CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ WIMAX
1.3 TẦNG VẬT LÝ WIMAX
Tầng vậy lý WiMAX dựa trên ghép kênh phân chia theo tần số trực giao.
OFDM là lược đồ truyền tải được lựa chọn cho dữ liệu tốc độ cao, video, và các truyền thông đa phương tiện và được sử dụng trong nhiều hệ thống băng thông rộng thương mại, gồm DSL, Wi-Fi, quảng bá video cầm tay (DVB-H), MediaFLO bên cạnh WiMAX. OFDM là lược đồ tinh tế và hiệu quả cho truyền tải tốc độ dữ liệu cao trong không gian bị chắn hay môi trường sóng vô tuyến đa đường truyền. Trong phần này, chúng ta xem xét các đặc tính cơ bản của OFDM và cung cấp tổng quan tầng vật lý WiMAX.
1.3.1 Cơ bản về OFDM
OFDM thuộc về họ các lược đồ truyền tải gọi là điều biến đa sóng mang, dựa trên ý tưởng phân chi luồng dữ liệu tốc độ bit cao cho trước thành các luồng tốc độ bit thấp song song và điều biến mỗi luồng trên các sóng mang riêng biệt – thường gọi là sóng mang phụ. Lược đồ điều biến đa sóng mang loại trừ và làm tối thiểu giao thoa nội ký hiệu (ISI) bằng cách làm cho thời gian ký hiệu lớn vừa đủ để cho các độ trễ kèm kênh – sự mở rộng độ trễ là một đo lượng tốt trong các kênh không dây – và là phần không đáng kể của chu kỳ ký hiệu. Vì vậy, trong các hệ thống tốc độ dữ liệu cao mà chu kỳ mỗi ký hiệu là nhỏ, bằng cách nghịch đảo tốc độ dữ liệu, chia luồng dữ liệu vào các luồng song song làm tăng chu kỳ ký hiệu của mỗi luồng và làm cho sự mở rộng độ trễ là phần nhỏ của chu kỳ ký hiệu.
OFDM là phiên bản hiệu quả quang phổ của điều biến đa sóng mang, khi các sóng mang phụ được chọn tất cả chúng trực giao với một sóng mang khác trong chu kỳ ký hiệu, ngăn ngừa nhu cầu có các sóng mang phụ không chồng chéo để loại trừ giao thoa nội sóng mang. Bằng cách chọn sóng mang phụ đầu tiên có tần số là số nguyên của chu kỳ trong thời gian ký hiệu, và đặt khoảng cách giữa các sóng mang phụ liền kề (băng thông sóng mang phụ) là BSC = B/L, trong đó B là băng thông không đáng kể (bằng với tốc độ dữ liệu) và L là số lượng các sóng mang phụ, đảm bảo tất cả các sóng mang phụ trực giao với nhau trong thời gian ký hiệu. Có thể thấy rằng, tín hiệu OFDM là biến đổi
Fourier rời rạc nghịch đảo (IDFT) của khối chuỗi dữ liệu L trong thời gian.
Điều này khiến việc thực thi OFDM cực kỳ dễ dàng ở bộ phát và bộ thu trong thời gian rời rạc sử dụng IFFT (biến đổi Fourier nhanh nghịch đảo) và FFT tương ứng.
Để hoàn toàn loại bỏ ISI, chu kỳ bảo vệ được sử dụng giữa các ký hiệu OFDM, bằng cách để thời gian bảo vệ lớn hơn sự mở rộng độ trễ đa đường truyền, ISI có thể hoàn toàn được loại bỏ. Thêm vào chu kỳ bảo vệ, dù sao, ảnh hưởng đến lãng phí năng lượng và giảm hiệu quả băng thông. Lượng năng lượng lãng phí phụ thuộc vào độ lớn của phần thời gian ký hiệu mà thời gian bảo vệ thực hiện. Vì vậy, thời gian ký hiệu lớn hơn cho tốc độ dữ liệu cho trước, nghĩa là nhiều sóng mang phụ hơn sẽ làm giảm đi năng lượng mất mát và hiệu quả băng thông.
Kích thước của FFT trong thiết kế OFDM phải được chọn cẩn thận để cân bằng sự bảo vệ đa đường truyền , dịch chuyển Doppler, và độ phức tạp/chi phí thiết kế. Với băng thông cho trước, chọn kích thước FFT lớn làm giảm khoảng cách các sóng mang phụ và tăng thời gian ký hiệu. Điều này làm dễ dàng hơn việc bảo vệ trước sự mở rộng độ trễ đa đường truyền. Giảm khoảng cách sóng mang phụ, dù sao, làm cho hệ thống dễ tổn thương với giao thoa nội sóng mang do sự mở rộng Doppler trong các ứng dụng di động. Ảnh hưởng cạnh tranh của trễ và sự mở rộng Doppler trong yêu cầu thiết kế OFDM cần được cân bằng cẩn thận.
