Nghiên cứu công nghệ không dây Wimax

Tài liệu tham khảo kỹ thuật công nghệ, chuyên ngành tin học Nghiên cứu công nghệ không dây Wimax

Lời nói đầu

Một vài năm trở lại đây, các công nghệ không dây được đề cập đến nhiều và được coi là một trong những giải pháp cho nhiều loại hình mạng Trong quá trình học tập tại trường đại học Bách khoa Hà Nội cũng như thực tập tại viện Công nghệ thông tin Quân đội, em đã được tiếp xúc, được đọc, tham khảo những tài liệu về các công nghệ này Một công nghệ không dây mới xuất hiện và có những ưu điểm vượt trội so với các công nghệ đi trước nó là công nghệ Wimax Dù rằng Wimax chưa được triển khai, cũng mới chỉ có các hệ thống thử nghiệm nhưng nó hứa hẹn là một công nghệ cách mạng trong lĩnh vực không dây Dựa trên sự hợp chuẩn của hai tổ chức chuẩn hóa lớn nhất thế giới là IEEE và ETSI cũng như sự hậu thuẫn của hàng loạt các công ty lớn trên thế giới như Intel, Alvarion… chắc chắn rằng trong tương lai không xa, Wimax sẽ trở nên phổ biến trên phạm vi toàn cầu Đối với Việt Nam, Wimax có thể được coi là một giải pháp đi tắt đón đầu và hoàn toàn phù hợp với hoàn cảnh nước ta

Để tìm hiểu trước về một công nghệ vẫn còn mới mẻ và đầy tiềm năng, em đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu công nghệ không dây Wimax”.

Do thời gian có hạn, công nghệ Wimax lại là một công nghệ mới, phức tạp, hơn nữa kiến thức của bản thân em vẫn còn nhiều hạn chế nên chắc chắn rằng đề tài sẽ không thể tránh khỏi những sai sót Mong các thấy, cô, các bạn góp ý cho em để em có hiểu biết sâu, rộng hơn về công nghệ này.

Đây là đề tài được thực hiện trong một thời gian dài và là thành quả lớn nhất của em trong quá trình học tập dưới mái trường đại học Bách Khoa Hà Nội Ngoài sự cố gắng, nỗ lực của bản thân, em còn được sự động viên giúp đỡ của rất nhiều người để có thể hoàn thành đề tài.

Em xin cảm ơn cô giáo PGS.TS Nguyễn Việt Hương, người đã tận tình hướng

dẫn, định hướng, góp ý cho em nhiều điều vô cùng quý báu trước và trong quá trình em thực hiện đề tài này.

Em xin cảm ơn các thầy cô giáo khoa Điện tử viễn thông, các thầy cô giáo trường đại học Bách Khoa Hà Nội đã truyền đạt cho em rất nhiều nhiều kiến thức, kinh nghiệm trong quá trình em học tập và nghiên cứu tại trường.

Xin cảm ơn các anh, các bạn trong nhóm Connek đã tạo điều kiện, cung cấp tài liệu, giải đáp, góp ý cho em về đề tài này.

Xin gửi lời cảm ơn đến anh Trần Văn Tùng, Lê Ngọc Hoàng (công ty ITC), bạn Hoàng Ngọc Nam (công ty VDC) và các người bạn khác.

Xin chân thành cảm ơn tất cả mọi người.

Hà Nội tháng 5-2005

Sinh viên

Nguyễn Đức Tuân

MỤC LỤC

Danh sách các hình VIDanh sách các bảng IX Bảng từ viết tắt XGiải thích một số thuật ngữ XIV

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1

1.1 Tổng quan về đề tài 1

1.2 Phạm vi đề tài 2

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ KHÔNG DÂY BĂNG RỘNG 3

2.1 Khái niệm công nghệ băng rộng 3

2.1.1 Nhu cầu của công nghệ băng rộng 3

2.1.2 Lợi ích từ công nghệ truy nhập băng rộng 5

2.1.3 Các công nghệ truy nhập băng rộng đáng lưu tâm 5

2.2 Công nghệ không dây băng rộng 6

2.2.1 Thế giới công nghệ không dây 6

2.2.2 Các hệ thống chuẩn cho mạng không dây băng rộng 11

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÍ THUYẾT 14

3.1 Các hiệu ứng trong truyền thông không dây 14

3.1.1 Hiệu ứng suy hao đường truyền 15

3.1.2 Hiệu ứng fading 15

3.2 Các kĩ thuật điều chế 17

3.2.1 Điều chế BPSK/QPSK 17

3.2.2 Điều chế QAM 18

3.6.2 Mã hóa khóa công cộng 32

CHƯƠNG 4: GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ WIMAX 34

4.1 Khái niệm công nghệ Wimax 34

4.2 Một số các ứng dụng điển hình của Wimax 36

4.3 Ưu điểm của Wimax 36

4.4 Wimax Forum 37

CHƯƠNG 5: CÁC VẤN ĐỀ KĨ THUẬT TRONG WIMAX 39

5.1 Những băng tần cơ bản sau được sử dụng trong 802.16 39

5.2 Mô hình tham chiếu 39

5.3 Lớp con hội tụ CS 40

5.4 Lớp con MCPS 43

5.4.1 Đánh địa chỉ 45

5.4.2 Định dạng của MAC PDU 46

5.4.3 Quá trình xây dựng MAC PDU trong 802.16 51

5.4.4 Cơ chế cấp phát và yêu cầu băng thông 51

5.4.5 Quá trình thiết lập kết nối 52

5.6.2 Duplexing và đa truy nhập 64

5.6.3 OFDM Symbol 65

5.6.4 Sơ đồ khối quá trình truyền-nhận 66

5.6.5 Điều chế và mã hóa thích ứng 70

CHƯƠNG 6: ỨNG DỤNG CỦA WIMAX 73

6.1 Mô hình kết nối tổng quát 73

6.2 Mô hình ứng dụng của Wimax 77

6.2.1 Mô hình ứng dụng cho mạng truy nhập 77

6.2.3 Mô hình kết hợp với WiFi 79

KẾT LUẬN 80

PHỤ LỤC 82TÀI LIỆU THAM KHẢO 85

DANH SÁCH CÁC HÌNH

HÌNH 1-1: VÍ DỤ VỀ LIÊN KẾT GIỮA CÁC MẠNG 2

HÌNH 2-2: HỆ THỐNG CHUẨN CHO MẠNG KHÔNG DÂY 11

HÌNH 2-3: QUAN HỆ GIỮA 802 VÀ OSI 12

HÌNH 2-4: HỆ THỐNG CHUẨN CHO MẠNG KHÔNG DÂY CỦA IEEE 13

HÌNH 3-5: HIỆN TƯỢNG ĐA ĐƯỜNG TRONG TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN 16HÌNH 3-6: ĐIỀU CHẾ BPSK 17

HÌNH 3-7: ĐIỀU CHẾ QPSK 18

HÌNH 3-8: ĐIỀU CHẾ QAM 19

HÌNH 3-9: SO SÁNH GIỮA FDM VÀ OFDM 20

HÌNH 3-10: NGUYÊN LÝ TẠO MỘT KÍ HIỆU OFDM 21

HÌNH 3-11: PHỔ NĂNG LƯỢNG TRONG OFDM 22

HÌNH 3-12: DẢI BẢO VỆ TRONG MỘT KÍ HIỆU 22

HÌNH 3-13: SƠ ĐỒ THU PHÁT CỦA HỆ THỐNG OFDM 23

HÌNH 3-14: MÃ HÓA KÊNH TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN SỐ 25

