Kỹ thuật OFDM và ứng dụngOFFDM ứng dụng trong WiMAX

Kỹ thuật OFDM và ứng dụngOFFDM ứng dụng trong WiMAX Kỹ thuật OFDM và ứng dụngOFFDM ứng dụng trong WiMAX Kỹ thuật OFDM và ứng dụngOFFDM ứng dụng trong WiMAX luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

Mục lục 3

Danh sách các từ viết tắt 6

Danh sách các hình vẽ 14

Danh sách các bảng 17

Chương 1: TổNG QUAN Về Sự PHáT TRIểN của CáC Hệ THốNG KHÔNG DÂY BĂNG RộNG

18 1.1 Tiến trình phát triển của băng rộng không dây 20

1.1.1 Hệ thống lặp nội bộ không dây băng hẹp (Narrowband WLL)

21 1.1.2 Hệ thống băng rộng thế hệ thứ nhất 22

1.1.3 Hệ thống băng rộng thế hệ thứ hai 25

1.1.4 Sự xuất hiện của Công nghệ dựa trên các tiêu chuẩn (Standards-Based Technology) ………

26 1.2 Hệ thống băng rộng cố định: Các thị trường chính và các ứng dụng

29 1.3 Băng rộng không dây di động: Các thị trường chính và các ứng dụng

32 1.4 Wimax và các công nghệ không dây khác ……… 34

1.4.1 Hệ thống di động tế bào 3G 35

1.4.2 Hệ thống Wi-Fi ……… 37

1.4.3 So sánh WiMAX với 3G và Wi-Fi ……… 38

Chương 2: đặc điểm của pha đinh đa đường ………

42 2.1 Giới thiệu ……… 42

2.2 Kênh pha đinh Ricean và Rayleigh ……… 43

2.3 Dạng trễ đa đường (Profile trễ đa đường) ……… 47

2.4 Kênh pha đinh lựa chọn tần số và không lựa chọn tần số 49

số trực giao OFDM

3.1 Nguyên lý của OFDM ……… 56

3.1.1 Giới thiệu ……… 56

3.1.2 Nguồn gốc của OFDM ……… 56

3.1.3 Tác dụng của phép biến đổi Fourier rời rạc (DFT) 59

3.1.4 chèn tiền tố tuần hoàn cho OFDM 62

3.2 Các đặc tính của OFDM 65

3.2.1 Giới thiệu ……… 65

3.2.2 Mô hình kênh vô tuyến ……… 65

3.2.3 Tỷ lệ lỗi bit trong kênh AWGN ……… 66

3.2.4 Tỷ lệ lỗi bit của hệ thống OFDM CPSK trong kênh pha đinh Rayleigh

70 3.2.5 Tối ưu hóa số lượng sóng mang con và độ dài của khoảng bảo vệ

70 3.2.6 Tăng cường sức mạnh chống lại pha đinh lựa chọn tần số 75

3.2.7 Tăng cường sức mạnh chống lại tạp âm nhân tạo ……… 75

3.2.7.1 Kênh tạp âm thử được phát (Generalized Shot Noise Channel) ………

75 3.2.7.2 Tốc độ lỗi bit của SCM trong kênh GSN ……… 77

Chương 4: LớP VậT Lý CủA WIMAX 79

4.1 Mã hóa kênh ……… 81

4.1.1 Mã chập (Mã vòng xoắn) ……… 82

4.1.2 Mã turbo ……… 84

4.1.3 Mã turbo khối và mã LDPC 87

4.2 ARQ lai – HARQ 88

4.3 Xen kẽ (Cài xen) 89

4.6.1 Sử dụng toàn bộ đường xuống của các sóng mang con –

DL FUSC ………

96 4.6.2 Sử dụng một phần đường xuống của các sóng mang con – DL PUSC

98 4.6.3 Sử dụng một phần đường lên của các sóng mang con – UL PUSC

100 4.6.4 Việc sử dụng Khối của các sóng mang con – TUSC …… 102

4.6.5 Điều chế và mã hóa thích nghi băng (Band AMC) ……… 103

4.7 Cấu trúc khe và khung ……… 104

4.8 Phân tập tần số và MIMO ……… 107

4.8.1 Phân tập phát và mã hóa không gian thời gian ……… 108

4.8.2 Mã phân tập nhảy tần ……… 111

4.9 MIMO lặp đóng (Closed-Loop MIMO) ……… 112

4.9.1 Chọn lựa anten ……… 115

4.9.2 Nhóm anten ……… 115

4.9.3 Hồi tiếp dựa trên Codebook ……… 116

4.9.4 Hồi tiếp kênh lượng tử hóa 117

4.9.5 Dò kênh (Channel Sounding) 117

4.10 Định tầm 118

4.11 Điều khiển công suất 120

Chương 5: mô phỏng 122

Kết luận 125

Tài liệu tham khảo 126

Phu lục ……… 127

Lời nói đầu

Chúng ta đang sống trong một kỷ nguyên mới - kỷ nguyên thông tin Các thành tựu khoa học công nghệ mới tác động trực tiếp đến nhiều lĩnh vực của cuộc sống cũng như xã hội Một trong các lĩnh vực chịu ảnh hưởng lớn nhất của thành tựu khoa học công nghệ là lĩnh vực điện tử - viễn thông nói chung và thông tin di động nói riêng Ngày nay, thông tin liên lạc đóng một vai trò rất quan trọng và không thể thiếu được Nó quyết định nhiều mặt hoạt động của xã hội, giúp con người nắm bắt nhanh chóng các thông tin có giá trị văn hoá, kinh tế, khoa học kỹ thuật rất đa dạng và phong phú Sự phát triển của thông tin di động toàn cầu đã phần nào đáp ứng được nhu cầu thông tin của người sử dụng

Trong hai thập kỷ vừa qua, những ưu điểm của truyền thông đã định hình lại cuộc sống thường ngày của chúng ta Truyền thông không dây

đã tăng từ vị trí ít người biết đến, trở thành một công nghệ có mặt khắp mọi nơi và phục vụ gần một nửa dân số thế giới Dù chúng ta có biết đến hay không, thì máy tính điện tử ngày nay cũng có ảnh hưởng rất lớn trong các hoạt động hàng ngày của chúng ta, và Internet đã hoàn toàn định hình lại cách làm việc, giao tiếp, vui chơi cũng như học tập của con người

Mặc dù có những sự thay đổi lớn lao trong lối sống của chúng ta trong vài năm vừa qua, nhưng việc hội tụ của Không dây (wireless) với Internet với mục đích theo đuổi một sự thay đổi lớn lao rằng wireless sẽ thâm nhập

và trở lên rộng khắp thế giới giống như giấy và bút chúng ta vẫn bắt gặp hàng ngày WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) mang đến cuộc cách mạng Internet và Wireless cho các thiết bị xách tay trên phạm vi toàn cầu WiMAX đã sẵn sàng mang Internet đến khắp nơi trên thế giới và thay đổi cuộc sống của chúng ta một cách sâu sắc Trong vài năm tới, WiMAX sẽ cung cấp các tính năng của Internet mà không cần các kết nối có dây truyền thống tới mọi phòng khách, máy tính xách tay, điện thoại và các thiết bị cầm tay khác

Trong lĩnh vực viễn thông rộng lớn, với đồ án mang tên “Kỹ thuật OFDM và ứng dụng – OFDM ứng dụng trong WiMAX” Tác giả trình bày

về một kỹ thuật đã và đang được hoàn thiện để ứng dụng ngày một hiệu quả hơn trong thực tiễn - kỹ thuật OFDM, và một trong những ứng dụng điển hình của nó, đó là WiMAX Khuôn khổ đồ án được chia thành 5 chương:

Chương 1 Tổng quan về sự phát triển các hệ thống không dây băng rộng: Nêu lên tiến trình của mạng băng rộng không dây qua các giai đoạn phát triển, thị trường và các ứng dụng của nó So sánh WiMAX với các công nghệ không dây khác

Chương 2 Đặc điểm của pha đinh đa đường: Giới thiệu về pha đinh

đa đường và các đặc điểm của nó, đây là yếu tố quan trọng tác động đến việc truyền tín hiệu trên kênh vô tuyến

Chương 3 Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao - OFDM: Là một dạng của kỹ thuật đa sóng mang, hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích trong ngành viễn thông nói chung và thông tin băng rộng nói riêng Phần này trình bày nguyên lý cơ bản của OFDM, các đặc tính của OFDM, việc sử dụng phép biến đổi DFT trong xử lý tín hiệu OFDM, Tỷ lệ lỗi bit (BER) trong hệ thống OFDM…

Chương 4 Lớp vật lý của WiMAX: Trình bày khái quát về lớp vật lý của WiMAX nhờ sử dụng kỹ thuật OFDM và kỹ thuật đa anten MIMO Nêu lên các bước cấu thành tín hiệu OFDM như Mã hóa kênh, Cài xen, ánh xạ

Em xin trân trọng cảm ơn thầy giáo, Phó giáo sư, Tiến sỹ Lê Bá Dũng đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá trình hoàn thành