1.3.2 Các tham số OFDM trong WiMAX
Như đã đề cập ở trước, phiên bản di động và cố định WiMAX có sự thực thi khá khác nhau của tầng vật lý OFDM. WiMAX cố định dựa trên IEEE 802.16-2004, sử dụng 256 FFT tầng vật lý OFDM. WiMAX di động dựa trên IEEE 802.16e-2005, sử dụng tầng vật lý dựa trên OFDM với khả năng mở rộng. Trong trường hợp của WiMAX di động, kích thước FFT thay đổi từ 128 bit đến 2048 bit.
Bảng 1.3 Thể hiện các tham số liên quan đến OFDM ở cả OFDM- PHY và OFDMA-PHY. Các tham số ở đây chỉ là tập giới hạn của các hồ sơ và được mong đợi triển khai và không lấy cạn kiệt các giá trị của tập hợp.
Tham số WiMAX cố định OFDM-PHY
WiMAX di động OFDMA-PHY
Kích thước FFT 256 128 512 1024 204 8 Số lượng các sóng mang
phụ dữ liệu 192 72 360 720 144
0 Số lượng các sóng mang
phụ hướng dẫn 8 12 60 120 240
Số lượng các sóng mang
phụ số không/dải bảo vệ 56 44 92 184 368
Tiền tố tuần hoàn của
thời gian bảo vệ (Tg/Tb) 1/32, 1/16, 1/8, ẳ Tỷ lệ lấy mẫu
Phụ thuộc vào băng thông: 7/6 cho 256 OFDM, 8/7 cho nhiều 1.75MHz, và 28/25 cho nhiều
1.25MHz, 1.5MHz, 2MHz, hoặc 2.75MHz
Băng thông kênh (MHz) 3.5 1.25 5 10 20
Khoảng cách tần số sóng
phụ (kHz) 15.625 10.94
Thời gian ký hiệu có ích
(𝜇𝑠) 64 91.4
Thời gian bảo vệ giả thiết
𝜇𝑠) 8 11.4
Chu kỳ ký hiệu OFDM
(𝜇𝑠) 72 102.9
Số lượng các ký hiệu
OFDM trong khung 5ms 69 48.0
WiMAX cố định OFDM-PHY: với phiên bản này, kích thước FFT cố định ở 256 với 192 sóng mang phụ mang dữ liệu, 8 cho các sóng mang phụ hướng dẫn để cho mục đích đồng bộ và ước lượng kênh, và phần còn lại sử dụng như là các sóng mang phụ dản bảo vệ. Khi kích thước FFT là cố định, khoảng cách của các sóng mang phụ thay đổi theo băng thông kênh. Khi băng thông lớn hơn được sử dụng, khoảng cách các sóng mang phụ tăng lên, và thời gian ký hiệu giảm xuống. Giảm thời gian ký hiệu nghĩa là một phần lớn hơn cần được phân bổ cho thời gian bảo vệ để vượt qua sự mở rộng độ trễ.
Như thể hiện trong bảng 2.3, WiMAX cho phép phạm vi lớn của các lần bảo vệ để người thiết kế hệ thống trao đổi giữa hiệu quả quang phổ và sự mạnh mẽ mở rộng độ trễ. Để tối đa sự mạnh mẽ mở rộng độ trễ, 25% thời gian bảo vệ có thể được sử dụng, đặt mở rộng độ trễ lên tới 16 𝜇𝑠 khi hoạt động ở kênh
3.5MHz và tới 8 𝜇𝑠 trong kênh 7MHz. Với các kênh đa đường truyền ban đầu, thời gian bảo vệ được giảm 3%.
WiMAX di động OFDMA-PHY: trong WiMAX di động, kích thước FFT thay đổi từ 128 đến 2048. Ở đây, khi băng thông sẵn có tăng lên, kích thước FFT cũng tăng lên với khoảng cách các sóng mang phụ luôn là 10.94kHZ. Điều này giữ khoảng thời gian ký hiệu OFDM, là đơn vị tài nguyên cơ bản, cố định và vì vậy làm cho thay đổi có ảnh hưởng tối thiểu trong các tầng cao hơn. Thiết kế có thể thay đổi cũng được giữ ở chi phí thấp.