HÌNH 3-15: MÃ KHỐI 26

HÌNH 3-16: MÃ XOẮN 26

HÌNH 3-17: ĐA TRUY NHẬP THEO TẦN SỐ 27

HÌNH 3-18: ĐA TRUY NHẬP THEO THỜI GIAN 28

HÌNH 5-24: MÔ HÌNH THAM CHIẾU CỦA 802.16 40

HÌNH 5-25: CẤU TRÚC CỦA ATM-CS PDU CHẾ ĐỘ CHUYỂN MẠCH ĐƯỜNG 42

HÌNH 5-26: CẤU TRÚC KHUNG ATM-CS PDU CHẾ ĐỘ CHUYỂN MẠCH KÊNH 42

HÌNH 5-27: QUÁ TRÌNH PHÂN LOẠI MAC SDU 43

HÌNH 5-28: CÁC KIẾN TRÚC TRONG 802.16 44

HÌNH 5-29: CÁC SDU, PDU QUA TỪNG LỚP 47

HÌNH 5-30: CẤU TRÚC CỦA MAC PDU 47

HÌNH 5-31: CẤU TRÚC TIÊU ĐỀ MAC PDU DẠNG THÔNG THƯỜNG 48

HÌNH 5-32: CẤU TRÚC TIÊU ĐỀ MAC PDU DẠNG YÊU CẦU BĂNG THÔNG 50

HÌNH 5-33: QUÁ TRÌNH THIẾT LẬP KẾT NỐI 53

HÌNH 5-34: MỐI QUAN HỆ GIỮA CÁC THỰC THỂ QOS 56

HÌNH 5-35: QUÁ TRÌNH CẤP PHÉP VÀ TRAO ĐỔI KHÓA AK 61

HÌNH 5-36: QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI KHÓA TEK 61

HÌNH 5-37: MỐI QUAN HỆ GIỮA TẢI TRƯỚC KHI MÃ HÓA VÀ SAU KHI MÃ HÓA 62

HÌNH 5-38: QUÁ TRÌNH MÃ HÓA 63

HÌNH 5-39: CẤU TRÚC SYMBOL TRONG MIỀN THỜI GIAN 65

HÌNH 5-40: CẤU TRÚC SYMBOL TRONG MIỀN TẦN SỐ 65

HÌNH 6-46: MÔ HÌNH CƠ BẢN CỦA MỘT WIMAX BS 74

HÌNH 6-47: TRUNG TÂM QUẢN LÍ 76

HÌNH 6-48: MÔ HÌNH ỨNG DỤNG CHO MẠNG TRUY NHẬP 77

HÌNH 6-49: MÔ HÌNH ỨNG DỤNG CHO MẠNG BACKHAUL 78

HÌNH 6-50: MÔ HÌNH KẾT HỢP GIỮA WIMAX VÀ WIFI 79

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 5.1: Ý nghĩa các trường trong tiêu đề MAC PDU 50

Bảng 5.2: Ý nghĩa các bit trong trường Type 51

Bảng 5.3: Các mô hình mã hóa 69

Bảng 5.4: Các mô hình xen kẽ 71

Bảng 5.5: Thông số điều chế OFDM trong Wimax 71

Bảng 5.6: Tổng kết về Wimax 82

CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance

DL-MAP Download Map

ETSI European Telecommunications Standards Institute

FDMA Frequency Division Multiple Access

IEEE Institue of Electrical and Electronic Engineers

LMDS Local Multipoint Distribution Service

NNI Network-to-Network Interface

nrtPS Non-real-time Polling Service

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing

OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access

TEK Traffic Encryption Key

UNII Unlicensed National Information Infrastructure

WIMAX Worldwide Interoperability Microwave Access

GIẢI THÍCH MỘT SỐ THUẬT NGỮ

Backhaul: là mạng kết nối từ các điểm truy nhập (BS trong Wimax hoặc AP trong

WiFi) tới nhà cung cấp dịch vụ hoặc từ nhà cung cấp dịch vụ tới mạng lõi (mạng core).

Hotzone: là một vùng diện tích lớn mà ở đó có thể truy nhập Internet tốc độ cao

Hotzone trong Wimax tương tự với hotspot trong WiFi, nhưng trong khi phạm vi của

hotspot chỉ vài chục đến vài trăm mét thì phạm vi của Hotzone có thể lên tới hàng chục

RSA: là một thuật toán mã hóa công cộng rất nổi tiếng dùng để chứng thực và mã

hóa dữ liệu được Rivest, Shamir, and Adleman phát triển.

LOS: truyền trong tầm nhìn thẳng, cả trạm phát và trạm thu đều phải nằm trong

miền Fresnel thứ nhất Truyền trong tầm nhìn thẳng thích hợp với dải tần cao.

NLOS: truyền không trong tầm nhìn thẳng, trạm phát và thu không cần nằm trong

miền Fresnel thứ nhất Các tín hiệu truyền giữa trạm phát và thu có thể là tín hiệu trực tiếp hoặc tín hiệu quan phản xạ, … truyền không trong tầm nhìn thẳng phức tạp hơn truyền trong tầm nhìn thẳng do phải xử lí rất nhiều hiệu ứng do môi trường gây ra, nó thích hợp với dải tần thấp.

WiFi: Là một chuẩn công nghiệp cho mạng WLAN, trước đây dựa theo chuẩn

802.11b, nhưng hiện nay thì gồm cả chuẩn 802.11g.

DCD: Trong Wimax, đây là một loại bản tin quản lí dùng để mô tả các đặc điểm

lớp vật lý của đường xuống.

DL-MAP: Trong Wimax, bản tin này dùng để chỉ định thời điểm bắt đầu của một

cụm thông tin đường xuống.

UCD: Trong Wimax, đây là một loại bản tin quản lí dùng để mô tả các đặc điểm

lớp vật lý của đường lên.

UL-MAP: Trong Wimax, bản tin này là tập hợp các thông tin định nghĩa việc truy

nhập đường xuống.

SC: Kĩ thuật điều chế tín hiệu trên một sóng mang.

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU1.1 Tổng quan về đề tài

Xã hội ngày càng phát triển, nhu cầu trao đổi thông tin ngày càng tăng Trước đây, khi nhu cầu ít, thông tin được trao đổi rất đơn giản, có khi chỉ là những kí hiệu, những chữ thông thường… rồi dần dần đến các văn bản, email, tệp tin cỡ nhỏ,… Nhưng như hiện nay, và cả trong tương lai, người ta không chỉ muốn trao đổi các loại hình thông tin đơn giản cũ nữa mà người ta muốn trao đổi cả những thông tin có kích thước lớn hơn, đa dạng hơn như âm thanh, hình ảnh, video,…

Trước thực tế đó, ngoài việc đưa ra các chính sách, các quy định, còn cần phải có các công nghệ mới để hỗ trợ cho việc xây dựng và triển khai dịch vụ Người ta cần cải tạo toàn bộ hệ thống mạng để đáp ứng nhu cầu đó, từ mạng lõi, mạng phân tán đến các mạng truy nhập Hiện nay trên thế giới và cả Việt Nam, mạng lõi, mạng phân tán cũng đã được cải thiện một cách đáng kể Riêng mạng truy nhập thì gặp nhiều khó khăn hơn Mạng truy nhập là mạng nối từ nhà cung cấp dịch vụ tới khách hàng, nó chiếm phần đầu tư rất lớn cho toàn bộ mạng nói chung Đây cũng là nơi mà rất nhiều giải các giải pháp được đưa ra nhằm cải thiện khả năng cung cấp dịch vụ cho khách hàng đồng thời tiết kiệm tối đa chi phí.

Mạng truy nhập được nói đến nhiều nhất hiện nay là các mạng truy nhập băng rộng Gọi là băng rộng vì nó cung cấp một tốc độ đủ lớn để triển khai các dịch vụ tiên tiến như thoại, dữ liệu và có thể cả video,…Các công nghệ băng rộng cho mạng này được phân ra làm hai loại, một là không dây và một là có dây.

Loại có dây vẫn được dùng phổ biến từ trước cho tới nay như DSL, CATV, cáp quang,… Công nghệ có dây ưu điểm là tốc độ rất cao, không bị giới hạn nhiều về các chính sách, quy định,… nhưng nhược điểm rõ ràng của nó là giá thành rất cao, việc triển khai phức tạp và kém linh hoạt Trái lại, đây lại là những ưu điểm của mạng không dây Dù rằng tốc độ của mạng không dây không cao lại bị ràng buộc chặt chẽ bởi các quy định, nhất là các quy định về tần sổ… nhưng mạng không dây tiết kiệm được giá thành, lại linh hoạt và dễ triển khai Chính vì thế, dù chưa thể thay thế được mạng có dây nhưng mạng không dây được coi là giải pháp khắc phục các hạn chế mà mạng có dây không thể làm được.