Luận văn

Học viên: Vũ Quang Tuyền

Mục lục

Lời nói đầu 1

Mục lục 3

Danh sách các từ viết tắt 6

Danh sách các hình vẽ 14

Danh sách các bảng 17

Chương 1: TổNG QUAN Về Sự PHáT TRIểN của CáC Hệ THốNG KHÔNG DÂY BĂNG RộNG

18 1.1 Tiến trình phát triển của băng rộng không dây 20

1.1.1 Hệ thống lặp nội bộ không dây băng hẹp (Narrowband WLL)

21 1.1.2 Hệ thống băng rộng thế hệ thứ nhất 22

1.1.3 Hệ thống băng rộng thế hệ thứ hai 25

1.1.4 Sự xuất hiện của Công nghệ dựa trên các tiêu chuẩn (Standards-Based Technology) ………

26 1.2 Hệ thống băng rộng cố định: Các thị trường chính và các ứng dụng

29 1.3 Băng rộng không dây di động: Các thị trường chính và các ứng dụng

32 1.4 Wimax và các công nghệ không dây khác ……… 34

1.4.1 Hệ thống di động tế bào 3G 35

1.4.2 Hệ thống Wi-Fi ……… 37

1.4.3 So sánh WiMAX với 3G và Wi-Fi ……… 38

Chương 2: đặc điểm của pha đinh đa đường ………

42 2.1 Giới thiệu ……… 42

2.2 Kênh pha đinh Ricean và Rayleigh ……… 43

2.3 Dạng trễ đa đường (Profile trễ đa đường) ……… 47

2.4 Kênh pha đinh lựa chọn tần số và không lựa chọn tần số 49

2.5 Hàm tương quan thời gian không gian ……… 50

2.6 Ví dụ về các kênh pha đinh đa đường ……… 51

Chương 3: Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM

56 3.1 Nguyên lý của OFDM ……… 56

3.1.1 Giới thiệu ……… 56

3.1.2 Nguồn gốc của OFDM ……… 56

3.1.3 Tác dụng của phép biến đổi Fourier rời rạc (DFT) 59

3.1.4 chèn tiền tố tuần hoàn cho OFDM 62

3.2 Các đặc tính của OFDM 65

3.2.1 Giới thiệu ……… 65

3.2.2 Mô hình kênh vô tuyến ……… 65

3.2.3 Tỷ lệ lỗi bit trong kênh AWGN ……… 66

3.2.4 Tỷ lệ lỗi bit của hệ thống OFDM CPSK trong kênh pha đinh Rayleigh

70 3.2.5 Tối ưu hóa số lượng sóng mang con và độ dài của khoảng bảo vệ

70 3.2.6 Tăng cường sức mạnh chống lại pha đinh lựa chọn tần số 75

3.2.7 Tăng cường sức mạnh chống lại tạp âm nhân tạo ……… 75

3.2.7.1 Kênh tạp âm thử được phát (Generalized Shot Noise Channel) ………

75 3.2.7.2 Tốc độ lỗi bit của SCM trong kênh GSN ……… 77

Chương 4: LớP VậT Lý CủA WIMAX 79

4.1 Mã hóa kênh ……… 81

4.1.1 Mã chập (Mã vòng xoắn) ……… 82

4.1.2 Mã turbo ……… 84

4.1.3 Mã turbo khối và mã LDPC 87

4.2 ARQ lai – HARQ 88

4.3 Xen kẽ (Cài xen) 89

4.4 ánh xạ ký hiệu ……… 90

4.5 Cấu trúc kí hiệu OFDM 91

4.6 Hoán vị kênh và sóng mang con ……… 95

4.6.1 Sử dụng toàn bộ đường xuống của các sóng mang con – DL FUSC ………

96 4.6.2 Sử dụng một phần đường xuống của các sóng mang con – DL PUSC

98 4.6.3 Sử dụng một phần đường lên của các sóng mang con – UL PUSC

100 4.6.4 Việc sử dụng Khối của các sóng mang con – TUSC …… 102

4.6.5 Điều chế và mã hóa thích nghi băng (Band AMC) ……… 103

4.7 Cấu trúc khe và khung ……… 104

4.8 Phân tập tần số và MIMO ……… 107

4.8.1 Phân tập phát và mã hóa không gian thời gian ……… 108

4.8.2 Mã phân tập nhảy tần ……… 111

4.9 MIMO lặp đóng (Closed-Loop MIMO) ……… 112

4.9.1 Chọn lựa anten ……… 115

4.9.2 Nhóm anten ……… 115

4.9.3 Hồi tiếp dựa trên Codebook ……… 116

4.9.4 Hồi tiếp kênh lượng tử hóa 117

4.9.5 Dò kênh (Channel Sounding) 117

4.10 Định tầm 118

4.11 Điều khiển công suất 120

Chương 5: mô phỏng 122

Kết luận 125

Tài liệu tham khảo 126

Phu lục ……… 127

ADC Analog to digital converter Bộ chuyển đổi tương tự sang

số

AM Amplitude modulation Điều chế biên độ

AMC Adaptive modulation and

coding

Điều chế và mó húa thớch nghi

ARQ Automatic repeat request Yờu cầu lặp tự động

ATM Asynchronous transfer

BLER Block error ratio Tỷ lệ lỗi khối

BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân

BSN Block sequence number Số chuỗi khối

CC Convolutional coding Mã chập (Mã vòng xoắn) CCDF Complementary cumulative

distribution function

Hàm phân phối tích lũy bổ xung

CDF Cumulative distribution

function

Hàm phân phối tích lũy

CDM Code Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo mã CDMA Code division multiplex

access

Đa truy nhập phân chia theo mã

CID Connection Identifier Bộ nhận dạng kết nối

CQI Channel quality indicator Bộ chỉ thị chất lượng kênh CPE Customer premise

equipment

Thiết bị đầu cuối khách hàng

CRC Cyclic redundancy check Kiểm tra dư thừa vòng

CS Convergence sublayer Lớp con hội tụ

CSI Channel state information Thông tin trạng thái kênh CSMA Carrier sense multiple

access

Đa truy nhập dò sóng mang

CTC Convolutional turbo code Mã khối vòng xoán

DAC Digital to analog converter Bộ chuyển đổi số – tương tự

DSC Dynamic service change Thay đổi dịch vụ động

DSD Dynamic service delete Hủy dịch vụ động

DSL Digital subscriber line Đường dây thuê bao số

EDGE Enhanced Data for GSM

Telecommunications Standards Institute Châu âu ETRI Electronics and

Telecommunications Research Institute

Viện nghiên cứu điện tử và viễn thông

FBSS Fast base station switching Chuyển mạch BS nhanh

FCC Federal Communications

Commission

ủy ban thông tin quốc gia

FEC Forward Error Correction Sửa lỗi trước

FCH Frame control header Mào đầu điều khiển khung FDD Frequency division

duplexing

Song công phân chia theo tần

số FDM Frequency Division

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần

số FDMA Frequency division multiple

access

Đa truy nhập phân chia theo tần số

FDP Frequency Domain Pilot Pilot miền tần số

FEQ Frequency domain

equalization

Cân bằng miền tần số

FFT Fast Fourier transform Biến đổi Fourier nhanh

FHDC Frequency-hopping

diversity code Mã phân tập nhảy tần FIR Finite impulse response Đáp ứng xung giới hạn

FM Frequency Modulation Điều tần

FSK Frequency shift Keying Khóa dịch tần

FTP File transfer protocol Giao thức truyền file

FUSC Full usage of subcarriers Sử dụng toàn bộ sóng mang

con H-FDD Half frequency division

duplexing

Bán song công phân chia theo tần số

HIPERLAN High Performance Local Mạng LAN hiệu suất cao

Area Network HIPERMAN High-performance MAN Mạng MAN hiệu suất cao HMAC Hash – based message

IDFT Inverse Descreat Fourier

Transform

Biến đổi Fourier rời rạc ngược

ICI Inter – carrier interference Nhiễu liên sóng mang

i.d.d Independent and Identically

Distributed

Phân bố xác định và độc lập

IEEE Institute of Electrical and

Electronics Engineers

Viện kỹ sư điện và điện tử

IP Internet Protocol Giao thức Intenet

ISI Inter – symbol interference Nhiễu liên ký tự

GPS Global Position System Hệ thống định vụ toàn cầu LAN Local Area Network Mạng máy tính cục bộ

LDPC Low density parity codes Mã parity mật đọ thấp

LLR Log likelihood ratio Tỷ số Likelihood log

LMDS Local multipoint

distribution systems

Hệ thống phân bố đa điểm nội hạt

LSB Least significant bit Bit có trọng số nhỏ nhất

MAC Media access control Điều khiển truy nhập đa

phương tiện MAN Metropolitan area network Mạng khu vực đo thị

MC-CDMA Multi – carrier CDMA CDMA đa sóng mang

MCM Multicarrier Modulation Điều chế đa sóng mang

MDHO Macro – diversity

MMSE Minimum mean square

error Lỗi bình phương trung bình nhở nhất MRC Maximal ratio combining Kết hợp tỷ số cực đại

MPEG Motion Picture Experts

Group

Nhóm chuyên ảnh động

MSB Most significant bit Bit có trọng số lớn nhất

MSE Mean square error Sai số bình phương trung bình MSR Maximum sum rate Tốc độ tổng cực đại

