MỘT SỐ ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN TRONG KỸ THUẬT OFDM
Giới thiệu chương
Trong hệ thống thông tin vô tuyến, kênh thông tin là một vấn đề được rất nhiều nhà nghiên cứu quan tâm nhất là trong những năm gần đây Cùng với sự bùng nổ các nhu cầu ngày càng cao của xã hội thì các công nghệ truyền dẫn mới cũng được ra đời và phát triển như công nghệ OFDM trong WiMAX Chính vì vậy, chương này sẽ trình bày tóm tắt về các đặc tính của kênh truyền vô tuyến cũng như các yếu tố gây ảnh hưởng tới chất lượng truyền của kênh vô tuyến.như hiện tượng trải trễ, các loại Fading, tạp âm Gauss trắng, hiện tượng Doppler ảnh hưởng đến quá trình truyền dẫn tín hiệu trong hệ thống OFDM.
Đặc tính kênh truyền vô tuyến trong hệ thống OFDM
Kênh truyền tín hiệu OFDM là môi trường truyền sóng giữa máy phát và máy thu. Trong kênh truyền vô tuyến lý tưởng, tín hiệu nhận được bên thu được truyền theo tầm nhìn thẳng Tuy nhiên trong thực tế, kênh truyền tín hiệu vô tuyến bị thay đổi Việc nghiên cứu các đặc tính của kênh truyền là rất quan trọng vì chất lượng của hệ thống truyền vô tuyến là phụ thuộc vào các đặc điểm này.
Các yếu tố chính hạn chế hệ thống thông tin di động bắt nguồn từ môi trường vô tuyến Các yếu tố này là:
Suy hao: Cường độ trường giảm theo khoảng cách Thông thường suy hao nằm trong khoảng từ 50 đến 150 dB tùy theo khoảng cách
Che tối:Vật cản giữa trạm gốc và máy di động làm suy giảm thêm tín hiệu
Pha đinh đa đường và phân tán thời gian: Phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ làm méo tín hiệu thu bằng cách trải rộng chúng theo thời gian Phụ thuộc vào băng thông của hệ thống, yếu tố này dẫn đến thay đổi nhanh cường độ tín hiệu và gây ra nhiễu giao thoa giữa các ký hiệu (ISI: Inter Symbol Interference).
Nhiễu: Các máy phát khác sử dụng cùng tần số hay các tần số lân cận khác gây nhiễu cho tín hiệu mong muốn Đôi khi nhiễu được coi là tạp âm bổ sung.
1.2.1 Sự suy giảm tín hiệu (Attenuation):
Sự suy giảm tín hiệu là sự suy hao mức công suất tín hiệu trong quá trình truyền từ điểm này đến điểm khác Điều này có thể là do đường truyền dài, do các tòa nhà cao tầng và hiệu ứng đa đường Hình 1.1 cho thấy một số nguyên nhân làm suy giảm tín hiệu Bất kì một vật cản nào trên đường truyền đều có thể làm suy giảm tín hiệu.
Hình 1.1 Ảnh hưởng của môi trường vô tuyến
Kênh vô tuyến di động gây ra những hạn chế cơ bản đối với chất lượng liên lạc. Kênh vô tuyến di động có thể thay đổi từ dạng LOS (Line- Of -Sight) đến dạng bị che chắn bởi các chướng ngại vật cố định hoặc di động, hay nói cách khác là tín hiệu truyền từ máy phát tới máy thu được truyền theo nhiều đường khác nhau gọi là truyền dẫn đa đường.
Truyền dẫn đa đường trong thông tin di động do ba cơ chế gây ra, đó là sự phản xạ (Reflection), nhiễu xạ (Diffaction) và tán xạ (Scattering) Hình 1.2 chỉ ra một số trường hợp mà tín hiệu đa đường có thể xảy ra.