Wimax là một công nghệ không dây băng rộng với mục đích hướng tới các mạng MAN So với một số công nghệ cũ như WiFi, LMDS, Wimax cho phép truyền

tải với tốc độ cao, phạm vi bao phủ rộng và rất nhiều cơ chế hỗ trợ chất lượng dịch vụ, bảo mật,… Nó cung cấp một giải pháp toàn diện cho mạng MAN Trong đô thị, người ta có thể sử dụng Wimax như một giải pháp kết nối các mạng khác nhau để tạo nên một sự liên thông giữa các mạng như: mạng công an, mạng y tế, mạng giao thông….

Hình 1-1: Ví dụ về liên kết giữa các mạng

Đề tài “Nghiên cứu công nghệ Wimax” dưới đây nhằm mục đích nghiên cứu kĩ về công nghệ Wimax: các vấn đề kĩ thuật và khả năng triển khai công nghệ Wimax.

Đề tài được nghiên cứu theo trình tự sau đây:

Đầu tiên sẽ tìm hiểu tổng quan về công nghệ băng rộng nói chung và công nghệ không dây nói riêng, mục đích và khả năng của từng công nghệ.

Tiếp đến là phần tìm hiểu về lí thuyết chung trong không dây Lí thuyết này là nền tảng để nghiên cứu công nghệ Wimax.

Cuối cùng sẽ nghiên cứ về các vấn đề kĩ thuật chính trong Wimax, mô hình ứng dụng cũng như khả năng triển khai của công nghệ này

1.2 Phạm vi đề tài

Công nghệ Wimax là công nghệ mới và có rất nhiều vấn đề cần nghiên cứu Đề tài “Nghiên cứu công nghệ Wimax” không tập trung vào nghiên cứu chuyên sâu một

vấn đề mà chỉ nghiên cứu Wimax với vai trò là một kĩ thuật không dây băng rộng cố định Làm nổi bật lên công nghệ Wimax, các ưu điểm cũng như khả năng ứng dụng của công nghệ

Đề tài được chia làm sáu chương:

• Chương I: Chương giới thiệu tổng quan, phạm vi đề tài như đã trình bày ở

• Chương II: Tìm hiểu tổng quan về công nghệ băng rộng nói chung và công

nghệ băng rộng không dây nói riêng, hệ thống chuẩn của các công nghệ băng rộng không dây và Wimax.

• Chương III: Chương này tổng kết nền tảng lí thuyết, kĩ thuật,… sẽ được ứng

dụng trong Wimax như các hiện tượng đa đường, suy hao, các kĩ thuật điều chế, mã hóa….

• Chương IV: Chương này giới thiệu chung về công nghệ Wimax, Wimax là

gì? Ứng dụng của nó thế nào? Khả năng của nó ra sao? Chương này cũng giải thích một số các yếu tố ngoài kĩ thuật mà có thể biến Wimax trở thành một công nghệ phổ biến trong tương lai.

• Chương V: Chương này tập trung lí giải các vấn đề kĩ thuật trong Wimax như

mô hình phân lớp, chất lượng dịch vụ, bảo mật,…

• Chương VI: Giới thiệu một số mô hình triển khai Wimax, hiện trạng công

nghệ Wimax trên thế giới và ở Việt Nam.

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ KHÔNG DÂY BĂNG RỘNG2.1 Khái niệm công nghệ băng rộng

2.1.1 Nhu cầu của công nghệ băng rộng

Mạng truy nhập là mạng nằm giữa tổng đài nội hạt CO (Central Office) và thiết

bị đầu cuối của khách hàng Các dịch vụ viễn thông mà khách hàng có thể sử dụng được xác định bởi tổng đài nội hạt Mạng truy nhập có vai trò hết sức quan trọng trong mạng viễn thông Nó là phần lớn nhất của bất kỳ mạng viễn thông nào, trải dài

trên vùng địa lý rộng lớn Thông thường chi phí xây dựng mạng truy nhập chiếm ít nhất là một nửa chi phí xây dựng toàn bộ mạng viễn thông Đó là con đường duy nhất để cung cấp các dịch vụ (gồm cả thoại và dữ liệu) Chất lượng và hiệu năng của mạng truy nhập ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng cung cấp dịch vụ của toàn bộ mạng viễn thông.

Theo phương phức truy nhập truyền thống mà hiện nay vẫn được sử dụng chủ yếu, đặc biệt là tại Việt Nam là dùng cặp cáp đồng làm phương tiện truyền dẫn, như vậy mỗi thuê bao cần có một lượng khá lớn cáp đồng kết nối với tổng đài Mạng truy nhập truyền thống vốn được thiết kế cho việc truyền thông tín hiệu thoại, nó sử dụng chủ yếu là tín hiệu tương tự với dải tần hẹp (0,3 – 3,4KHz), chỉ thích hợp cho các cuộc gọi ngắn cỡ vài phút Các cuộc gọi dài sẽ gây ra quá tải và tắc nghẽn trên mạng Các thành phần, thiết bị của nó cũng chỉ được xây dựng để thích ứng với các điều kiện này Điều này đã làm cho mạng truy nhập có hiệu suất rất thấp.

Băng tần của các đường dây cáp đồng không được khai thác triệt để, gây ra lãng phí lớn Các đường dây cáp đồng có băng tần cỡ MHz nhưng chỉ được sử dụng một lượng rất nhỏ, từ 0,3 đến 3,4KHz Với băng tần 0,3 – 3,4 KHz, về mặt lí thuyết 33,6Kbps là tốc độ tối đa có thể đạt được Sau này một số công ty chế tạo Modem tìm cách lách khỏi các mạch lọc và có thể đưa tốc độ đường truyền lên tới 56Kbps theo chiều từ ISP về thuê bao nhưng chiều ngược lại thì vẫn chỉ có 33,6Kbps.

Ngày nay, nhu cầu của khách hàng ngày càng cao gia tăng Người tiêu dùng không đơn thuần chỉ muốn truyền email, văn bản text, fax,… mà họ mong muốn sử dụng các dịch vụ đa phương tiện như âm thanh, hình ảnh… Khi đó tốc độ 33,6Kbps, thậm chí 56Kbps không thể đủ để triển khai các dịch vụ loại này

Hiện tại, khi mà tốc độ của mạng lõi đã được tăng đáng kể, khả năng xử lí tại

đấu cuối phía khách hàng cũng ngày một mạnh thì việc mạng truy nhập vẫn hạn chế như vậy sẽ gây ra hiện tượng ngẽn cổ chai (bottleneck) Vấn đề được đặt ra là cần phải cải thiện nốt mạng truy nhập để nó đáp ứng được nhu cầu của cả nhà cung cấp dịch vụ lẫn khách hàng.

Công nghệ băng rộng chính là các công nghệ sinh ra để giải quyết vấn đề của

mạng truy nhập Đó là thuật ngữ chỉ bất kì loại truy cập internet tốc độ cao nào Công nghệ băng rộng cho phép các cá nhân hoặc tổ chức có thể truy cập internet cả 24 giờ trong một ngày, tạo môi trường cho việc sử dụng hoặc cung cấp các dịch vụ chất lượng cao.

2.1.2 Lợi ích từ công nghệ truy nhập băng rộng

Trước tiên là nhanh, nó cho phép truy cập với một tốc độ gấp 10-20 lần so với

phương pháp quay số thông thường, thậm chí hơn nữa Khi ta dùng modem để quay số, tốc độ chỉ có thể đạt từ 30 đến 50Kbps còn với một kết nối băng rộng, tốc độ lên tới từ 256Kbps đến 10Mbps, phụ thuộc vào dịch vụ mà ta chọn Hãy tưởng tượng, khi ta sử dụng modem kết nối 28,8Kbps, ta phải mất đến 18 phút để tải một tệp nhạc MP3 3½ phút, trong khi nếu sử dụng kết nối băng rộng 1.5Mbps thì chỉ cần 20 giây.