NLOS Non – line of sight Không trong tầm nhìn thẳng

OFDM Orthogonal frequency

division multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần

số trực giao OFDMA Orthogonal frequency

division multiple access

Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao

OSI Open system inter –

connect

Kết nối liên hệ thống mở

P/S Parallel to serial Chuyển đổi song song nối tiếp

PA Power amplifier Khuếch đại công suất

PAN Personal Access Network Mạng truy nhập cá nhân

PAPR Peak – to – average

power ratio

Tỷ số công suất đỉnh/ trung bình

PAR Peak – to – average ratio Tỷ số đỉnh/ trung bình

PDA Personal data assistant Hỗ trợ số liệu cá nhân

PDF Probability density function Hàm mật đọ xác suất

PF Proportional fairness Thuật toán cân bằng tỷ lệ PHS Packet header suppression Nén tiếp đầu gói

PSK Phase Shift Keying Khóa dịch pha

QoS Quality of service Chất lượng dịch vụ

QAM Quadrature amplitude

modulation

Điều chế biên độ cầu phương

QPSK Quadrature phase shift

keying

Khóa dịch pha cầu phương

RSSI Received signal strength

indicator

Bộ chỉ thị cường độ tín hiệu nhận

S/P Serial to parallel Chuyển đối nối tiếp-song song

SC Selection combination Kết hợp lựa chọn

SCM Single carrier Modulation Điều chế đơn sóng mang SDU Service data unit Khối số liệu dịch vụ

SFID Service flow identifier Bộ nhận dạng luồng dữ liệu SINR Signal to interference plus

noise ratio

Tỷ số tín hiệu tren tạp âm

SISO Single input single output Một đầu vào, một đầu ra

SME Small- to medium-enterprise Đầu tư nhỏ đến trung bình SNR signal-to-noise ratio Tỷ số tín hiệu/ tạp âm

SOHO Small office/home office Văn phòng nhỏ/ nhà văn

phòng SOVA Soft input/ soft output Đầu vào mềm/ đầu ra mềm SPID Sub – packet identity Xác định gói con

STBC Space/time block code Mã khối không gian/ thời gian TDD Time division duplexing Song công phân chia theo thời

gian TDMA Time division multiple

access

Đa truy nhập phân chia theo thời gian

TDP Time Domain Pilot Pilot miền thời gian

TUSC Tile usage of sub – carriers Sử dụng Tile của các sóng

mang con UCD Uplink channel descriptor Bộ mô tả kênh đường lên UHF Ultra-high frequency Tần số siêu cao

USIM Universal subscriber

identity module Mô-đun nhận dạng thêu bao toàn cầu VDSL Very high data rate digital

subscriber loop Vòng lặp thuê bao số tốc độ số liệu rất cao VLAN Virtual local area

networking

Mạng LAN ảo

VLR Visitor Location Register Thanh ghi định vị tạm trú VoD Video on demand Video theo yêu cầu

VPI Virtual path indicator Bộ chỉ thị đường ảo

VPN Virtual private network Mạng riêng ảo

WAN Wide area network Mạng diện rộng

WAP Wireless access protocol Giao thức truy nhập vô tuyến WiMAX Worldwide interoperability Khả năng khai thác liên mạng

for microwave access trên toàn cầu đối với truy nhập

viba

WCS Wireless communications

services

Dịch vụ thông tin không dây

WiBro Wireless broadband Băng rộng không dây

Wi-Fi Wireless fidelity Wi-Fi

WISP Wireless Internet service

provider Nhà cung cấp dịch vụ Internet không dây WLAN Wireless Local Area

Network

Mạng LAN không dây

WLL Wireless local loop Lặp cục bộ không dây

WRAN Wireless regional area

WMAN Wireless Metropolitan Area

Network

Mạng MAN không dây

WSS Wide-sense stationary ổn định rò diện rộng

WSSUS Wide-sense stationary

uncorrelated scattering Tán xạ không tương quan WSS

Danh sách các hình vẽ

Hình 1.1 Tăng trưởng của thuê bao sử dụng điện thoại di động,

Internet và truy nhập băng rộng (1990 – 2006) ………

19 Hình 1.2 Minh họa các ứng dụng Điểm-Đa điểm của WiMAX ……… 29

Hình 2.1: Ví dụ một kênh pha đinh đa đường 43

Hình 2.2: Phân bố Rice và phân bố Rayleigh ……… 47

Hình 2.3: Quan hệ giữa Φh(τ) và h(τ,t) ……… 48

Hình 2.4: Quan hệ giữa H(f,t) và DH(δ) 51

Hinh 2.5: Ví dụ về profile trễ đa đường; (a) profile trễ đa đường suy giảm theo hàm mũ; (b) profile trễ đa đường i.i.d ………

52 Hình 2.6: Mô hình Jake ……… 53

Hình 2.7: Phổ công suất Doppler ……… 54

Hình 2.8: Biến đổi thời gian của một tín hiệu nhận được thông kênh thông qua một kênh pha đinh Rayleigh; (a) đường bao; (b) pha ………

55 Hình 3.1: So sánh SCM và MCM; (a) phổ tần của các tín hiệu phát … 57

Hình 3.2: So sánh dạng sóng truyền; (a) Hệ thống truyền số liệu theo ký tự băng sơ bản; (b) hệ thống OFDM

60 Hình 3.3: Hệ thống OFDM; (a) máy phát; (b) máy thu ……… 61

Hình 3.4: Đáp ứng xung tức thời của một kênh pha đinh lựa chọn tần số 62 Hình 3.5: Các tín hiệu phát; (a) không chèn khoảng bảo vệ; (b) chèn khoảng bảo vệ; (c) chèn khoảng bảo vệ với tiền tố tuần hoàn …………

63 Hinh 3.6: Các tín hiệu nhận; (a) không chèn khoảng bảo vệ; (b) chèn khoảng bảo vệ; (c) chèn khoảng bảo vệ với tiền tố tuần hoàn …………

64 Hình 3.7: Mô hình kênh vô tuyến ……… 66

Hình 3.8: Sơ đồ truyền dẫn của một hệ thống OFDM CPSK; (a) máy phát; (b) máy thu ………

67 Hình 3.9: Sơ đồ truyền dẫn của một hệ thống OFDM DPSK; (a) máy phát; (b) máy thu ………

69

Hình 3.10: Quan hệ giữa số lượng sóng mang con, tính lựa chọn tần số

và tính lựa chọn thời gian

72 Hình 3.11: Quan hệ giữa chiều dài khoảng bảo vệ, hiệu suất năng lượng và tính lựa chọn tần số

73 Hình 3.12: Tối ưu hoá số lượng sóng mang con và chiều dài khoảng bảo vệ; (a) tối ưu hoá số lượng sóng mang con và chiều dài khoảng bảo vệ chống lại tần số Doppler; (b) tối ưu hoá số lượng sóng mang con và chiều dài khoảng bảo vệ chống lại trải trễ RMS

74 Hình 3.13: Minh hoạ GSN ……… 76

Hình 3.14: ảnh hưởng của tạp âm xung tại thời điểm lấy mẫu 78

Hình 4.1: Các khối chức năng của lớp vật lý WiMAX ……… 80

Hình 4.2: Phân đoạn khối mã hóa ……… 82

Hình 4.3: Bộ mã hóa chập với tailbiting trong IEEE 802.16e – 2005 83

Hình 4.4: Bộ mã hóa turbo trong IEEE 802.16e – 2005 ……… 86

Hình 4.5 Cài xen các khối con 87

Hình 4.6: Qui trình HARQ với Dư thừa gia tăng ……… 89

Hình 4.7: Sơ đồ chòm sao ký hiệu của điều chế QPSK, 16 QAM và 6 4 QAM ………

92 Hình 4.8: Ký hiệu OFDM trong miền tần số ……… 94

Hình 4.9: Phương thức hoán vị sóng mang con FUSC ……… 97

Hình 4.10: Phương thức hoán vị sóng mang con DL PUSC ……… 100

Hình 4.11 Cơ chế hoán vị sóng mang con UL PUSC ……… 101

Hình 4.12: Cơ chế hoán vị sóng mang con UL PUSC tối ưu ………… 102

Hình 4.13: Hoán vị sóng mang Band AMC ……… 103

Hình 4.14: Cấu trúc khung TDD ……… 105

Hình 4.15: Phân tập phát sử dụng mã hóa không gian/ thời gian ……… 108

Hình 4.16: (a) mã hóa theo chiều ngang cho 2 anten; (b) mã hóa theo chiều dọc cho 2 anten ………

110 Hình 4.17: Cluster PUSC cho (a) hai anten phát; (b) bốn anten phát … 111 Hình 4.18: Mã phân tập nhảy tần ……… 112 Hình 4.19: Cấu trúc của MIMO lặp đóng trong IEEE 802.16e-2005 … 114

