhau qua các tia sóng truyền thẳng hoặc các tia phản xạ Trong trường hợp truyền thẳng LOS (line of sight), các anten được đặt cố định trên các điểm cao, tín hiệu trong trường hợp này ổn định và tốc độ truyền có thể đạt tối đa Băng tần sử dụng có thể dùng ở tần số cao đến 66GHz vì ở tần số này tín hiệu ít bị giao thoa với các kênh tín hiệu khác và băng thông sử dụng cũng lớn hơn Đối với trường hợp có vật chắn NLOS (non line of sight), Wimax sử dụng băng tần thấp hơn, 2-11GHz, tương tự như ở WLAN, tín hiệu có thể vượt qua các vật cản thông qua phản xạ, nhiễu xạ, uốn cong, vòng qua các vật thể để đến đích

3.2 Đặc điểm của WiMax

Đặc điểm chung của WiMax bao gồm:

− Khoảng cách giữa các trạm thu phát có thể tới 50Km

− Tốc độ truyền có thể thay đổi, tối đa 70Mb/s (kết quả thực nghiệm là 15Mb/s trên băng tần 5MHz và 134Mb/s trên băng tần 28MHz trong dải tần từ 2-66GHz)

− Đường truyền có thể truyền trong tầm nhìn thẳng LOS và tầm nhìn che khuất NLOS

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

− Trong WiMax hướng truyền tin được chia thành hai hướng lên và xuống Hướng lên có tần số thấp hơn hướng xuống và đều sử dụng công nghệ OFDM để truyền OFDM của WiMax sử dụng tổng cộng 2048 sóng mang trong đó

có 1536 sóng mang dành cho thông tin được chia thành 32 Kênh con mỗi kênh con tương đương với 48 sóng mang Sử dụng điều chế nhiều mức thích ứng từ BPSK,

QPSK đến 256-QAM kết hợp các phương pháp sửa lỗi dữ liệu như ngẫu nhiên hoá, với mã hoá sửa lỗi ReedSolomon, mã xoắn tỷ lệ mã từ ½ đến 7/8

− Độ rộng băng tần của Wimax từ 5MHz đến trên 20 MHz được chia thành nhiều băng con 1,75MHz và mỗi băng con này được chia nhỏ hơn nữa nhờ công nghệ OFDM, nên cho phép nhiều thuê bao có thể truy cập đồng thời một hay nhiều kênh một cách linh hoạt để đảm bảo tối ưu hiệu quả sử dụng băng tần

− Cho phép sử dụng cả hai công nghệ TDD (Time division duplexing) và FDD (frequency division duplexing) cho việc phân chia truyền dẫn của hướng lên (uplink) và hướng xuống (downlink)

− Về cấu trúc phân lớp, hệ thống Wimax được phân chia thành 4 lớp: lớp Convergence, MAC, Transmission và Physical tương đương với hai lớp dưới của

mô hình OSI và được tiêu chuẩn hoá để có thể giao tiếp với nhiều ứng dụng lớp trên

3.3 Dải tần hoạt động của Wimax

Dải tần nhỏ hơn 11Ghz:

- Vì có bước sóng dài nên các thiết bị Wimax hoạt động ở dải tần này không cần thiết phải giao tiếp với nhau trong tầm nhìn thẳng nhưng hiệu ứng đa đường có thể gây ảnh hưởng lớn đến chất lượng tín hiệu ở bộ thu Để có khả năng thực hiện được NLOS, các thiết bị hoạt động ở dải tần này còn phải xử lý một loạt vấn đề như: quản lý công suất, giảm nhiễu, hỗ trợ nhiều anten

- Những tần số Wimax hoạt động trong dải này bao gồm:

Dải tần 10-66 GHz

- Với dải tần 10-66Ghz, các thiết bị giao tiếp với nhau theo tín hiệu sóng ngắn Một tín hiệu chỉ có thể vượt qua vật cản khi vật cản có kích thước nhỏ hơn bước sóng của tín hiệu đó Với tín hiệu sóng ngắn, bước sóng của

nó rất nhỏ Do đó để có thể truyền tin, các thiết bị sử dụng sóng ngắn để truyền tin này phải đáp ứng điều kiện nhìn thấy nhau trong tầm nhìn thẳng

Vì các thiết bị 10-66Ghz giao tiếp với nhau trong tầm nhìn thẳng nên ta không phải quan tâm đến hiệu ứng đa đường là vấn đề ảnh hưởng rất lớn đến việc giao tiếp giữa các thiết bị nhỏ hơn 11Ghz Băng thông của một tín hiệu tin tức ở dải tần này có thể đạt được 25-28Mhz Một tuyến thông tin ở dải tần này có thể đạt được tốc độ 120 Mbps Những thiết bị hoạt động ở dải tần này phù hợp với mô hình triển khai PMP

- Những tần số của các thiết bị Wimax nằm trong dải tần này:

mà còn cho cả phương thức truy cập mạng viễn thông nói chung Các lợi thế của chuẩn IEEE 802.16 giải quyết các vấn đề đang còn tồn tại với mạng hữu tuyến và làm tăng tính linh hoạt trong việc cung cấp dịch vụ của các nhà ISP Các vấn đề phức tạp như việc khó khăn trong thi công đi dây hay khoảng cách xa xôi mà các công nghệ cáp đồng không đạt tới được chuẩn IEEE 802.16 giải quyết đơn giản, dễ dàng Tính linh hoạt của mạng IP vô tuyến giúp giảm thiểu chí phí và thời gian triển khai, xoá nhoà khúc gấp băng thông chuyển đối giữa 2 mạng LAN (công nghệ WiFi) và MAN, WAN (công nghệ WiMAX)