Ưu điểm thứ hai là luôn kết nối Bất kì khi nào máy tính được bật lên thì nó đều

ở trạng thái kết nối với internet Điều này có nghĩa là không phải lãng phí thời gian cho việc quay số và đợi modem kết nối mỗi lần muốn vào interntet Sẽ không có chuyện bị cảnh báo mạng bận hoặc hiếm khi bị rớt ra khỏi mạng.

Không bắt buộc phải ngừng dịch vụ điện thoại trong khi dùng dịch vụ internet Tức là thuê bao hoàn toàn không phải trả tiền cho đường dây thuê bao thứ hai Hơn thế nữa cũng có thể chia sẻ giữa nhiều máy với nhau thông qua một kết nối internet.

Lợi ích đáng nói nhất của công nghệ băng rộng chính là tốc độ Chính vì đạt

được tốc độ cao như vậy nên có thể triển khai được rất nhiều các dịch vụ khác mà với các kết nối quay số thông thường không thể làm được Điều này đồng nghĩa với việc thúc đẩy sự phát triển của internet, sự phát triển của các dịch vụ xã hội khác Có thể kể qua ở đây một số dịch vụ đáng chú

với dung lượng lớn, có thể là tệp văn bản, tệp âm thanh, tập hình ảnh, tệp phim…, các dịch vụ nhắn tin nhanh IM (Instant Message), dịch vụ hội tụ (Video Conferencing) tốc độ cao.

2.1.3 Các công nghệ truy nhập băng rộng đáng lưu tâmCông nghệ DSL

DSL không phải là một công nghệ mà là một nhóm công nghệ Nó sử dụng đường cáp đồng có sẵn để truyền dữ liệu với tốc độ cao Nó cho phép truyền đồng thời dữ liệu và âm thanh trên đôi cáp đồng đó nhờ vào việc truyền dữ liệu và âm thanh trên các tần số khác nhau.

DSL cũng có những lợi ích rõ ràng như: truyền tốc độ cao, không cần thêm đường dây thuê bao, và cũng không cần phải thực hiện kết nối thường xuyên Tuy nhiên DSL cũng có những nhược điểm như: khoảng cách ngắn, tốc độ phụ thuộc vào khoảng cách từ thuê bao tới tổng đài nội hạt gần nhất,…

Công nghệ được DSL được nói đến nhiều nhất là ADSL (Asymmechical Digital Subcriber Line) Đây là công nghệ bất đối xứng, tức là tốc độ tải lên và tải xuống là không giống nhau Công nghệ này rất thích hợp đối với các hộ gia đình, doanh nghiệp, khi mà nhu cầu lấy thông tin từ internet thường lớn hơn rất nhiều so với nhu cầu tải thông tin lên Chính vì vậy mà công nghệ này rất phát triển và thường được dùng để triển khai cho mạng truy nhập.

Công nghệ cáp sử dụng đường cáp nối vào TV sẵn có làm môi trường truyền dữ liệu băng rộng Ưu điểm của công nghệ này cũng giống với DSL tuy nhiên hiện nay cáp không phải nơi nào cũng có Chính vì thể mà việc triển khai công nghệ này cùng không dễ.

Công nghệ không dây WPAN, WLAN, WMAN, WWAN

Công nghệ không dây băng rộng là công nghệ sử dụng sóng radio để truyền tải dữ liệu thay vì sử dụng cáp như các công nghệ ở trên Công nghệ không dây đang ngày càng tỏ rõ các ưu điểm của nó Một số các lợi ích của công nghệ này được thể hiện ở các điểm như là: cho phép thay đổi, di chuyển, thu hẹp và mở rộng một mạng một cách rất đơn giản, tiết kiệm, có thể thành lập một mạng có tính chất tạm thời với khả năng cơ động mềm dẻo cao, có thể thiết lập mạng ở những khu vực rất khó nối dây, tiết kiệm chi phí đi dây tốn kém Bên cạnh đó, việc cài đặt mạng không dây cũng khá dễ dàng.

Tuy nhiên công nghệ không dây băng rộng cũng có rất nhiều nhược điểm cần khắc phục như tốc độ và bảo mật… Việc cải tiến tốc độ trong công nghệ không dây khó hơn rất nhiều so với các công nghệ có dây khác bởi lẽ trong truyền thông không dây gặp rất nhiều vấn đề, hiện tượng ảnh hưởng tới truyền dẫn Hơn nữa, truyền thông không dây không sử dụng dây dẫn nên khả năng bị xâm nhập, bị phá dữ liệu do những yếu tố chủ quan là rất lớn

2.2 Công nghệ không dây băng rộng2.2.1 Thế giới công nghệ không dây.

Công nghệ WWAN - Wide Wireless Area Network

Đặc điểm của mạng WAN đó là khả năng bao phủ của nó trên một vùng địa lý

rộng lớn Có thể là một khu vực rộng, một quốc gia, thậm chí toàn cầu Chính vì vậy, mạng này ra đời chủ yếu với mục đích xây dựng nên các hệ thống thông tin di động

Kể từ khi ra đời từ năm 80 tới nay, các mạng di động đã phát triển hết sức nhanh chóng trên phạm vi toàn cầu Kết quả thống kê ở một số nước cho thấy số lượng các thuê bao di động đã vượt xa các thuê bao cố định Trong tương lai, con số này sẽ vẫn tăng cùng với nhu cầu của thuê bao Điều này đã khiến cho các nhà khai thác cũng như các tổ chức viễn thông không ngừng nghiên cứu, cải tiến, đưa ra các giải pháp kĩ thuật nhằm nâng cao khả năng của mạng di động Cho đến nay, mạng WWAN đã trải qua 3 thế hệ với các giai đoạn khác nhau Và mỗi thế hệ đều có những cải tiến vượt bậc so với thế hệ đi trước.

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G)

Hệ thống mạng di động thế hệ thứ nhất (1G) được phát triễn vào những năm cuối thập niên 70, hệ thống này sử dụng kỹ thuật tương tự (analog).Tất cả các hệ thống 1G sử dụng phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA Các hệ thống mạng di động 1G chỉ được dùng để sử dụng cho dịch vụ thoại với chất lượng khá thấp nguyên do tình trạng nghẽn mạch và nhiễu xảy ra thường xuyên

Các hệ thống mạng di động 1G bao gồm các hệ thống: AMPS (Advaced Mobile Phone System), ETACTS (Enhanced Total Access Cellular System) và NMT(Nordic Mobile Telephone System).

Hệ thống thông tin di động thứ 2 (2G)

Hệ thống mạng 2G được triển khai vào năm 1990 và hiện nay vẫn được sử dụng rộng rãi Là một mạng thông tin di động số băng hẹp, sử dụng phương pháp chuyển mạch (circuit switching) là chủ yếu Phương pháp đa truy cập TDMA (Time Division Multiple Access) và CDMA (Code Division Multiple Access) được sử dụng kết hợp FDMA Hệ thống mạng di động 2G sử dụng cho dịch vụ thoại và truyền số liệu.

Hệ thống mạng 2G bao gồm các hệ thống như PCS (Personal Communication

System), TDMA(Time Division Multiple Access), CDMA (Code Division Multiple Access), GSM(Global System for Mobile Communication)

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2.5 (2.5 G)

Đặc điểm của hệ thống mạng 2.5G là mạng chuyển tiếp giữa hệ thống mạng di động thế hệ thứ 2 (2G) và thứ 3 (3G) Hệ thống hoàn toàn dựa trên cơ chế chuyển mạch gói Ưu điểm củ hệ thống di động 2.5G là tiết kiệm được không gian và tăng tốc độ truyền dẫn.