Hình 4.20: Cấu trúc ký hiệu định tầm ……… 119

Hình 5.1 Giao diện mô phỏng ……… 123

Hình 5.2 Kết quả tính toán khi không có lỗi bit ……… 124

Hình 5.3 Kết quả tính toán khi có lỗi xảy ra ……… 124

1990 đến hơn 2 tỷ thuê bao vào năm 2005 Trong thời kỳ này thì mạng Internet

từ chỗ là một công cụ hàn lâm đã trở thành công cụ có 1 tỷ người dùng Sự phát triển đáng kinh ngạc này của Internet đang đòi hỏi các yêu cầu dịch vụ truy nhập Internet tốc độ cao hơn, dẫn đến sự phát triển song song trong mạng băng rộng Chưa đầy một thập kỷ trước, số lượng thuê bao băng rộng toàn cầu đã phát triển từ con số 0 lên đến 200 triệu

Mục đích kết hợp sự hội tụ của wireless với hiệu suất cao của băng rộng

là giới hạn tiếp theo cho sự phát triển của công nghiệp viễn thông? Liệu có thể làm được việc kết hợp giữa kỹ thuật và thương mại được hay không? wireless

có thể cung cấp các dịch vụ và ứng dụng băng rộng thỏa mãn người dùng hay không? Nhiều nhà quan sát tin tưởng sẽ làm được như vậy Trước khi chúng ta

đi sâu nghiên cứu vô tuyến băng rộng, chúng ta hãy xem xét sự phát triển của mạng băng rộng hiện nay Công nghệ Đường dây thuê bao số (DSL) cung cấp băng rộng thông qua đường dây điện thoại, công nghệ Cable modem cung cấp dịch vụ thông qua cáp TV hiện nay đang chiếm ưu thế trong công nghệ truy nhập băng rộng Cả hai công nghệ này đều cung cấp cho người dùng tốc độ khoảng vài Mbps, và vẫn đang tiếp tục được nghiên cứu để nâng cấp tốc độ lên nhiều chục Mbps, và điều này có thể thực hiện được

Kể từ khi được triển khai lần đầu vào cuối những năm 1990, các dịch vụ này đã có được sự phát triển đáng kể Mỹ đã có hơn 50 triệu thuê bao băng rộng, bao gồm hơn một nửa thuê bao Internet gia đình Trên toàn thế giới số

lượng này hiện nay là hơn 200 triệu và được đặt mục tiêu phát triển hơn 400 triệu vào năm 2010 Sự đa dạng của các giải pháp không dây cho mạng băng rộng có thể làm gia tăng nhanh hơn nữa sự phát triển này Những ứng dụng nào

sẽ dẫn đường cho sự phát triển này? Người dùng trên toàn cầu đang mong đợi một sự đột biến trong việc chia sẻ thông tin, và tìm kiếm giải trí?

Hình 1.1 Tăng trưởng của số lượng thuê bao sử dụng điện thoại di động,

Internet và truy nhập băng rộng (1990 – 2006)

Truy nhập băng rộng không chỉ cung cấp việc lướt Web và tải các files trên mạng nhanh mà còn cung cấp được nhiều các dịch vụ đa phương tiện như audio thời gian thực và video streaming (Video theo dòng), hội nghị đa phương tiện và các trò chơi tương tác Các kết nối băng rộng cũng được sử dụng cho thoại dùng công nghệ VoIP Các hệ thống truy nhập băng rộng tiên tiến hơn như Fiber to the home (FTTH); VDSL (Very high data rate digital subscriber loop) và Video on demand (VoD) Khi mà thị trường băng rộng đang tiếp tục phát triển, nhiều ứng dụng mới đang nổi lên vì vậy rất khó để dự đoán được ứng dụng nào sẽ thành công trong tương lai

Vậy băng rộng không dây là gi? Băng rộng không dây là những gì đang làm cho những người sử dụng băng rộng (Broadband) được tham gia vào môi

trường không dây (wireless) , nó cung cấp cho người dùng những lợi ích và sự thuận lợi đáng quan tâm Có hai kiểu dịch vụ băng rộng không dây khác nhau cơ bản Kiểu thứ nhất cố gắng cung cấp các dịch vụ tương tự như băng rộng cố

định truyền thống nhưng sử dụng vô tuyến (Wireless) như là một phương tiện truyền dẫn Kiểu này thường gọi là Băng rộng không dây cố định (Fixed wireless broadband), có thể coi rằng nó như một lựa chọn có tính cạnh tranh với DSL hay Cable modem Kiểu thứ hai của băng rộng không dây được gọi là Băng rộng di động, có thêm các tính năng xách tay (portability), di cư (nomadicity) và di động (Mobility) (Nomadicity: tức là khả năng kết nối đến mạng từ các vùng khác nhau thông qua các trạm gốc khác nhau; Mobility: tức

là khả năng giữ kết nối liên tục trong khi di di chuyển ở tốc độ của phương tiện giao thông)

Vô tuyến băng rộng cố gắng mang lại các ứng dụng băng rộng đến các người dùng mới trong tương lai và do đó có thể cung cấp đến người sử dụng cuối cùng các giá trị khác nhau Trong phần này ta sẽ xem xét môt cách tổng quan về mạng Băng rộng không dây Mục tiêu là diễn giải các kiến thức cơ bản cần thiết để hiểu về công nghệ WiMAX (worldwide interoperability for microware access) Chúng ta cũng xem xét lịch sử của băng rộng không dây, liệt kê các ứng dụng của nó và thảo luận về xu hướng kinh doanh cũng như các thách thức

1.1 Tiến trình phát triển của băng rộng không dây

Lịch sử của băng rộng không dây có liên quan đến WiMAX có thể được nhận thấy nhờ vào mong muốn tìm kiếm các công nghệ có tính cạnh tranh với công nghệ truy nhập có dây (wireline-access) truyền thống Được kích thích bởi sự bãi bỏ của ngành công nghiệp viễn thông và sự phát triển nhanh của Internet, nhiều nhà khai thác viễn thông có sức cạnh tranh được thúc đẩy trong việc tìm kiếm các giải pháp không dây để vượt qua các nhà cung cấp dịch vụ

đang tồn tại Trong suốt một thập kỷ trước hay xa hơn, một số các hệ thống truy nhập không dây đã được triển khai, hầu hết bởi các công ty tiên phong (Start-up) được thúc đẩy bởi tiềm năng bất ngờ của không dây Các hệ thống

này có sự thay đổi rộng rãi các thông số về hiệu suất, giao thức, tần số sử dụng, các ứng dụng kỹ thuật và một loạt các thông số khác

Vài sự triển khai đã thành công nhưng chỉ giới hạn ở một vài ứng dụng

và chừng mực nào đó Rõ ràng, băng rộng không dây cho đến thời điểm này vẫn trong thời kỳ kiểm thử, và có tính riêng lẻ bởi vì sự phân đoạn của công nghiệp viễn thống, dẫn đến thiếu các chuẩn chung mang tính toàn cầu Sự xuất hiện của WiMAX như là một chuẩn công nghiệp được mong đợi có thể thay

đổi được tình hình này Dựa vào tính đa dạng của các giải pháp nghiên cứu và triển khai cho mạng vô tuyến băng rộng trong quá khứ, một cuộc khảo sát về lịch sử phát triển của vấn đề này sẽ được thực hiện trong phạm vi của chương này Thay vì cung cấp một bản tóm tắt của các mô hình rộng lớn về sự phát triển này Một bản danh sách theo thứ tự thời gian của một vài sự kiện quan trọng liên quan đến sự phát triển của băng rộng không dây được cho trong bảng 1.1 Công nghệ WiMAX đã trải qua 4 thời kỳ: Hệ thống lặp nội bộ không dây băng hẹp (Narrowband WLL), Hệ thống băng rộng thế hệ thứ nhất, Hệ thống băng rộng thế hệ thứ hai, Công nghệ dựa trên các tiêu chuẩn (Standards-Based Technology)

1.1.1 Hệ thống lặp nội bộ không dây băng hẹp (Narrowband WLL)

ứng dụng đầu tiên về việc lựa chọn wireless được thực hiện và triển khai

là dành cho thoại (Voice) Các hệ thống này có tên là wireless local-loop (WLL) và đã khá thành công tại các nước đang phát triển như Trung Quốc, ấn

độ, Indonesia, Brazil, và Nga nơi mà các yêu cầu của người dùng khá cao về các dịch vụ thoại cơ bản không thể được đáp ứng bởi việc sử dụng cấu trúc hạ tầng có dây sẵn có Trên thực tế, hệ thống WLL dựa trên các tiêu chuẩn Điện thoại có dây mở rộng thêm chức năng số (DECT) và CDMA đang tiếp tục được thực hiện trên thị trường Trên những thị trường, nơi mà cơ sở hạ tầng của lặp nội bộ (local-loop infrastructure) đã có sẵn và khá mạnh dành cho các ứng dụng thoại thì các hệ thống WLL cung cấp các giá trị mới là khá cạnh tranh Tiếp sau sự thương mại hóa của Internet vào năm 1993, yêu cầu truy nhập Internet bắt đầu tăng mạnh và việc cung cấp nhanh chóng các truy nhập

Internet tốc độ cao, như là một cách cho hệ thống wireless thấy được sự phân biệt giữa chúng với nhau