- Hiện tượng phản xạ xảy ra khi song điện từ va chạm vào một mặt phẳng nhẵn có kích cỡ rất lớn so với bước song Trong thực tế, phản xạ thường gây bởi các tòa nhà, các biển quảng cáo…
- Hiện tượng nhiễu xạ xảy ra khi đường truyền giữa máy phát và máy thu bị che khuất bởi các vật cản có kích cỡ lớn hơn so với bước sóng, gây ra các tia thứ cấp phía sau vật cản.Nhiễu xạ là trường hợp tính đến năng lượng truyền từ máy phát tới máy thu không theo tia nhìn thẳng Do đó nhiễu xạ còn được gọi là hiện tượng che khuất Nhiễu xạ thường gây bởi các vật thể như nhà cửa, ô tô…
- Hiện tượng tán xạ xảy ra khi sóng vô tuyến va chạm vào một bề mặt gồ ghề hay các vật thể có kích cỡ tương đương hoặc nhỏ hơn kích cỡ bước sóng làm đường truyền tín hiệu bị phân tán ra nhiều phía Trong các đô thị, các vật gây ra tán xạ thường là cột điện, biển quảng cáo…
Hình 1.2 Tín hiệu đa đường
Truyền dẫn vô tuyến có những tiện lợi rất lớn, bên cạnh đó cũng có những hạn chế không nhỏ làm ảnh hưởng đến sự truyền dẫn của sóng vô tuyến Không giống như các kênh truyền dẫn hữu tuyến là ổn định, có thể biết trước thì các kênh truyền dẫn vô tuyến là rất ngẫu nhiên và rất khó khăn cho việc phân tích, tính toán.
Phadinh là hiện tượng suy lạc tín hiệu thu một cách bất thường xảy ra đối với các hệ thống vô tuyến do tác động của môi trường truyền dẫn (do tín hiệu từ các sóng đa đường sẽ chịu các ảnh hưởng khác nhau, có biên độ và pha khác nhau, khi tổng hợp lại gây nên thăng giáng tín hiệu một cách liên tục).
Các cơ chế gây ra phadinh trong thông tin di động được phân chia thành phading theo phạm vi rộng (large-scale fading) và phadinh theo phạm vi hẹp (small- scale fading).
Large-scale fading chủ yếu được biểu thị bằng tổn hao đường truyền gây ra bởi truyền sóng khoảng cách xa (vài km) đặc trưng cho sự suy giảm công suất của tín hiệu trung bình (hay sự suy hao đường truyền) do sự thay đổi vị trí qua một khoảng cách lớn Large- scale fading gây ra do ảnh hưởng của địa hình và các vật chắn che khuất giữa máy phát và máy thu (như đồi núi, cao ốc…) Các số liệu thống kê về large-scale fading bổ trợ cho quá trình tính toán suy hao đường truyền theo hàm của khoảng cách Về độ suy giảm hay độ tổn hao đường truyền, large-scale fading được đánh giá bởi trung bình của tín hiệu thu qua khoảng cách 10-30dB lần chiều dài bước sóng λ.
Small- scale fading: Phụ thuộc vào quan hệ giữa các thông số tín hiệu (độ rộng băng tần, chu kỳ tín hiệu,…) và các thông số kênh (trải trễ trung bình quân phương, trải Doppler…), ta có thể phân laọi phadinh hẹp dựa trên hai đặc tính: trải trễ đa đường và phadinh chọn lọc tần số Trải trễ đa đường là một thông số trong miền thời gian, trong khi đó việc kênh phadinh phẳng hay chọn lọc tần số lại tương ứng với miền tần số Vì thế thông số miền thời gian, trải trễ đa đường, ảnh hưởng lên đặc tính kênh trong miền tần số Trải Doppler dẫn đến tán tần và phadinh chọn lọc thời gian, vì thế liên quan đến trải Doppler ta có thể phân loại phadinh phạm vi hẹp thành phadinh nhanh và phadinh chậm.
Trong các ứng dụng vô tuyến điện di động, sự chuyển động của máy phát và máy thu dẫn đến các thay đổi về đường truyền dẫn, do đó kênh truyền biến đổi theo thời gian Thuật ngữ phadinh nhanh (fast fading) được dùng đặc trưng cho tốc độ thay đổi nhanh của các điều kiện truyền dẫn (hay tốc độ thay đổi nhanh của các suy giảm) Small- scale fading được gọi là Rayleigh fading nếu tại máy thu nhận được vô số đường phản xạ mà không có thành phần tín hiệu trội (điển hình là tia truyền thẳng LOS) và được gọi là fading có phân bố Rice nếu tồn tại thành phần tín hiệu trội.