Việc nâng cấp hệ thống mạng 2G lên 2.5G nhanh hơn và có chi phí thấp hơn so với việc nâng cấp mạng từ 2G lên 3G Hệ thống 2.5G như một bước đệm chuyển tiếp, không đòi hỏi môt sự thay đổi có tính chất đột biến

Các hệ thống mạng 2.5G gồm có GPRS(Generic Packet Radio Services), EDGE (Enhanced Data Rate for Global Evolution)

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G)

Đây là thế hệ thông tin di động số cho phép chuyển mạng bất kỳ, có khả năng truyền thông đa phương tiện chất lượng cao Các hệ thống 3G được xây dựng trên cơ sở CDMA hoặc CDMA kết hợp với TDMA, có khả năng cung cấp một băng tần rộng theo yêu cầu, do đó có thể hỗ trợ các dịch vụ có nhiều tốc độ khác nhau Ở thế hệ thứ 3, các hệ thống thông tin di động có xu thế hoà nhập thành một tiêu chuẩn chung duy nhất và phục vụ lên đến 2Mbps Mặc dù 3G được tính toán sẽ là một chuẩn mang tính toàn cầu nhưng chi phí xây dựng cơ sở hạ tầng cho hệ thống này rất tốn kém.

Các hệ thống mạng 3G gồm WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access), UMTS (Universal Mobile Telecommunication System)

Hiện nay ở Việt Nam, hệ thống mạng di động vẫn chủ yếu là 2G, mặc dù đã có 2.5G nhưng chưa được sử dụng rộng rãi Hệ thống di động 3G tới đây cũng sẽ được triển khai vào năm 2005.

Công nghệ WMAN

Đặc điểm của công nghệ này là phạm vi bao phủ của nó từ vài đến vài chục km Công nghệ này thích hợp cho việc triển khai các ứng dụng trong phạm vi một thành phố, hoặc một vùng ngoại ô,… Công nghệ này đặc biệt có ý nghĩa trong việc đưa thông tin tới các vùng sâu, vùng xa hoặc những nơi mà việc đi cáp đến thực sự khó khăn Hiện nay có hai tổ chức chính thực hiện việc chuẩn hóa công nghệ này là IEEE với 802.16 và ETSI với HiperAccess/HiperMAN

Công nghệ WLAN

WLAN là hệ thống liên kết, chia sẻ và trao đổi dữ liệu giữa các máy tính sử dụng sóng radio hoặc hồng ngoại nhằm thay thế mạng LAN truyền thống Tổ chức chuẩn hóa các mạng WLAN chủ yếu vẫn là IEEE và ETSI Các hệ thống WLAN có thể đạt tới tốc độ hàng chục Mbps trong khoảng cách vài chục mét Thiết bị WLAN

đã được lắp đặt tại nhiều địa điểm nhất là những nơi tập trung dân cư như khách sạn, trạm, nhà ga,…

Một số lợi ích cơ bản của WLAN là: cho phép thay đổi, di chuyển, thu hẹp và mở rộng một mạng một cách rất đơn giản, tiết kiệm, có thể thành lập một mạng có tính chất tạm thời với khả năng cơ động mềm dẻo cao, thiết lập được mạng ở những khu vực rất khó nối dây, tiết kiệm chi phí đi dây tốn kém Bên cạnh đó, việc cài đặt mạng WLAN cũng khá dễ dàng và công nghệ WLAN cũng rất dễ hiểu và dễ sử dụng LAN và WLAN chỉ khác nhau ở một số đặc điểm nhưng nhìn chung tất cả những công nghệ áp dụng trong LAN thì cũng đều đều áp dụng được cho WLAN Chúng có các tính năng giống nhau và thường được nối chung với mạng Ethernet đi dây.

WLAN ngày càng phát triển theo xu hướng “nhanh hơn, tốt hơn, rẻ hơn”, tốc độ của WLAN đã lên tới vài chục Mbps, khoảng cách hàng kilomet còn giá thành thì ngày càng giảm Thậm chí sự phát triển của nó đã làm nó vượt khỏi ranh giới mạng LAN thông thường

Ở Việt Nam hiện nay, WLAN vẫn chưa phát triển, chỉ có một số rất ít nơi lắp đặt hệ thống WLAN do cơ sở hạ tầng, giá thành chưa phù hợp Nhưng trong tương lai không xa, WLAN sẽ là một công nghệ thay thế cho các công nghệ LAN truyền thống.

Công nghệ WPAN

Cùng với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của khoa học, công nghệ, sự ra đời của các thiết bị ngoại vi cho máy tinh, các thiết bị hỗ trợ cá nhân ngày càng nhiều, nhu cầu trao đổi, chia sẻ thông tin giữa chúng cũng ngày càng trở nên cần thiết Các thiết bị này có đặc điểm là đơn giản, chuyên dụng, không đòi hỏi tốc độ quá cao, khả năng xử lí phức tạp cho nên việc sử dụng các công nghệ mạng có sẵn thực hiện những giao tiếp này trở nên đắt tiền và không phù hợp Mạng PAN ra đời cũng nhằm đáp ứng những đòi hỏi đó.

PAN là một mạng kết nối giữa các thiết bị ở rất gần với nhau cho phép chúng chia sẻ thông tin và các dịch vụ Điểm đặc biệt của mạng này là được ứng dụng trong khoảng cách rất ngắn, thông thường chỉ khoảng vài mét, công suất rất nhỏ,… nó rất thích hợp để nối các thiết bị ngoại vi vào máy tính Các mạng PAN cũng được dùng để giao tiếp giữa các thiết bị cá nhân như điện thoại, PDA,… hoặc để kết nối với các mạng cấp cao hơn như mạng LAN, WAN, thậm chí cả Internet Những ứng dụng

thường thấy hiện nay của WPAN là trong không gian văn phòng Các thiết bị điện tử trong mạng có thể là máy tính để bàn, máy tính di động, máy in, các thiết bị cầm tay, điện thoại di động, máy nhắn tin,…

Các công nghệ về WPAN có rất nhiều với nhiều loại và đa dạng được phân ra làm hai loại, một loại dùng sóng hồng ngoại để truyền và một loại dùng sóng radio để truyền

Công nghệ IrDA

IrDA là công nghệ không dây sử dụng sóng hồng ngoại được phát triển bởi Infrared Data Association Tổ chức gồm hơn 160 thành viên trên khắp thể giới lập ra nhằm xây dựng một bộ giao thức chuẩn cho việc truyền thông giá rẻ, khoản cách ngắn sử dụng sóng hồng ngoại thay thế cho các dây cáp trong các văn phòng, nhà, trường học.

IrDA được thiết kế có tốc độ từ 9600bps đến 1Mbps trong phạm vi khoảng 1 đến 2 mét, ngày nay nó đã được cải thiện lên tới 4Mbps thậm chí cao hơn và khoảng cách cũng được tăng lên Các thiết bị muốn sử dụng trao đổi thông tin thông qua các cổng IrDA phải được đặt sao cho chúng có thể nhìn thấy nhau, góc nhìn thẳng này nằm trong khoảng 30o Việc trao đổi thông tin thông qua IrDA có tốc độ khá cao, xử lí đơn giản, thuận tiện lại có giá thành rẻ Chính vì thế IrDA đã được tích hợp trong rất nhiều các thiết bị như máy xách tay, các máy PDA, thiết bị ngoại vi,… Tuy nhiên, IrDA cũng chưa đáp ứng được những nhu cầu ngày càng gia tăng của người dùng do những hạn chế về cơ chế cũng như điều kiện truyền

Bluetooth là một chuẩn công nghiệp được lúc đầu được phát minh và phát triển bởi hãng Erricson từ năm 1994, cho đến năm 1999 thì sự ra đời của tổ chức Bluetooth SIG (Special Interest Group), một cơ quan chuyên chuẩn hoá các hệ thống Bluetooth, tổ chức này bao gồm một loại các công ty lớn như Sony Erricson, IBM, Intel, Nokia, Toshiba… Khác với công nghệ IrDA sử dụng sóng hồng ngoại để truyền tin, công nghệ bluetooth lại sử dụng sóng radio có băng tần khoảng 2,4GHz (từ 2400MHz đến 2483.5MHz), với băng tần này tốc độ của bluetooth có thể đạt tới khoảng 700Kbps trong phạm vi khoảng 10 mét Bluetooth sử dụng sóng radio để truyền, ưu điểm của nó so với IrDA chính là khả năng đâm xuyên tốt hơn của sóng radio so với sóng hồng ngoại.