Khoảng cách sóng mang là 10.94kHz được chọn là cân bằng tốt để thỏa mãn sự mở rộng độ trễ và các yêu cầu mở rộng Doppler cho hoạt động ở các môi trường di động hoặc cố định. Khoảng cách sóng mang phụ này hỗ trợ các giá trị mở rộng độ trễ lên tới 20 𝜇𝑠 và di động phương tiện ở vận tốc 125 kmps khi hoạt động ở tần số 3.5GHz. Khoảng cách 10.94 ngụ ý rằng, khi 128, 512, 1024, 2048 FFT được sử dụng khi băng thông kênh là 1.25MHz, 5MHz, 10MHz, 20MHz tương ứng. Dù sao cũng cần lưu ý rằng, WiMAX di động cũng có hồ sơ băng thông thêm vào. Ví dụ, một hồ sơ tương thích với WiBro sẽ sử dụng kênh 8.75MHz và 1024 FFT. Điều này rõ ràng yêu cầu khoảng cách sóng mang phụ khác và sẽ không có đặc tính thay đổi.
1.3.3 Mã hóa và điều chế thích ứng trong WiMAX
WiMAX hỗ trợ nhiều lược đồ mã hóa và điều chế và cho phép lược đồ thay đổi từ bùng nổ sang bùng nổ mỗi liên kết, phụ thuộc vào các điều kiện kênh. Sử dụng chỉ mục phản hồi chất lượng kênh, di động có thể cung cấp cho trạm mặt đất với phản hồi về chất lượng kênh liên kết tải xuống. Với liên kết tải lên, trạm mặt đất có thể ước lượng chất lượng kênh, dựa trên chất lượng tín hiệu nhận được. Lịch biểu trạm mặt đất có thể xem xét chất lượng kênh liên kết tải xuống và liên kết tải lên của mỗi người dùng và cấp phát lược đồ mã hóa và điều chế để tối đa thông lượng cho tỷ lệ tín hiệu đến nhiễu sẵn có. Mã hóa và điều chế thích ứng làm tăng đáng kể khả năng toàn hệ thống, cho phép trao đổi thời gian thực giữa thông lượng và tính mạnh mẽ trên mỗi liên kết.
Bảng 1.4 liệt kê danh sách nhiều lược đồ mã hóa và điều chế hỗ trợ bởi WiMAX. Trong liên kết tải xuống, QPSK, 16 QAM, 64 QAM là bắt buộc cho cả WiMAX cố định và di động; 64 QAM là tùy chọn trong liên kết tải lên. Mã hóa FEC sử dụng mã chập là bắt buộc. Mã chập được kết hợp với mã Reed-
Solomon phía ngoài trong liên kết tải xuống cho OFDM-PHY. Chuẩn tùy chọn hỗ trợ mã turbo và mã kiểm tra tương đương mật độ thấp (LDPC) ở nhiều tỷ lệ mã. Tổng số 52 kết hợp các lược đồ mã hóa và điều chế được định nghĩa trong WiMAX như là hồ sơ bùng nổ.
1.3.4 Tốc độ dữ liệu tầng PHY
Bởi vì tầng vật lý của WiMAX khá linh động, hiệu suất tốc độ dữ liệu thay đổi theo các tham số hoạt động. Các tham số có ảnh hưởng quan trọng trong tốc độ dữ liệu tầng vật lý là băng thông kênh và lược đồ mã hóa và điều chế được sử dụng. Các tham số khác, như số lượng các kênh phụ, thời gian bảo vệ OFDM, tỷ lệ lấy mẫu, cũng có ảnh hưởng.
Bảng 1.5 liệt kê danh sách các tốc độ dữ liệu tầng PHY ở nhiều băng thông kênh, cũng như ở các lược đồ mã hóa và điều chế. Tốc độ ở đây là tập hợp tốc độ dữ liệu tầng vật lý chia sẻ giữa các người dùng trong phân vùng cho trường hợp TDD, giả sử ở tỷ lệ băng thông 3:1 cho liên kết tải xuống đến liên kết tải lên. Tính toán ở đây với giả thiết kích thước khung 5ms, 12.5%
chu kỳ bảo vệ OFDM bị vượt qua, và lược đồ sắp xếp sóng mang phụ PUSC.
Nó cũng giả thiết rằng, tất cả ký hiệu dữ liệu OFDM sử dụng là có sẵn cho giao thông người dùng ngoại trừ một ký hiệu sử dụng cho phía đầu khung liên kết tải xuống. Các số ở đây không có ghép kênh theo không gian sử dụng nhiều ăng ten ở bộ phát và bộ thu, nếu sử dụng có thể làm tăng tốc độ đỉnh trong các kênh đa đường truyền giàu có.