Ví dụ, tháng 2/1997, AT&T công bố họ đã phát triển một hệ thống truy nhập không dây ở băng tần 1900 MHz PCS (Personal communications services), hệ thống này có khả năng cung cấp 2 đường thoại và 1 kết nối dữ liệu 128kbps cho các thuê bao Hệ thống này được triển khai với cái tên

“Project Angel” có mục tiêu trở thành một trong những hệ thống không dây thương mại đầu tiên có sử dụng công nghệ anten thích ứng Sau giai đoạn thử nghiệm khoảng vài năm và đưa ra một bản đề xuất thương mại ngắn gọn, AT&T đã kết thúc dịch vụ vào tháng 12/2001, có thể viện dẫn giá thành cao của việc chạy hệ thống và sự nghèo nàn về tốc độ là nguyên nhân dẫn đến thất bại này

Trong suốt thời gian đó, nhiều công ty tiên phong đã tập trung nghiên cứu duy nhất một vấn đề đó là cung cấp dịch vụ truy nhập Internet sử dụng wireless Các công ty, nhà cung cấp dịch vụ Internet không dây (WISP - wireless Internet service provider) triển khai hệ thống ở băng tần không phép

900 MHz và 2.4 GHz Hầu hết các hệ thống này yêu cầu phải lắp đặt anten trong nhà của khách hàng hoặc trên mái nhà hay dưới mái hiên trong các tòa nhà Việc triển khai chỉ giới hạn chủ yếu tại các vùng đô thị nhỏ và các vùng lân cận Đặc thù của hệ thống này là trong giai đoạn đầu chỉ cung cấp tốc độ trên vài trăm kbps Sự phát triển sau này của các hệ thống không phép cho phép chúng cung cấp tốc độ cao hơn

1.1.2 Hệ thống băng rộng thế hệ thứ nhất

Giống như DSL và Cable modem khi mới bắt đầu triển khai, các hệ thống không dây phải phát triển để hỗ trợ được tốc độ cao hơn mới mong có cơ hội cạnh tranh với các dịch vụ hiện có Các hệ thống bắt đầu được triển khai ở tần số cao hơn như băng tần 2.5GHz và 3.5 GHz Các hệ thống tốc độ cực cao,

được gọi là Hệ thống phân bố đa điểm nội hạt (LMDS – Local multipoint distribution systems), hỗ trợ tốc độ từ vài trăm kbps đến hàng Mbps, LMDS cũng được triển khai ở băng tần sóng ngắn (milimet) như 24 GHz và 39 GHz

Các dịch vụ dựa trên LMDS có mục tiêu là các người dùng cho mục đích thương mại và cuối những năm 1990s có tốc độ phát triển nhanh, nhưng sự thành công có thời gian khá ngắn Các vấn đề truy nhập nổi cộm là việc lắp đặt anten, cộng với giải sóng ngắn và dung lượng của nó đã kìm hãm sự phát triển của công nghệ

Cuối những năm 1990s, một trong những hệ thống không dây băng rộng

được thực hiện với tên gọi Dịch vụ phân bố đa điểm đa kênh (MMDS - multichannel multipoint distribution services) ở băng tần 2.5 GHz Băng tần MMDS đã từng được sử dụng để cung cấp các dịch vụ video quảng bá, đặc biệt

là ở các vùng nông thôn nơi mà cáp TV không thực hiện được Sự xuất hiện của truyền hình vệ tinh đã khai tử việc kinh doanh cáp không dây, và các nhà khai thác đang tìm kiếm các giải pháp khác để sử dụng phổ tần này Vài nhà cung cấp đề xuất dịch vụ truy nhập Internet không dây một chiều sử dụng

đường dây điện thoại như là đường về Tháng 9/1998, ủy ban thông tin liên bang (FCC - Federal Communications Commission) nới lỏng các điều luật của băng MMDS tại Mỹ, theo đó cho phép các dịch vụ truyền thông 2 chiều, tạo ra ngành kinh doanh ở băng tần MMDS MCI WorldCom và Sprint mỗi bên đã trả xấp xỉ 1 tỷ USD để mua giấy phép sử dụng phổ tần MMSD, và nhiều công ty

đã bắt đầu phát triển các giải pháp không dây cố định tốc độ cao ở băng tần này

Thế hệ đầu tiên của các giải pháp không dây băng rộng cố định được thực hiện sử dụng lại các tháp phát tín hiệu đã từng phục vụ các thuê bao cáp không dây Các tháp này thông thường cao vài trăm feet và có khả năng phủ sóng LOS trong bán kính 35 dặm, sử dụng các máy phát công suất cao Các hệ thống MMDS thế hệ thứ nhất yêu cầu các thuê bao cài đặt các anten ngay ngoài nhà của họ phải đủ cao và phải hướng thẳng đến các tháp phát tín hiệu để

có thể truyền LOS Spint và MCI cung cấp hai dịch vụ không dây băng rộng sử dụng hệ thống MMDS thế hệ đầu ở vài thị trường khác nhau trong khoảng đầu những năm 2000 Các anten đặt ngoài nhà và đặt trong tầm nhìn thẳng đã cho thấy những trở ngại đáng kể Bên cạnh đó, khi mà một vùng khá rộng được phục vụ bởi chỉ một tháp phát sóng thì dung lượng của hệ thống bị giới hạn khá nhiều

2/1997 AT&T công bố việc phát triển công nghệ không dây cố định,

có tên là “Project Angel”

2/1997 FFC đấu giá phổ 30MHz ở tần số 2.3GHz cho các dịch vụ

thông tin không dây (WCS)

9/1997

American Telecasting (sau này được mua lại bởi Sprint) công

bố dịch vụ truy nhập Internet không dây ở băng tần MMDS cung cấp tốc độ 750kbps đường xuống với đường lên là

3/2000 AT&T triển khai dịch vụ không dây cố định tốc độ cao

thương mại đầu tiên sau khi đã thử nghiệm

5/2000 Sprint triển khai việc lắp đặt MMDS đầu tiên ở Phonix,

Airzona, Mỹ sử dụng công nghệ LOS thế hệ thứ nhất 6/2001 Thành lập WiMAX Forum

10/2001 Sprint tạm dừng việc triển khai MMDS

12/2001 AT&T ngừng cung cấp các dịch vụ không dây cố định

12/2001 Chuẩn IEEE 802.11 được hoàn thiện cho dải tần trên 11GHz 2/2002 Hàn Quốc cung cấp phổ tần trong băng tần 2.3GHz cho băng

rộng không dây (WiBro)

1/2003 Hoàn thành IEEE 802.16a

6/2004 IEEE 802.16-2004 hoàn thành và được phê chuẩn

9/2004 Intel bắt đầu phát triển chip WiMAX đầu tiên có tên là

Rosedale

12/2005 Chuẩn IEEE 802.16e hoàn thành và được phê chuẩn

1/2006 Sản phẩn đầu tiên của WiMAX Forum được phát hành cho

các ứng dụng cố định 6/2006 Các dịch vụ thương mại WiBro được phát hành ở Hàn Quốc

8/2006 Sprint Nextel đưa ra các kế hoạch triển khai WiMAX di động

tại Mỹ Bảng 1.1 Những mốc quan trọng trong quá trình phát triển của hệ thống không

dây băng rộng

1.1.3 Hệ thống băng rộng thế hệ thứ hai

Hệ thống băng rộng thế hệ thứ 2 có thể khắc phục được vấn đề LOS và cung cấp được dung lượng cao hơn Điều này thực hiện được là nhờ sử dụng cấu trúc tế bào và áp dụng các kỹ thuật xử lý tín hiệu tiên tiến để cải thiện hiệu suất hệ thống và kênh truyền dưới điều kiện đa đường Nhiều công ty tiên phong đã phát triển các giải pháp độc quyền tiên tiến, điều đó đã cung cấp sự tăng hiệu suất đáng kể so với hệ thống băng rộng vô tuyến thứ nhất Hầu hết các hệ thống mới này có thể hoạt động tốt trong điều kiện NLOS (không trong tầm nhìn thẳng), với các anten của người sử dụng có thể gắn dưới mái hiên hoặc thấp hơn Nhiều vấn đề về NLOS được giải quyết nhờ sử dụng công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM - orthogonal frequency division multiplexing) hay Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) và xử lý

đa anten Vài hệ thống được thực hiện bởi SOMA Networks và Navini Networks đã minh họa được việc thỏa mãn hiệu suất kênh truyền với khoảng

cách hàng dặm đến tận thiết bị đầu cuối mà không cần anten lắp ngoài nhà Việc thực hiện hệ thống với thông lượng lên tới vài Mbps là có thể thực hiện

được đối với hệ thống không dây băng rộng thế hệ thứ hai

1.1.4 Sự xuất hiện của Công nghệ dựa trên các tiêu chuẩn Based Technology)

(Standards-Năm 1998, IEEE thiết lập một nhóm có tên gọi là 802.16 để phát triển một chuẩn với tên gọi Mạng khu vực thành thị không dây (wireless metropolitan area network) hay wireless MAN Ban đầu nhóm này tập trung

phát triển các giải pháp ở băng tần 10 GHz đến 66 GHz với ứng dụng chủ yếu

là cung cấp kết nối tốc độ cao cho các doanh nghiệp mà không cần dùng cáp Những hệ thống này được quan niệm là có thể cùng tham gia vào với các vòng Ring bằng cáp và cung cấp cho băng thông đó thông qua một cấu hình Điểm-