Hiện nay đã xuất hiện một số công nghệ WPAN mới ưu việt hơn hẳn so với IrDA và Bluetooth Các chuẩn này về cơ bản vẫn dùng sóng radio để truyền nhưng sử dụng những kĩ thuật mới cho phép tăng tốc độ truyền lên vô cùng lớn như công nghệ Wireless USB 480Mbps.

2.2.2 Các hệ thống chuẩn cho mạng không dây băng rộng

Hình 2-2: Hệ thống chuẩn cho mạng không dây

Hình 2.1 cho biết về các tổ chức chuẩn hóa mạng không dây, các chuẩn cũng như khả năng, phạm vi của từng chuẩn.

Có ba tổ chức chuẩn hóa các mạng không dây băng rộng là IEEE, ETSI và 3GPP Nhiệm vụ chính của IEEE và ETSI là chuẩn hóa các mạng không dây trên nền

tảng các mạng gói trong khi 3GPP tập chung chủ yếu vào các mạng tế bào và di động IEEE và ETSI chính là hai tổ chức chuẩn hóa các mạng không dây băng rộng Mặc dù IEEE là tổ chức của Mỹ còn ETSI là của châu Âu nhưng tầm ảnh hưởng của các chuẩn do hai tổ chức này tạo ra là gần như khắp thế giới Hình vẽ trên cho thấy mỗi một chuẩn của IEEE luôn có một chuẩn tương ứng của ETSI.

IEEE là một tổ chức của nước Mỹ chuyên phát triển nhiều loại tiêu chuẩn,

trong đó có các tiêu chuẩn về truyền dữ liệu Nó gồm một số ủy ban chịu trách nhiệm về việc phát triển những dự thảo về mạng LAN, chuyển sang cho ANSI (American National Standards Institute) để được thừa nhận và được tiêu chuẩn hoá trên toàn nước Mỹ IEEE cũng chuyển các dự thảo cho ISO (International Organization for Standardization)

Uỷ ban được chia thành nhiều nhóm làm việc, từ 802.1 đến 802.17 Mỗi nhóm xử lý một vấn đề khác nhau và đưa ra những chuẩn được đặt tên trùng với số hiệu của nhóm, ví dụ: 802.1 chuẩn hóa việc bảo mật, 802.2 điều khiển liên kết logic, 802.11 đưa ra các chuẩn cho WLAN và 802.15 đưa ra các chuẩn cho WPAN ….

Các đặc tả của IEEE 802 thường tập trung vào giao diện mạng về mặt vật lý chẳng hạn như card giao diện mạng, cầu nối, router, đầu nối, cáp và tất cả những gì thuộc về lĩnh vực truyền tín hiệu và phương pháp truy cập có liên quan đến việc nối mạng về mặt vật lý Tức là 802 chủ yếu quan tâm đến lớp vật lý và lớp liên kết dữ liệu trong mô hình OSI Hình 2.2 mô tả mối quan hệ giữa 802 và OSI.

Hình 2-3: Quan hệ giữa 802 và OSI

Trong số các các mô tả của IEEE, có một số lớn các mô tả tập trung vào các mạng không dây Từ các mạng nhỏ như mạng WPAN đến các mạng vô cùng rộng lớn như mạng WWAN Hình 2.3 mô tả các đặc tả của IEEE đối với các loại mạng không dây

Hình 2-4: Hệ thống chuẩn cho mạng không dây của IEEE

Chuẩn 802.15 dựa trên công nghệ Bluetooth, một công nghệ được khởi xướng

bởi công ty điện thoại di động Erricson năm 1994 Đến năm 2002 chính thức được IEEE chuẩn hóa và đưa vào sử dụng

802.15 mô tả lớp vật lý và lớp truy nhập cho các mạng WPAN Đây là các mạng nhằm kết nối các thiểt bị trong phạm vi hẹp, trên dưới 10m, có công suất phát thấp, kích thước nhỏ và tính phổ dụng cao Đặc tả 802.15 dưới tên gọi Bluetooth đã được tích hợp vào rất nhiều thiết bị, đặc biệt là máy tính và điện thoại di động Vì 802.15 bị giới hạn về tốc độ nên nó không được ứng dụng vào các dịch vụ tốc độ cao, dung lượng lớn

Họ chuẩn 802.11x là chuẩn dành cho mạng WLAN Họ chuẩn 802.11 ra đời lần

đầu tiên năm 1999, đưa ra tốc độ truyền lên đến 2 Mbps trên băng tần 2.4GHz sử dụng của kỹ thuật trải phổ nhẩy tần FHSS và trải phổ dãy trực tiếp DDSS Sau đó, nhóm làm việc về 802.11 được chia thành rất nhiều nhóm hoạt động nhỏ để đưa ra những hỗ trợ và nâng cao cho chuẩn 802.11 sơ khai.

Chuẩn 802.11b là chuẩn thương mại đầu tiên còn có tên là Wi-Fi hiện, là chuẩn WLAN phổ biến nhất hiện nay, hoạt động trên băng tần 2,4GHz, tốc độ dữ liệu có thể lên tới 11Mbps Các chuẩn 802.11a, g ra đời sau này với mục đích cải thiện chất lượng, khả năng cho chuẩn 802.11b Tốc độ của hai chuẩn này lên tới 54Mbps Tuy nhiên trong khi 802.11g vẫn làm viêc ở dải tần 2,4 GHz thì 802.11a lại làm việc ở dải tần 5,8GHz Chính vì vậy 802.11g có khả năng tương thích ngược với 802.11b còn

802.11a thì không có khả năng đó Hiện nay trong họ chuẩn 802.11 có một số các chuẩn sinh ra để hỗ trợ cho các chuẩn 802.11a, 802.11b, 802.11g Mỗi chuẩn thực hiện một nhiệm vụ khác nhau như 802.11e đặc tả QoS, 802.11i,x thì đặc tả về các cơ chế bảo mật…

Chuẩn 802.16x là một họ chuẩn mới dành để mô tả các mạng WMAN, được

hoàn thành vào tháng 10/2001 và được công bố vào ngày 08/04/2002 Chuẩn này định nghĩa đặc tả kỹ thuật giao diện không gian WMAN cho các mạng vùng đô thị Việc hoàn thành chuẩn báo trước sự chấp nhận truy nhập không dây băng rộng như một công cụ chủ yếu mới trong sự cố gắng liên kết các tòa nhà và cơ quan doanh nghiệp với các mạng viễn thông nòng cốt trên thế giới.

Chuẩn hướng vào các tần số từ 10 - 66 GHz, nơi phổ rộng hiện có sẵn để sử dụng trên toàn cầu, nhưng tại đó những bước sóng ngắn được xem như những thách thức trong việc triển khai Vì lý do đó một dự án sửa đổi có tên IEEE 802.16a đã được hoàn thành vào tháng 11/2002 và được công bố vào tháng 4/2003 Chuẩn này được mở rộng hỗ trợ cho những tần số trong băng tần 2–11 GHz, bao gồm cả những phổ cấp phép và không cấp phép So sánh với những tần số cao hơn, những phổ như vậy thuận tiện cho việc triển khai hơn, tạo cơ hội để thu được nhiều khách hàng hơn với chi phí chấp nhận được, mặc dù các tốc độ dữ liệu là không cao Tuy vậy, các dịch vụ sẽ hướng tới những tòa nhà riêng lẻ hay những xí nghiệp vừa và nhỏ.

Chuẩn này có một loạt các ưu điểm so với các chuẩn không dây băng rộng truyền thống như thông lượng, khả năng mở rộng, phạm vi phủ sóng, chất lượng dịch vụ, tính năng bảo mật…

802.16e và 802.20 là hai đặc tả hướng tới mạng WWAN, hay chính xác hơn là các mạng di động thế hệ 3 (3G) 802.16e có thừa kế từ 802.16a nhưng hỗ trợ thêm các tính năng di động, trong khi đó 802.20 được xây dựng hoàn toàn từ đầu Tuy nhiên, cho tới hiện nay thì hai đặc tả này vẫn chỉ là ở trên giấy tờ, chưa được chuẩn hóa.