Kết luận chương
Chương này đã giới thiệu một vài đặc tính của kênh truyền vô tuyến ảnh hưởng đến tín hiệu khi truyền đi trong không gian, các loại nhiễu thường gặp trong hệ thống OFDM, các dạng phadinh và cách khắc phục Qua đó chúng ta cũng nhận thấy trải Doppler gây ra do chuyển động tương đối giữa MS (trạm di động) và BTS (trạm thu phát gốc) Trải trễ xảy ra do trễ đa đường OFDM đưa ra giải pháp cho kênh phadinh chọn lọc tần số vì nó có thể chuyển phadinh chọn lọc tần số vào phadinh phẳng bằng cách sử dụng chu kỳ ký hiệu dài hơn trải trễ trung bình quân phương
Từ những nghiên cứu ở chương I ta rút ra nhận xét: OFDM là một giải pháp ưu việt bởi những ưu điểm của nó trong tiết kiệm băng tần và khả năng xử lý đa đường, chống phading chọn lọc theo tần số cũng như xuyên nhiễu băng hẹp Nguyên lý cơ bản của OFDM sẽ được trình bày chi tiết ở chương II.
TỔNG QUAN VỀ OFDM
Giới thiệu chương
Kỹ thuật OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing) là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tín hiệu ở các sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với kỹ thuật điều chế thông thường Ngoài ra OFDM có hai đặc điểm nổi bật là tăng sức mạnh chống lại fading lựa chọn tần số, nhiễu dải băng hẹp và nâng cao hiệu suất sử dụng phổ, việc sử dụng ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM còn có ưu điểm là cho phép thông tin tốc độ cao được truyền song song với tốc độ thấp trên các kênh băng hẹp
Trong những thập kỷ vừa qua, nhiều công trình khoa học về kỹ thuật này đã được thực hiện ở khắp nơi trên thế giới Đặc biệt là công trình khoa học của Weistein và Ebert đã chứng minh rằng phép điều chế OFDM có thể thực hiện được thông qua phép biến đổi IDFT và phép giải điều chế OFDM có thể thực hiện được bằng phép biến đổi DFT Phát minh này cùng với sự phát triển của kỹ thuật số làm cho kỹ thuật điều chế OFDM được ứng dụng trở nên rộng rãi Thay vì sử dụng IDFT người ta có thể sử dụng phép biến đổi nhan IFFT cho bộ điều chế OFDM, sử dụng FFT cho bộ giải điều chế OFDM.
Trong chương này chúng ta sẽ đi nghiên cứu về nguyên tắc của OFDM, tính trực giao, trình bày thuật toán IFFT/FFT và các thành phần của hệ thống OFDM Quan trọng chương cũng xét đến cấu trúc tín hiệu OFDM và vấn đề dung lượng kênh làm nền cho các chương sau.
Nguyên tắc của OFDM
Điều chế đa sóng mang là nguyên tắc truyền dữ liệu tốc độ cao bằng cách phân luồng dữ liệu đầu vào thành nhiều luồng kí tự có tốc độ thấp hơn, sử dụng những luồng con này để điều chế bằng nhiều sóng mang phụ Hình (2.1) so sánh phương thức điều chế đơn sóng mang (SCM) và đa sóng mang (MCM).
BSCM và BMCM chỉ băng thông của tín hiêu MCM và SCM Với MCM, fk,Fk(f;t), NSC và Δf f chỉ tần số của sóng mang phụ thứ k,phổ tần của dạng xung của song mang phụ thứ k, tổng số sóng mang phụ và khoảng cách giữa hai sóng mang phụ.
Phổ tần số của tín hiệu MCM được viết như sau
(2.1) Thông qua đặc tính của kênh fading lựa chọn tần số bởi hàm truyền H(f;t), phổ tần của tín hiệu thu scm, mcm được viết như sau
(2.2) ở đây SSCM(f;t) là phổ tần của tín hiệu SCM phát và Hk(f;t) là hàm truyền tương ứng với dải tần Bk Khi số sóng mang phụ lớn, đáp ứng pha và biên độ của Hk(f;t) được xem như là không đổi trên Bk, vì vậy RMCM(f;t) xấp xỉ bằng
(2.3) ở đây Hk(f;t) là suy hao complex-valued trong khoảng Bk.
Công thức (2.3) chỉ ra rằng MCM là thật sự hiệu quả và mạnh mẽ trong truyền kênh vô tuyến; cụ thể là nó có khả năng chống lại fading lựa chọn tần số Việc khôi phục ở đầu thu không đòi hỏi phải có bộ cân bằng như trong SCM.