Đa điểm cho các doanh nghiệp trong tầm nhìn thẳng Nhóm IEEE 802.16 đưa

ra một chuẩn và được thông qua vào tháng 12/2001 Chuẩn này - wireless MAN-SC, có lớp vật lý sử dụng kỹ thuật điều chế đơn sóng mang và lớp MAC với cấu trúc ghép kênh phân chia theo thời gian cụm (TDM) hỗ trợ cả song công phân chia theo thời gian (TDD) và song công phân chia theo tần số (FDD)

Sau khi hoàn thành chuẩn này, nhóm bắt đầu tiến hành mở rộng và điều chỉnh nó để có thể làm việc được ở cả tần số 2GHz – 11 GHz có cấp phép và không phép, điều mà có thể thực hiện không trong tầm nhìn thẳng (NLOS) Với sự bổ xung so với bản trước, IEEE 802.16a hoàn thành vào năm 2003, với

kỹ thuật OFDM được thêm vào như một phần của lớp vật lý để hỗ trợ cho việc triển khai trong môi trường đa đường Cùng thời gian này, OFDM đã chứng minh nó là một phương pháp được lựa chọn để giải quyết vấn đề đa đường cho mạng băng rộng và đã là một phần của bản sửa IEEE 802.11 Bên cạnh lớp vật

lý OFDM, 802.16a cũng có lớp MAC được định nghĩa thêm các lựa chọn khác bao gồm cả việc hỗ trợ cho OFDM Access

Xa hơn nữa, việc bản sửa 802.16a được thực hiện và hoàn thành vào năm

2004 Bản sửa này – 802.16-2004 thay thế 802.16, 802.16a và 802.16c bằng

một chuẩn duy nhất và nó cũng được ETSI (European Telecommunications Standards Institute) thông qua như là cơ sở cho HIPERMAN (High-performance MAN) Năm 2003, nhóm 802.16 bắt đầu làm việc để mở rộng hơn các đặc tính cho phép thực hiện các ứng dụng di động Phiên bản này là 802.16e được hoàn thành tháng 12/2005 và được ban hành chính thức với tên IEEE 802.16e-2005 Nó sử dụng OFDM mở rộng (Scale OFDM) ở lớp vật lý

và thực hiện điều chỉnh nhiều điểm ở lớp MAC phục vụ cho tính di động tốc độ cao Mặc dù OFDM đã được sử dụng rộng rãi trong thời gian gần đây, nhưng khái niệm này đã được đưa ra từ 40 năm trước Bảng 1.2 tóm tắt sơ lược lịch sử của OFDM

Khi được phát hành, các đặc tính của IEEE 802.16 là một tập hợp của các chuẩn với phạm vi rất rộng Để thực hiện được các yêu cầu đa dạng của ngành công nghiệp truyền thông, một chuẩn bất kỳ phải tích hợp được một tập các tùy chọn Để phát triển được các giải pháp có khả năng hoạt động toàn cầu

sử dụng họ 802.16 thì phạm vi của các chuẩn phải được giảm đi bằng việc thiết lập thống nhất trên cơ sở các tùy chọn của tiêu chuẩn để thực hiện và kiểm tra tính chất kết hợp đó IEEE đã phát triển các đặc tính nhưng đã đưa ra cho nền công nghiệp viễn thông nhiệm vụ chuyển chúng sang tiêu chuẩn có khả năng hoạt động trên phạm vi toàn cầu WiMAX Forum đã được thiết lập để giải quyết vấn đề này và thúc đẩy các giải pháp dựa trên các chuẩn IEEE 802.16

WiMAX Forum đã lấy hình mẫu theo Liên minh Wi-Fi, liên minh này

đã rất thành công trong việc thúc đẩy và cung cấp việc kiểm tra khả năng hoạt

động trên phạm vi toàn cầu cho các sản phẩm theo họ IEEE 802.11 WiMAX Forum có được sự tham gia từ các lĩnh vực khác trong ngành viễn thông bao gồm các công ty bán dẫn, các nhà máy sản xuất thiết bị, các nhà tích hợp hệ thống và các nhà cung cấp dịch vụ Forum đã bắt đầu kiểm tra khả năng hoạt

động toàn cầu và đưa ra sản phẩm đầu tiên của nó dành cho các ứng dụng cố

định dựa trên chuẩn IEEE 802.16-2004 vào tháng 1/2006 Các sản phẩm theo chuẩn IEEE 802.16e-2005 được mong đợi sẽ tung ra thị trường vào năm 2007 Các nhà cung cấp trước đây phát triển các giải pháp độc quyền đã đưa ra các kế hoạch để dịch chuyển sang WiMAX cố định hoặc di động Sự xuất hiện của

các sản phẩm WiMAX theo chuẩn chung là một mốc quan trọng trong lịch sử của các hệ thống không dây băng rộng

1966

Chang cho thấy điều chế đa sóng mang có thể giải quyết vấn đề

đa đường mà không cần giảm tốc độ số liệu Điều này được xem như là công bố chính thức đầu tiên về điều chế đa sóng mang

1971 Weinstein và Ebert cho thấy rằng điều chế đa sóng mang có thể

thực hiện được nhờ sử dụng DFT

1985

Cimini và phòng thí nghiệm Bell xác định nhiều vấn đề cơ bản trong truyền dẫn OFDM và thiết kế những khái niệm bao trùm cho OFDM

2002

ủy ban IEEE 802.16 đưa ra một chuẩn dựa trên OFDM cho truy nhập băng rộng dành cho các mạng MAN, goi là phiên bản IEEE - 802.16a

2003 ủy ban IEEE 802.16 đưa ra chuẩn 802.11g hoạt động ở băng tần

2.4GHz

2003 Chuẩn OFDM đa băng cho băng siêu rộng được phát triển, cho

thấy sự hữu ích của OFDM trong các hệ thống SNR thấp

Bảng 1.2 Tóm tắt lịch sử OFDM

1.2 Hệ thống băng rộng cố định: Các thị trường chính và các ứng dụng

Các ứng dụng sử dụng giải pháp không dây cố định có thể được phân loại như các ứng dụng Điểm-Điểm hay Điểm-Đa điểm bao gồm khả năng kết nối trong các tòa nhà bên trong một vùng nhất định và mạng vi ba Backhaul.Các ứng dụng Điểm-Đa điểm bao gồm băng rộng cho các khu dân cư, văn phòng nhỏ/ nhà văn phòng (SOHO), Các thị trường đầu tư nhỏ đến trung bình - CPE (small- to medium-enterprise (SME) markets), các dịch vụ T1 hay phân

đoạn T1 cho kinh doanh, và Backhaul không dây cho các điểm Hotspots Wi-Fi Hình 1.2 minh họa các ứng dụng Điểm - Đa điểm khác nhau

Hình 1.2 Minh họa các ứng dụng Điểm-Đa điểm của WiMAX

* Người dùng và băng rộng cho doanh nghiệp nhỏ:

Rõ ràng một trong những ứng dụng lớn nhất của WiMAX trong thời gian tới sẽ là truy nhập băng rộng cho các khu dân cư, SOHO và SME Các dịch vụ băng rộng được cung cấp bằng WiMAX cố định có thể bao gồm truy nhập Internet tốc độ cao, các dịch vụ thoại sử dụng VoIP và máy chủ cho các

ứng dụng trên nền Internet Không dây cố định có nhiều ưu điểm hơn so với các giải pháp có dây truyền thống Những ưu điểm này bao gồm chi phí khởi tạo và triển khai thấp; nhanh hơn và dễ dàng hơn trong triển khai và thu được lợi nhuận Có khả năng xây dựng mạng theo yêu cầu; chi phí thấp trong việc khai thác, vận hành, bảo dưỡng; độc lập so với các hãng truyền thông hiện tại

Tùy từng trường hợp CPE(customer premise equipment) hay các thuê bao (SS) (CPE được coi như một SS trong WiMAX cố định) mà hai mô hình triển khai có thể được sử dụng cho các dịch vụ băng rộng cố định để cung cấp cho các khu dân cư, SOHO và SME: Một mô hình yêu cầu việc lắp đặt anten bên ngoài nhà của khách hàng; mô hình còn lại sử dụng một modem vô tuyến tích hợp all-in-one và khách hàng có thể cài đặt ngay trong nhà như DSL truyền thống hay cable modem Sử dụng các anten ngoài trời cải thiện đường truyền vô tuyến do đó cải thiện hiệu suất hệ thống Mô hình này cho phép mỗi trạm phát phủ sóng một vùng rộng hơn, và cho phép giảm mật độ của các trạm phát sóng để đảm bảo việc phủ sóng băng rộng và do đó giảm chi phí xây dựng Yêu cầu lắt đặt anten ngoài nhà cũng có nghĩa là phải yêu cầu một người vận hành được đào tạo chuyên nghiệp, cũng đồng nghĩa với chi phí SS cao hơn Rõ ràng, hai việc triển khai cho thấy một sự thỏa hiệp giữa chi phí khởi tạo và chi phí hoạt động: giữa giá hạ tầng của các trạm gốc và giá cài đặt cho SS Với những nước phát triển, như Mỹ chẳng hạn thì giá phải trả cho người vận hành

là khá cao, cộng với việc khách hàng cũng không thích lắp đặt anten ngoài nhà

do đó họ sẽ thích việc lắp đặt SS trong nhà hơn, ít nhất là đối với các thuê bao tại các khu dân cư