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÍ THUYẾT3.1 Các hiệu ứng trong truyền thông không dây

Thông thường, trong truyền thông không dây người ta thường sử dụng phương tiện truyền dẫn là sóng radio và tia hồng ngoại.

Sử dụng tia hồng ngoại để truyền mặc dù đơn giản, tiện lợi nhưng thường không truyền được ở khoảng cách xa, trong các môi trường xấu, có vật cản Hai thiết bị muốn trao đổi thông tin bắt buộc phải nhìn được thấy nhau, tức là LOS Hơn nữa khả năng phát triển của truyền tin bằng tia hồng ngoại lại rất hạn chế Chính vì vậy, hiện nay giải pháp được phát triển chủ yếu là sử dụng sóng radio để truyển tin và nó dần dần cũng được công nhận và chuẩn hóa trên toàn thế giới.

Sóng radio có ưu điểm có khả năng đi xuyên qua một số chướng ngại vật thông thường như là tường, bàn Tuy nhiên việc truyền lan sóng radio gặp phải những rất nhiều vấn đề cần phải khắc phục Dưới đây là một số các hiệu ứng cơ bản

3.1.1 Hiệu ứng suy hao đường truyền

Các hiệu ứng dưới đây làm cho năng lượng gửi từ trạm phát tới trạm thu bị suy hao.

Sự phản xạ: sóng radio bị phản xạ trên bề mặt một số vật liệu, hiện tượng này

thường được lợi dụng để lái sóng truyền đi giữa các trạm không ở trong tầm nhìn thẳng nhưng hiện tượng này sẽ gây ra hiệu ứng đa đường Việc các tia sóng đập vào vật chắn trong quá trình truyền lan rồi bị phản xạ lại cũng gây ra suy hao

Sự hấp thụ: sóng radio có thể bị hấp thụ bởi các vật liệu như: nước, nhựa, thảm

Suy hao trên khoảng cách địa lý: sóng điện từ truyền trong không gian có độ

suy hao tỷ lệ với bình phương của khoảng cách truyền sóng.

Suy hao trên đường (path loss): do hiện tượng suy hao ở trên sinh ra Trong môi

trường truyền sóng là văn phòng làm việc, vị trí kê đồ đạc, tường và bàn ghế và ngay các sự di chuyển vị trí của con người cũng góp phần làm gia tăng suy hao trên đường truyền sóng.

3.1.2 Hiệu ứng fading

Hình 3-5: Hiện tượng đa đường trong truyền sóng vô tuyến

Fading nhiều tia hay còn gọi là hiệu ứng đa đường là hiện tượng xảy ra khi tín

hiệu từ cùng một nguồn phát được truyền đến nguồn thu theo nhiều đường khác nhau do một phần năng lượng sóng bị phản xạ vào chướng ngại vật trên đường đi Các tia tín hiệu này lệch pha với nhau và gây ra hiện tượng tăng mức năng lượng hoặc giảm mức năng lượng bên thu Hiện tượng này được thể hiện trên hình 3.1.

Fadinh lựa chọn tần số xảy ra do hiện tượng máy thu xử lí khác nhau đối với

các tần số khác nhau trong một miền tần số Đặc trưng của fading chọn lọc tần số là cường độ tín hiệu ở một vài tần số thì được tăng cường trong khi ở một số khác thì bị suy giảm

Delay spread là khoảng thời gian giữa tín hiệu được truyền đến nơi thu đầu tiên và cuối cùng Trong hệ thống số, delay spread gây ra hiện tượng nhiễu xuyên kí tự

(ISI) Tín hiệu truyền trước đó có thể chồng lên tín hiệu đến tiếp sau, gây ra các lỗi rất nghiêm trọng Khi tốc độ truyền tăng, thời gian giữa các bit nhận được bị thu ngắn lại và xác suất xảy ra giao thoa xuyên ký tự tăng lên, vì vậy hiện tượng đa đường làm hạn chế tốc độ truyền tối đa, và đặt ra cho nó một giới hạn trên.Thông thường, để xử

lí hiện tượng đa đường, tức là giảm thiểu delay spread, người ta phải giảm tốc độ

truyền, điều này dẫn tới sự ra đời của OFDM.

3.2 Các kĩ thuật điều chế3.2.1 Điều chế BPSK/QPSK

Có hai kĩ thuật điều chế thực sự đơn giản, đó là BPSK và QPSK BPSK là kĩ thuật điều chế pha hai mức, trong đó pha 0 tương ứng với bit 1 và pha П tương ứng với bit 0

Hình 3-6: Điều chế BPSK

Còn QPSK là điều chế pha bốn mức trong đó pha П ứng với cặp bit 00, pha П/2 ứng với 01, pha 3П/2 ứng với 10 và pha 0 ứng với 00.

Hình 3-7: Điều chế QPSK

3.2.2 Điều chế QAM

Phương thức điều chế BPSK/QPSK có hiệu suất sử dụng phổ tần rất thấp, nó không thích hợp với truyền thông tốc độ cao QAM là một giải pháp khắc phục hạn chế này QAM kết hợp giữa điều pha và điều biên để tạo ra một hiệu quả sử dụng phổ tần hơn hẳn Với 4QAM, một symbol mang 2 bit, 16QAM mang 4 bit, 64QAM mang 6bit hoặc 256QAM mang 8 bít hơn hẳn so với 1 hoặc 2bit trong PSK.

Hình 3.4 minh họa 64QAM

Hình 3-8: Điều chế QAM

3.3 Kĩ thuật OFDM3.3.1 Khái niệm OFDM

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là nằm trong một lớp các

kỹ thuật điều chế đa sóng mang trong thông tin vô tuyến Còn trong các hệ thống thông tin hữu tuyến chẳng hạn như trong hệ thống ASDL, các kỹ thuật này thường được nhắc đến dưới cái tên DMT (Descrete MultiTone).

OFDM là một kĩ thuật phức tạp với nhiều khâu khác nhau Lý thuyết OFDM mặc dù ra đời rất sớm, từ những năm 60 nhưng do trở ngại của tiến bộ khoa học thời bấy giờ mà lí thuyết này khó được áp dụng Cho tới những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của ngành xử lí tín hiệu số (Digital Signal Processing) và vi điện tử mà các hạn chế trước đây của OFDM đã được khắc phục và đưa vào ứng dụng Hiện nay, OFDM là một giải pháp ưu việt nhất cho việc phát triển các hệ thống băng rộng từ truyền hình số đến mạng WLAN, WMAN,…

OFDM thực chất là cũng là một phương pháp điều chế tần số đúng như tên của nó, nhưng khác với FDM, kĩ thuật OFDM cho phép sử dụng băng thông sẵn có một cách cực kì hiệu quả, hơn hẳn so với FDM

Trong FDM, thông tin được truyền trên những dải tần số khác nhau, mỗi một thuê bao sẽ chiếm giữ một dải tần nhỏ tương ứng với lượng thông tin cần truyền Tuy nhiên, trong thực tế, dải tần nhỏ này phải được mở rộng hơn ra để khắc phục hiện

tượng nhiễu giữa các dải Chính vì thế mà hiệu suất sử dụng tần phổ là rất thấp, điều này càng trở nên tệ hại với những dải tần hẹp.

Hình 3.5 dưới đây so sánh giữa FDM và OFDM.

Hình 3-9: So sánh giữa FDM và OFDM

Việc sử dụng TDM trong các hệ thống số là một giải pháp nhằm tăng khả năng truyền dẫn Tuy nhiên, trong truyền thông không dây TDM có hai vấn đề cơ bản Thứ nhất, vì nó hệ thống số nên một lượng lớn thông tin sẽ phải dùng cho điều khiển, gây lãng phí Thứ hai, nó dễ gặp vấn đề đối với hiện tượng đa đường.