Tính trực giao
Trực giao chỉ ra có mối quan hệ toán học chính xác giữa các tần số của các sóng mang trong hệ thống OFDM Trong hệ thống FDM thông thường, nhiều sóng mang được cách nhau một khoảng phù hợp để tín hiệu thu có thể nhận lại bằng cách sử dụng các bộ lọc và các bộ giải điều chế thông thường Trong các máy như vậy, các khoảng bảo vệ cần được dự liệu trước giữa các sóng mang khác nhau và việc đưa vào các khoảng bảo vệ làm giảm hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống Tuy nhiên có thể sắp xếp các sóng mang trong OFDM sao cho các dải biên của chúng che phủ lên nhau mà các tín hiệu vẫn có thể thu được chính xác mà không có sự can nhiễu giữa các sóng mang Muốn được như vậy các sóng mang phải trực giao về mặt toán học Máy thu hoạt động như một bộ gồm bộ giải điều chế, dịch tần mỗi sóng mang xuống mức DC, tín hiệu nhận được lấy tích phân trên một chu kỳ của symbol để phục hồi dữ liệu gốc Nếu tất cả các sóng mang khác đều được dịch xuống tần số tích phân của sóng mang này (trong một chu kỳ symbol T) thì kết quả tính tích phân cho các sóng mang khác sẽ là zero Do đó các sóng mang độc lập tuyến tính với nhau (trực giao) nếu khoảng cách giữa các sóng là bội số của 1/T Bất kì sự phi tuyến nào gây ra bởi can nhiễu giữa các sóng mang ICI cũng làm mất tính trực giao.
Về mặt toán học, trực giao có nghĩa là các sóng mang được lấy ra từ nhóm trực chuẩn(Orthogonal basic) { Φ i (t)/i=0,1 .} có tính chất sau:
Việc xử lý (điều chế và giải điều chế) tín hiệu OFDM được thực hiện trong miền tần số, bằng cách sử dụng các thuật toán xử lý tín hiệu số DSP (Digital Signal Processing). Nguyên tắc của tính trực giao thường được sử dụng trong phạm vi DSP Trong toán học, số hạng trực giao có được từ việc nghiên cứu các vectơ Theo đinh nghĩa, hai vectơ được gọi là trực giao nhau với nhau khi chúng vuông góc với nhau (tạo một góc 90 0 ) và tích của 2 vectơ là bằng 0 Đầu tiên ta chú ý đến hàm số thông thường có gía trị trung bình bằng không Ví dụ giá trị trung bình của hàm sin dưới đây.
Nếu cộng bán kỳ dương và bán kỳ âm của dạng sóng sin như dưới đây ta sẽ có kết quả bằng 0 Quá trình tích phân có thể được xem xét khi tìm ra diện tích dưới dạng đường cong Do đó diện tích của 1 sóng sin có thể được viết như sau:
Nếu chúng ta nhân và cộng (tích phân) hai dạng sóng sin có tần số khác nhau thì quá trình này cũng bằng 0
Hình 2.1 Tích phân của hai sóng sin khác tần số Điều này gọi là tính trực giao của dạng sóng sin Nó cho thấy rằng miễn là hai dạng sóng sin không cùng tần số, thì tích phân của chúng sẽ bằng không Đây là điểm mấu chốt để hiểu quá trình điều chế OFDM.
Nếu hai tích phân cùng tần số thì:
Hình 2.2 Tích phân của hai sóng sin cùng tần số
Nếu hai sóng sin có cùng tần số như nhau thì dạng sóng hợp thành luôn dương, giá trị trung bình của só luôn khác không Điều này rất quan trọng trong quá trình giải điều chế OFDM Các máy thu OFDM biến đổi tín hiệu thu được từ miền tần số nhờ dùng kĩ thuật xử lý tín hiệu số FFT.
Việc giải điều chế chặt chẽ được thực hiện kế tiếp trong miền tần số (digital domain) bằng cách nhân một sóng mang được tạo ra trong máy thu đơn với một sóng mang được tạo ra trong máy thu có cùng chính xác tần số và pha Sau đó thực hiện tích phân tất cả các sóng mang về không ngoại trừ sóng mang được nhân Sau đó dịch lên trục x, tiến hành tách ra hiệu quả, và xác định được giá trị symbol của nó Toàn bộ quá trình này được thực hiện nhanh chóng cho mỗi sóng mang, đến khi tất cả các sóng mang được giải điều chế.