Hơn nữa một SS tự cài đặt trong nhà cũng cho phép thực hiện các mô hình doanh nghiệp, nó có thể khai thác các kênh phân bố nhỏ lẻ và đưa đến cho khách hàng sự đa dạng trong lựa chọn SS Với những nước đang phát triển nơi

mà giá lao động rẻ và sự quan tâm về vùng cũng như khái niệm thẩm mỹ của

họ không quá khắt khe thì mô hình triển khai SS ngoài trời có thể coi là có kinh

tế hơn ở Mỹ hay những quốc gia phát triển khác với cấu trúc có dây đã khá tốt thì mạng không dây băng rộng cố định khá phù hợp khi sử dụng ở các vùng nông thôn hay các vùng phụ cận nơi mà các phương tiện truyền thống để cung cấp được các dịch vụ tương tự là khá đắt đỏ Cung cấp các dịch vụ đến các

vùng này được thực hiện bởi các công ty điện thoại hiện có hay những đối thủ nhỏ hơn như WISPs hay các nhà cung cấp địa phương Một trường hợp cũng có thể xảy ra là các nhà cung cấp dịch vụ cạnh tranh nhau có thể sử dụng WiMAX

để cạnh tranh trực tiếp với các nhà cung cấp DSL và Cable modem ở các khu vực thành phố hay ngoại ô Tại Mỹ, Quyết định của FCC tháng 8/2005 đã giảm các yêu cầu chia sẻ việc dùng cáp để có khả năng tăng sự hấp dẫn của các giải pháp không dây cố định, với mục đích tạo cho các nhà cung cấp tìm kiếm phương pháp mới trong việc tiếp cận và thỏa mãn yêu cầu khách hàng

Toàn cảnh cạnh tranh ở Mỹ như các công ty truyền hình cáp và các công

ty điện thoại đang diễn ra theo chiều hướng cung cấp các dịch vụ giải trí cũng như viễn thông một cách trọn gói đến người dùng Với tình hình này, các công

ty truyền hình vệ tinh bị thúc giục phải đưa ra các dịch vụ băng rộng bao gồm thoại và số liệu để có thể đứng được ở thị trường cạnh tranh với các công ty

điện thoại và công ty truyền hình cáp, và họ có thể coi WiMAX như giải pháp tiềm năng để đạt được mục đích này

* Mô phỏng T1 cho doanh nghiệp

Một cơ hội quan trọng nữa dành cho WiMAX cố định ở những thị trường phát triển là các giải pháp cho việc cạnh tranh T1/E1, phân đoạn T1/E1, hay các dịch vụ tốc độ cao cho thị trường doanh nghiệp Căn cứ vào chỉ một phần nhỏ các tòa nhà thương mại toàn cầu có truy nhập cáp quang chúng ta thấy rằng một yêu cầu rõ ràng là tìm kiếm các giải pháp thay thế với băng thông rộng, tốc độ cao hướng vào các khách hàng tiềm năng này Với các thị trường doanh nghiệp thì yêu cầu sẽ là các dịch vụ T1/E1 đối xứng điều mà cáp hay DSL không thể thỏa mãn về mặt kỹ thuật Các dịch vụ viễn thông truyền thống tiếp tục phục vụ yêu cầu này với khả năng cạnh tranh rất yếu Các giải pháp băng rộng cố định sử dụng WiMAX có tiềm năng cạnh tranh trực tiếp ở thị trường này

* Backhaul cho điểm nóng Wi-Fi

Một cơ hội thú vị khác cho cho WiMAX ở những nước phát triển là tiềm năng phục vụ như một kết nối backhaul đến những điểm nóng Wi-Fi Tại Mỹ

và các thị trường phát triển khác, một số lượng lớn các điểm nóng Wi-Fi đang

được triển khai ở các khu vực công cộng như trung tâm hội nghị, khách sạn, sân bay, các tiệm ca-fe Sự triển khai các điểm nóng này được mong đợi sẽ phát triển mạnh trong các năm tới Các nhà khai thác điểm nóng Wi-Fi sử dụng các kết nối băng rộng có dây để nối các điểm nóng về một điểm mạng nào đó WiMAX có thể phục vụ nhanh hơn và rẻ hơn thay thế cho các backhaul có dây này của Wi-Fi Sử dụng dung lượng truyền dẫn Điểm-Đa điểm của WiMAX để phục vụ như một kết nối backhaul tới các điểm nóng, điều đó có thể cải thiện cơ bản vấn đề kinh doanh các điểm nóng Wi-Fi và cung cấp động lực hơn nữa cho việc triển khai các điểm nóng Tương tự, WiMAX có thể phục vụ như là backhaul tế bào cho mạng 3G

Một thị trường lớn đầy tiềm năng cho WiMAX băng rộng phát triển bên ngoài nước Mỹ, đặc biệt là ở thành phố và các vùng ngoại ô của các nền kinh

tế đang phát triển như Trung Quốc, ấn Độ, Nga, Indonesia, Brazil và nhiều quốc gia ở Mỹ La tinh, Tây âu, Châu á và Châu Phi nơi mà việc triển khai các mạng băng rộng có dây còn rất thiếu Chính quyền một số nước muốn nhanh chóng bắt kịp các nước phát triển, đặc biệt là những nước không quá lớn, có việc triển khai mạng chậm và đắt đỏ thì có thể sử dụng WiMAX như một giải pháp “đi tắt đón đầu” Trong số các nước này đã có vài nước triển khai trên quy mô lớn hệ thống WLL cho thoại và các dịch vụ số liệu Các nhà cung cấp và các nhà khai thác viễn thông sẽ dễ dàng đẩy mạnh giá trị của WiMAX trong việc hỗ trợ số liệu băng rộng và thoại trong môi trường cố định

1.3 Băng rộng không dây di động: Các thị trường chính và các ứng dụng

Mặc dù việc triển khai WiMAX ban đầu có vẻ phù hợp với các ứng dụng

cố định, nhưng tiềm năng thực tế của WiMAX chỉ được phát hiện khi sử dụng cho các ứng dụng băng rộng di động và các ứng dụng có sự thay đổi vị trí Công nghệ WiMAX ở bản thân chuẩn IEEE 802.16e-2005 phù hợp để được triển khai bởi các nhà khai thác cố định với mục đích bắt kịp những giá trị của

di động không dây, và hơn nữa để đạt được truy nhập băng rộng Khi người dùng đã quen sử dụng băng rộng tốc độ cao ở nhà hay trong công việc, họ sẽ yêu cầu các dịch vụ tương tự như vậy trong các tình huống có thay đổi vị trí -

di cư (nomadic) hoặc di động (di chuyển với tốc độ của phương tiện giao thông), và nhiều nhà cung cấp dịch vụ có thể sử dụng WiMAX để thỏa mãn yêu cầu này Bước đầu tiên để tiến tới tính di động là việc thêm vào khả năng

di cư đơn giản cho hệ thống băng rộng cố định Cung cấp các dịch vụ WIMAX tới các thiết bị xách tay sẽ cho phép người dùng sử dụng băng thông không chỉ

ở nhà hay công ty mà còn ở những địa điểm khác Người dùng có thể thực hiện kết nối băng rộng của họ khi họ chi chuyển từ địa điểm này đến địa điểm khác

Di cư (Nomadic) có thể không cho phép chuyển giao một cách liên tục hay roaming khi người dùng di chuyển với tốc độ của phương tiện giao thông, nhưng nó cho phép di chuyển với tốc độ của người đi bộ và có khả năng kết nối

đến mạng từ bất kỳ vị trí nào trong vùng phục vụ Nhiều nơi trên thế giới nơi

mà tồn tại các nhà khai thác đường dây cố định, họ không sở hữu phổ tần tế bào, PCS hay 3G thì có thể sử dụng WiMAX để cung cấp các dịch vụ di động Khi nền công nghiệp truyền thông dịch chuyển theo hướng “4 người chơi” (Quadruple-play) :gộp các dịch vụ Thoại, số liệu, video và tính di động thành một dịch vụ trọn gói – vài nhà cung cấp không có các phần tử di động trong danh mục đầu tư của họ – các nhà cung cấp cáp, các công ty vệ tinh và các công ty thoại sẵn có – là phù hợp với tính hấp dẫn của WiMAX

Với nhiều công ty trong số này, kế hoạch thực hiện di động không chỉ là cơ hội kiếm tiền mới mà còn là việc “phòng thủ” để dịch chuyển bằng cách gia tăng giá trị cho tập các sản phẩm của họ Các nhà khai thác di động hiện tại có

lẽ là không phù hợp với việc sử dụng WiMAX nhưng thích hợp hơn với việc tiếp tục phát triển lên 3G để đáp ứng tốc độ số liệu cao hơn Điều này có thể chỉ là viễn cảnh, tuy nhiên ở đó các nhà khai thác di động truyền thống phải triển khai WiMAX như một giải pháp “chồng lấn” để cung cấp tốc độ số liệu cao hơn ở các vùng trung tâm thành phố hay các vùng thành thị Điều này đã