Chuẩn 802.16 nằm giữa lớp liên kết logic và lớp giao tiếp không dây Nó thực hiện chức năng cầu nối theo chuẩn 802.1 Chuẩn 802.16 chỉ có 1 chuẩn điểu khiển truy nhập phương tiện (MAC) nhưng lại chứa rất nhiều chuẩn giao tiếp lớp vật lý khác nhau để phục vụ việc truyền tin ở những băng tần khác nhau (cả ở dải phải và không cần phải cấp phép)

- Tốc độ dữ liệu có thể lên đến 100Mbps trên mỗi kênh truyền 20Mhz

- Nó thực hiện giao tiếp theo mô hình Point to Multipoint

Chuẩn này được phát triển và chuẩn hoá ở băng tần 2 – 11GHz, khoảng cách tối đa có thể đạt tới 50km với trường hợp kết nối điểm -điểm và trong tầm nhìn thẳng (LOS) Với ứng dụng điểm-đa điểm và không trong tầm nhìn thẳng (NLOS) khoảng cách có thể đạt tới từ 7 – 10 km Một số thông số kỹ thuật chủ yếu như sau :

¾ Băng thông kênh: 10 – 20MHz : 1.75,3.5,7,14MHz; 3, 6 MHz

¾ Tốc độ có thể đạt tới 70Mbps khi sử dụng kênh 20MHz, tương đương với tốc độ 5bps/MHz

¾ Hỗ trợ các tính năng cho phép truyền trong môi trường không trong tầm nhìn thẳng (NLOS), hỗ trợ cơ chế QoS, cho phép cung cấp các dịch vụ thoại và video với chất lượng cao

¾ Với các thay đổi về đặc tả lớp MAC (Medium Access Control), cho phép hệ thống có khả năng nâng cấp tới 1000 thuê bao

¾ Kỹ thuật OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) dùng thuật toán FFT (Fast Fourier Transform) tăng hiệu quả trải phổ, giảm nhiễu đa đường và hiện tượng Fadin tần số

¾ Tự động điều chỉnh mã hoá điều chế 64 QAM, 16QAM hay QPSK giảm băng thông để tăng khoảng cách truyền dẫn

¾ Hỗ trợ chuẩn mã hoá nhằm cung cấp cho người dùng sự an toàn trong quá trình truyền dữ liệu, hỗ trợ các cơ chế xác thực và mã hoá trong khi truyền

70 Mbps với khoảng cách lên đến 50 km

IEEE 802.16d:

- Được công bố ngày 24/6/2004 Được đưa ra với tên 802.16-2004 nhằm cải tiến và thay thế cho các chuẩn 802.16-2001, 802.16c-2002, 802.16a-2003

IEEE 802.16e (Mobile Wireless MAN):

- Được công bố ngày 23 tháng 9 năm 2004

- Cải tiến chủ yếu của nó là hỗ trợ cho những người hem di động trong dải băng tần được cấp phép

- Mục tiêu của nó là phục vụ cho những người dùng di động Những người này có thể di chuyển với tốc độ 120km/h -150km/h mà vẫn giữ được kết nối với mạng

Chuẩn này được phát triển trên cơ sở của IEEE 802.16, tuy nhiên sẽ hỗ trợ thêm dịch vụ truyền tin có khả năng di động với tốc độ thấp Đây được đánh giá là bước đệm cho công nghệ 4G Với khả năng hoạt động trong tần số dưới 6GHz, tốc

độ truyền dữ liệu của chuẩn IEEE 802.16e lên đến 15Mbps với kênh 5MHz và phạm vi phủ sóng là từ 1,5 đến 5km Do vậy, những thiết bị xách tay có card mạng

hỗ trợ chuẩn 802.16e sẽ có thể truy cập vào những mạng Wireless với tốc độ tới 15Mbps

Dưới đây là bảng tóm tắt sơ bộ về các thông số kỹ thuật của chuẩn IEEE

802.16

Bảng 3.1: Các thông số kỹ thuật của chuẩn IEEE 802.16

CHUẨN IEEE 802.16 IEEE 802.16a/REVd IEEE 802.16e

Up to 75 Mbps at 20MHz channelization

Up to 15Mbps at 5MHz channelization

OFDM 256 Carriers QPSK, 16QAM,64 QAM Mức di động

Sử dụng cho việc di chuyển với tốc độ thấpBăng thông

kênh

20,25 và 28MHz Lựa chọn các dải kênh

băng thông giữa 1.25

và 20 MHz

Lựa chọn các dải kênh băng thông giữa 1.25

và 20 MHz Bán kính mỗi

3.5 Truyền sóng tầm nhìn thẳng và tầm nhìn hạn chế NLOS và LOS

Một cải tiến của WiMax đối với các công nghệ không dây khác là các trạm

có thể giao tiếp với nhau trong cả điều kiện LOS và NLOS Với điều kiện LOS, khoảng cách giao tiếp giữa hai trạm không dây có thể đạt tới 50 km Còn ở điều kiện NLOS, khoảng cách giữa hai trạm có thể đạt tới 8 km

3.5.1 LOS (Light Of Sight)

Trong điều kiện LOS, tín hiệu được truyền trực tiếp từ bộ thu đến bộ phát mà không có cản trở trên đường truyền Yêu cầu của điều kiện LOS là không có cản trở trong vùng Fresnel thứ nhất, nếu yêu cầu này không được đảm bảo thì cường độ của tín hiệu sẽ giảm đáng kể Không gian miền Fresnel phụ thuộc vào tần số hoạt động

và khoảng cách giữa trạm thu và trạm phát

Hình 3.1: Môi trường LOS