Hệ thống OFDM
Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống OFDM
Ban đầu, dòng dữ liệu đầu vào với tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu song song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp-song song Mỗi dòng dữ liệu song song sau đó được điều chế sóng mang con Dữ liệu phát trên mỗi sóng mang được mã hóa vi sai và điều chế mã M-QAM Vì tín hiệu mã hóa vi sai yêu cầu pha tham chiếu ban đầu nên mỗi ký hiệu được bổ xung vào đầu chuỗi Bộ điều chế này thực hiện điều chế đơn sóng mang
Sau đó được đưa đến đầu vào của khối IFFT Sau khi phổ yêu cầu đã được xác định, thực hiện biến đổi Fourier để tìm dạng sóng thời gian tương ứng biến đổi Fourier rời rạc ngược IDFT và biến đổi Fourier rời rạc DFT được sử dụng cho điều chế và giải điều chế các chùm tín hiệu trên các sóng mang con trực giao Các thuật toán xử lý tín hiệu này thay thế các bộ điều chế và giải điều chế I/Q yêu cầu Trong trường hợp, N được lấy là một lũy thừa nguyên của 2, cho phép ứng với thuật toán biến đổi Fourier nhanh (IFFT, FFT) hiệu quả hơn cho điều chế và giải điều chế.
Sau đó khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự (ISI), nhiễu xuyên kênh (ICI) do truyền trên các kênh vô tuyến di động đa đường Khoảng bảo vệ được thêm vào đầu mỗi ký hiệu, gồm 2 phần, một nửa phát biên độ zero, một nửa khác là phần mở rộng của tín hiệu phát Điều này cho phép dễ dàng khồi phục định thời ký hiệu nhờ tách sóng đường bao Độ dài khoảng bảo vệ GI cần phải vượt quá trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh nhiễu đa đường, GI được loại bỏ tại máy thu Thông thường GI được chọn để có độ dài từ 1/10 đến ẳ thời giam ký tự, làm giảm SNR từ 0,5 đến 1Db.
Tiếp đó là tiến hành chèn từ đồng bộ khung Cuối cùng thực hiện điều chế cao tần, khuếch đại công suất và phát đi từ anten.
Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu tác động đến như nhiễu Gausian trắng cộng (Additive White Gaussian Noise-AWGN) Trong khối kênh truyền dẫn vô tuyến, một mô hình kênh được áp dụng cho tín hiệu phát Mô hình cho phép điều khiển tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR, nhiễu đa đường và công suất đỉnh SNR được lập bằng cách thêm một lượng nhiễu trắng đã biết vào tín hiệu, trễ đa đường được mô tả bằng bộ lọc FIR, độ dài của bộ lọc tương ứng với độ trễ lớn nhất khi hệ số biên độ tương ứng với lượng tín hiệu phản hồi. Ở phía thu, tín hiệu thu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc nhận được sau bộ D/A thu Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển đổi từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi FFT dùng thuật toán FFT (khối FFT) Sau đó, tùy vào sơ đồ điều chế được sử dụng, sự dịch chuyển về biên độ và pha của các sóng mang con sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã Cuối cùng, chúng ta nhận lại được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu sau khi chuyển từ song song về nối tiếp.
2.4.1.Ứng dụng kĩ thuật IFFT/FFT trong kĩ thuật OFDM:
Như đã đề cập trong phần khái niệm về OFDM, ta đã biết OFDM là kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ rất nhiều sóng mang con Để làm được điều này, cứ mỗi kênh con, ta cần một máy phát sóng sin, một bộ điều chế và một bộ giải điều chế Trong trường hợp số kênh con là khá lớn thì cách làm trên không hiệu quả, nhiều khi là không thể thực hiện được Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi DFT/IDFT được dùng để thay thế toàn bộ các bộ tạo dao động sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế dùng trong mỗi kênh phụ FFT/IFFT được xem là một thuật toán giúp cho việc thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT.