được thực hiện trong trường hợp của Korea Telecom, họ đã bắt đầu triển khai dịch vụ WiBro ở các vùng đô thị để để bù đắp cho các dịch vụ CDMA2000

đang có mặt ở khắp nơi nhưng không cung cấp được các dịch vụ giải trí, video, tin nhắn đa phương tiện với hiệu suất cao WiBro là một giải pháp băng rộng

được thực hiện bởi Viện nghiên cứu điện tử – viễn thông Hàn Quốc (ETRI) ở

băng tần 2.3 GHz Tại Hàn Quốc, hệ thống WiBro thỏa mãn người dùng với dải tốc độ 512Kbps – 3Mbps

Công nghệ WiBro hiện nay tương thích với IEEE 802.16e-2005 và WiMAX di động Hơn nữa để truy nhập Internet tốc độ cao hơn thì WiMAX di

động có thể được dùng để cung cấp dịch vụ VoIP trong tương lai Những bản nâng cấp sau này của WiMAX di động làm cho nó có khả năng cung cấp các dịch vụ VoIP một cách hiệu quả Công nghệ VoIP cũng có thể được thúc đẩy

để cung cấp những dịch vụ mới có tính sáng tạo, ví dụ như chat thoại, talk và chat đa phương tiện

push-to-Các nhà khai thác hiện nay cũng đang cố gắng sử dụng WiMAX để cung cấp các dịch vụ băng rộng cá nhân khác như là giải trí di động Tính linh hoạt của băng thông kênh và hỗ trợ đa mức QoS có thể cho phép WiMAX được

sử dụng bởi các nhà cung cấp cho mục đích cung cấp các dịch vụ giải trí băng tần cao về sau này Ví dụ WiMAX có thể được “đẩy” vào các thiết bị games xách tay để sử dụng trong môi trường cố định và di động cho các trò chơi tương tác Một ví dụ khác là các dịch vụ Audio streaming được cung cấp cho các máy nghe nhạc MP3 và các dịch vụ Video cung cấp cho các máy xem phim xách tay Trong khi các công ty điện thoại truyền thống chuyển sang lĩnh vực giải trí với IP-TV (Internet Protocol television), thì WiMAX xách tay có thể được sử dụng như một giải pháp để mở rộng phạm vi ứng dụng và nội dung bên ngoài ngôi nhà của người dùng

1.4 Wimax và các công nghệ không dây khác

WiMAX không chỉ là giải pháp cung cấp các dịch vụ vô tuyến băng rộng Nhiều giải pháp độc quyền, đặc biệt cho các ứng dụng cố định đã có mặt trên thị trường Một vài giải pháp độc quyền như công nghệ i-Burst từ ArrayCom và Flash-OFDM từ Flarion (đạt được bởi QualComm) cũng hỗ trợ cho các ứng dụng di động Hơn nữa với những ứng dụng độc quyền, đó là các giải pháp dựa trên các chuẩn khác nhau và có ít nhất vài phần được thỏa mãn bởi WiMAX, đặc biệt cho các ứng dụng xách tay và di động Trong thời gian gần đây, hầu hết các sự thay đổi có giá trị là Hệ thống tế bào 3G và hệ thống

Wi-Fi dựa trên chuẩn 802.11 Ta sẽ so sánh và cho thấy các sự tương phản của các công nghệ không dây khác nhau và các điểm chú ý đáng mong đợi ở WiMax

1.4.1 Hệ thống di động tế bào 3G

Nhiều nơi trên thế giới, các nhà khai thác dịch vụ di động đang nâng cấp mạng lưới của họ lên công nghệ 3G để cung cấp các ứng dụng băng rộng cho các thuê bao của họ Các nhà khai thác sử dụng công nghệ GSM đang triển khai công nghệ UMTS và HSDPA (Truy nhập gói đường xuống tốc độ cao) như là một phần tiến trình 3G của họ Các nhà khai thác CDMA đang triển khai 1x EV-DO (Tiến trình tối ưu hóa về số liệu) như là giải pháp 3G đối với các dịch vụ số liệu băng rộng Tại Trung Quốc và vài nơi ở Châu á, nhiều nhà khai thác xem TD-SCDMA (CDMA đồng bộ phân chia theo thời gian) như là giải pháp 3G Tất cả các giải pháp 3G này đều cung cấp tốc độ số liệu từ vài trăm kb/s đến vài Mb/s

Chúng ta hãy xem xét ngắn gọn về tốc độ của các công nghệ trước khi so sánh chúng với WiMax

HSDPA là giao diện vô tuyến chỉ dành cho đường xuống được định nghĩa bởi 3GPP UMTS 5 đặc tính HSDPA có khả năng cung cấp tốc độ số liệu

đỉnh của người dùng là 14.4 Mbps (thông qua lớp 2), sử dụng kênh 5 MHz Thực hiện tốc độ số liệu này tuy nhiên cũng yêu cầu sử dụng tất cả 15 mã, điều này không thực hiện được với các đầu cuối di động Sử dụng 5 hay 10 mã, HSDPA hỗ trợ tốc độ là 3.6 Mbps và 7.2 Mbps riêng biệt Tốc độ trung bình tiêu biểu mà người dùng đạt được trong khoảng 250 kbps- 750 kbps Trong trường hợp mở rộng như sử dụng xử lý không gian, tiếp nhận đa hướng trong di

động và tách sóng đa người dùng có thể cung cấp hiệu suất cao hơn đáng kể hệ thống HSDPA cơ bản Cần chú ý rằng HSPDA là giao diện chỉ dành cho đường xuống, do đó đến khi việc bù đường lên được thực hiện hoàn toàn thì tốc độ số liệu đỉnh đạt được của đường lên là nhỏ hơn 384kbps, trong hầu hết các trường hợp thì trung bình trong khoảng 40 kbps – 100 kbps

Một phiên bản đường lên là HSUPA (Truy nhập gói đường lên tốc độ cao) hỗ trợ tốc độ số liệu đỉnh lên tới 5.8 Mbps và được chuẩn hóa như một phần của 3GPP 6 đặc tính, việc triển khai được mong đợi trong năm 2007 HSDPA và HSUPA đều được đề xuất cho HSPA (Truy nhập gói tốc độ cao) 1x EV-DO là chuẩn số liệu tốc độ cao được định nghĩa như là tiến trình đi lên từ thế hệ 2G của hệ thống IS-95 CDMA bởi tổ chức chuẩn hóa 3GPP2 Chuẩn này

hỗ trợ tốc độ số liệu đỉnh 2.4 Mbps với kênh 1.25 MHz Tốc độ số liệu điển hình theo kinh nghiệm hoạt động thực tế thường vào khoảng 100 kbps – 300 kbps Bản nâng cấp A của 1x EV-DO hỗ trợ tốc độ số liệu đỉnh lên tới 3.1 Mbps cho người dùng di động; Bản nâng cấp B sẽ hỗ trợ tốc độ 4.9 Mbps Các phiên bản này cũng có thể hỗ trợ tốc độ số liệu đường lên là 1.8 Mbps Bản B cũng có lựa chọn để hoạt động ở kênh có băng thông cao hơn (trên 20MHz), tiềm năng có thể đạt được trên 73 Mbps đường xuống và 27 Mbps đường lên Thêm nữa để cung cấp các dịch vụ số liệu tốc độ cao, hệ thống 3G đang phát triển để đáp ứng được các dịch vụ Multi-media

Ví dụ, 1x EV-DO bản A có thể cung cấp thoại và thoại thấy hình trên nền IP Để thực hiện được điều này, 1x EV-DO bản A đã giảm thời gian trễ kết nối vô tuyến xuống 30ms, giới thiệu QoS trong người dùng (intra-user QoS) và chuyển giao giữa các sector nhanh Các dich vụ Multicast và broadcast cũng

được hỗ trợ trong 1x EV-DO Tương tự, mọi sự cố gắng phát triển đều dựa trên mục tiêu hướng tới hỗ trợ thoại trên nền IP (VoIP), games, video và đạt chất lượng tốt như là các dịch vụ Multicast và Broadcast trên nền mạng UMTS/ HSPA

Cũng chú ý rằng 3GPP đang phát triển bản sửa chính tiếp theo dành cho chuẩn 3G Đối tượng của tiến trình dài hạn (LTE-Long-term evolution) là có thể hỗ trợ tốc độ số liệu đỉnh lên đến 100 Mbps ở đường xuống và 50 Mbps

đường lên, với hiệu suất phổ trung bình bằng 3 hoặc 4 lần so với HSPA 6 đặc tính Để đạt được tốc độ số liệu và hiệu suất phổ này thì giao diện vô tuyến phù hợp là OFDM/ OFDMA và MIMO (Multi input/ Multi output) giống như WiMAX

Tương tự như thế 3GPP cũng có kế hoạch dài hạn để đạt được tốc độ hoạt động cao hơn bằng cách di chuyển hoạt động lên băng tần cao hơn Mục