OFDM khắc phục được tất cả các hạn chế của TDM và FDM OFDM cũng chia dải tần ra làm nhiều dải hẹp hơn Các dải này có thể chồng lên nhau, tuy nhiên sóng mang của từng kênh phải đảm bảo yêu cầu trực giao Nếu khoảng cách sóng mang được chọn sao cho những sóng mang trực giao sao trong chu kỳ ký hiệu thì những tín hiệu có thể được khôi phục mà không giao thoa hay chồng phổ.

Ý tưởng chính trong kỹ thuật OFDM là việc chia luồng dữ liệu trước khi phát đi thành N luồng dữ liệu song song có 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 dãn cách tần số giữa chúng một cách hợp lý

Hình 3-10: Nguyên lý tạo một kí hiệu OFDM

Hình 3.6 cho thấy nguyên lý tạo một ký hiệu OFDM, các bit (hoặc luồng bit, tùy vào loại điều chế) thông tin b1,b2,.,.bn được điều chế bởi các sóng mang Ψ1, Ψ2, Ψn trực giao với nhau Sau đó các sóng mang thông tin này được cộng trong bộ tổng Σ thành tín hiệu s(t) để truyền đi.

Tính trực giao giữa các sóng mang là yếu tố quan trọng nhất trong kĩ thuật

Xét về mặt vật lí, hai sóng mang trực giao với nhau thì khi giải điều chế tín hiệu

này, bộ giải điều chế sẽ không nhận thấy các tín hiệu kia Kết quả sẽ các tín hiệu sẽ không gây nhiễu lên nhau.

Xét về mặt toán học, hai sóng Ψp(t) , Ψq(t) gọi là trực giao với nhau khi nó thỏa mãn công thức:

Trong đó Ψq (t) là liên hiệp phức của Ψq(t).

Có nhiều bộ hàm trực giao nhưng nổi tiếng nhất là hàm lũy thừa tạo cơ sở cho phép biến đổi Fourier Ψk(t)=ejωkt với ωk=ω0+2πk/T, với T là chu kì tín hiệu của một symbol Đây là cơ sở cho việc sử dụng biến đổi FFT trong hệ thống OFDM.

Còn xét về mặt phổ, điểm phố có năng lượng cao nhất của sóng mang này sẽ rơi

vào điểm không của sóng mang kia Như hình 3.7 dưới đây

Hình 3-11: Phổ năng lượng trong OFDM

Để tránh hiện tượng nhiễu ISI giữa các kí hiệu lân cận nhau trong điều chế OFDM, người ta giải quyết bằng cách thêm một thời khoảng bảo vệ Tg, đoạn này chính là bản sao của ký hiệu tích cực trong Tg giây trước như ở hình 3.8 Trong hình 3.8, Ts là độ dài theo thời gian của một symbol, N là số sóng mang, BW là toàn bộ băng thông.

Hình 3-12: Dải bảo vệ trong một kí hiệu

Ðoạn thêm vào này thường được gọi là CP (cyclic prefix) bởi vì nó làm cho ký hiệu OFDM như là tuần hoàn đối với máy thu Tín hiệu thu sau đó sẽ được xấp xỉ bằng phép chập tuần hoàn giữa tín hiệu phát và đáp ứng xung của kênh

3.3.2 Hệ thống OFDM

Hệ thống này được mô tả như hình 3.9

Hình 3-13: Sơ đồ thu phát của hệ thống OFDM

Các tín hiệu số trước tiên được điều chế thành các tín hiệu BPSK, QPSK hoặc QAM Các tín hiệu này sau đó được chuyển đổi từ nối tiếp sang song song để đưa vào bộ biến đổi IFFT IFFT thực hiện việc điều chế tín hiệu theo các sóng mang trực giao rồi lấy mẫu tín hiệu này Các tín hiệu sau đó đưa qua bộ D/A để chuyển đổi từ song song sang nối tiếp đồng thời biến đổi tín hiệu trở lại dạng tương tự Tín hiệu ra chính là một symbol OFDM cơ bản Symbol này để truyền đi được sẽ được điều chế cao tần rồi phát ra Anten Ở bên nhận, quá trình sẽ được đảo lại.

Có một số quá trình trên cần phải chú ý:

Quá trình điều chế các tín hiệu số: Các bit dữ liệu vào được ánh xạ vào một kí

hiệu BPSK, QPSK hoặc QAM.

Quá trình chuyển đổi nối tiếp sang song song: Tiến trình này thực hiện việc

phân tách một luồng bit có tốc độ R thành N luồng bit nhỏ, mỗi luồng nhỏ này có tốc độ R/N Các luồng nhỏ này sau đó sẽ được đưa vào điều chế với các sóng mang khác nhau.

Quá trình biến đổi IFFT: Trước đây, việc điều chế các luồng bit nhỏ vào các

sóng mang riêng rẽ trực giao với nhau là rất khó khăn Tuy nhiên gần đây, phương pháp xử lí FFT đã giải quyết được khó khăn đó Chính vì vậy FFT đã được sử dụng làm phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao IFFT được dùng ở bên phát để chuyển tín hiệu từ miền tần số sang miền thời gian còn FFT được sử dụng bên thu để khôi phục lại tín hiệu ban đầu.

Quá trình chuyển đổi từ song song sang nối tiếp: Quá trình này thực hiện công

việc chuyển đổi các luồng mẫu sau khi điều chế IFFT thành một luồng chung.

Quá trình điều chế cao tần : Các tín hiệu OFDM cơ sở (baseband) sẽ được điều

chế lên sóng cao tần để phát ra Anten

3.3.3 Lợi ích của OFDM

Thứ nhất, OFDM có khả năng giảm thiểu hiện tượng đa đường, tức là hạn chế

ISI giữa các symbol Mỗi sóng mang sẽ chỉ mang một lượng thông tin rất nhỏ, chính vì thế mà tốc độ thấp Tốc độ thấp đồng nghĩa với trễ DL1 tương đối giảm, vì vậy sẽ làm tăng khả năng chống lại hiệu ứng đa đường trong truyền dẫn Tuy nhiên, tốc độ chung của hệ thống vẫn được đảm bảo Giả sử hệ thống tốc độ 64Mbps, mà ta có 64 sóng mang, tức là mỗi sóng mang sẽ vận chuyển tốc độ tương ứng với 1Mbps Với tốc độ 1Mbps thì khả năng chống lại hiệu ứng đa đường là lớn hơn nhiều so với tốc độ 64Mbps Người ta có thể triệt tiêu hoàn toàn hiệu ứng này bằng cách thêm khoảng thời gian bù vào CP.

Thứ hai, do các sóng mang trong OFDM là trực giao với nhau nên mặc dù phổ

của chúng chồng lên nhau nhưng không gây ra hiện tượng xuyên nhiễu giữa các sóng mang (xuyên nhiễu ICI).

Thứ ba, OFDM chia toàn băng tần sử dụng ra làm nhiều băng tần nhỏ, cho phép

thông tin tốc độ cao được truyền song song với tốc độ thấp trên các kênh băng hẹp Chính vì thế mà khả năng chống nhiễu (noise) của nó lớn hơn rất nhiều so với các hệ thống FDM truyền thống Các kênh con có thể coi là các kênh fading không lựa chọn tần số nên có thể dùng các bộ cân bằng đơn giản trong suốt quá trình nhận thông tin

Thứ tư, chính là tốc độ Vì OFDM cho phép khai thác một cách cực kì hiệu quả

băng thông nên tốc độ của hệ thống OFDM tăng lên rất nhiều.

3.3.4 Ứng dụng của OFDM

Ưu điểm của OFDM đó là hiệu suất sử dụng băng thông lớn, khả năng chống nhiễu và hiện tượng đa đường cao OFDM hiện được coi là giải pháp kĩ thuật cho rất nhiều hệ thống băng rộng như truyền hình số, truyền hình có độ phân giải cao HDTV (High Definition Television), các mạng WLAN, WMAN OFDM được coi là công nghệ cốt lõi của truyền thông NLOS, một phần không thể thiếu của Wimax.

1 Delay spread: Được định nghĩa bằng khoảng thời gian giữa tín hiệu tới bên nhận sớm nhất và muốn nhất.