Ta quy ước : Chuỗi tín hiệu vào X(k) , 0 ≤ k ≤ N-1 ,
Khoảng cách giữa các tần số sóng mang là : ∆f Chu kỳ của một ký tự OFDM là : Ts
Tần số trên sóng mang thứ k là fk = f0 + k∆f, giả sử f0 = 0, suy ra fk = n∆f
Tín hiệu phát đi có thể biểu diễn dưới dạng : x a (t)=∑ k =0
, 0≤t ≤T s (2.5) Nếu lấy mẫu tín hiệu với một chu kỳ Ts/N, tức là chọn N mẫu trong một chu kỳ tín hiệu, phương trình (2.5) được viết lại như sau : x a ( n )= x a ( N n T s )= ∑ k=0
Nếu thỏa mãn điều kiện Δf fT s =1 , ( Δff = T 1 s )
, thì các sóng mang sẽ trực giao với nhau, lúc này, phương trình (2.6) được viết lại : x a (n)=∑ k=0
Phương trình trên chứng tỏ tín hiệu ra của bộ IDFT là một tín hiệu rời rạc cũng có chiều dài là N nhưng trong miền thời gian
Tại bộ thu, bộ DFT được sử dụng để lấy lại tín hiệu X(k) ban đầu
= X(k) (2.7) Ở đây, hàm δ(m−k) là hàm delta, được định nghĩa là : δ(n)={01 khi n=0 khi n≠0 (2.8)
Nhận xét : Với các đặc điểm như trên, ta nhận thấy kỹ thuật OFDM có những khác biệt cơ bản với kỹ thuật FDM cổ điển là :
1)Mỗi sóng mang có một tần số khác nhau Những tần số này được chọn sao cho nó thỏa mãn điều kiện trực giao từng đôi một trong khoảng [0,Ts] Tức là, phải thỏa mãn công thức sau :
Phổ của các sóng mang phụ trong OFDM chồng chập lên nhau nên kỹ thuật OFDM mang lại một hiệu suất sử dụng băng thông khá cao Khoảng cách giữa các sóng mang bằng nghịch đảo chu kỳ của một tín hiệu OFDM (∆f = 1/Ts) Hình 2.4 cũng chỉ rõ tại tần số trung tâm của mỗi sóng mang phụ không có nhiễu xuyên kênh từ những kênh khác Điều này sẽ giúp chúng ta khôi phục được dữ liệu phát mà không có nhiễu xuyên kênh tại bộ thu Trong OFDM, yêu cầu về điều kiện trực giao giữa các sóng mang là rất quan trọng, để thỏa mãn điều kiện này thì đòi hỏi về sự đồng bộ trong hệ thống.
2) Bộ IFFT/FFT tại máy phát và máy thu đóng vai trò then chốt trong kỹ thuật OFDM được sử dụng trong thực tế Nó làm giảm độ phức tạp, giá thành của hệ thống, đồng thời tăng độ chính xác.
3) Khi yêu cầu truyền đi X(k) dưới dạng phức để thể hiện mức điều chế QAM khác nhau trên các sóng mang khác nhau (hay số bit truyền đi trên các kênh truyền phụ là khác nhau), có thể sử dụng bộ 2N-IFFT/FFT Tín hiệu vào bộ 2N-IFFT/FFT là chuỗi tín hiệu thực có độ dài 2N, thay thế cho chuỗi tín hiệu phức có độ dài N Nguyên tắc tạo ra chuỗi tín hiệu X’(k) có độ dài 2N thay thế cho chuỗi tín hiệu phức X(k) có độ dài N là :
Hình 2.4 Phổ của tín hiệu OFDM
2.4.2 Điều chế sóng mang con:
Sau khi đã được mã hóa và xen rẽ, các dòng bit trên các nhánh sẽ được điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, hoặc 64-QAM Dòng bit trên mỗi nhánh được sắp xếp thành các nhóm có Nbs (1, 2, 4, 6) bit khác nhau tương ứng với các phương pháp điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM Hay nói cách khác dạng điều chế được quy định bởi số bit ở ngõ vào và cặp giá trị (I, Q) ở ngõ ra
Chẳng hạn : khi ta sử dụng phương pháp điều chế 64-QAM thì sẽ có 6 bit đầu vào được tổ chức thành một nhóm tương ứng cho một số phức trên đồ thị hình sao đặc trưng cho kiểu điều chế 64-QAM (64-QAM constellation) Trong 6 bit thì 3 bit LSB (b0 b1 b2) sẽ biểu thị cho giá trị của I, còn 3 bit MSB (b3 b4 b5) biểu thị cho giá trị của Q
Hình 2.5.Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở phức sử dụng kỹ thuật tương tự
Bảng2.1.Các giá trị trong mã hóa 64QAM
2.4.3.Điều chế sóng mang cao tần: Đầu ra của bộ điều chế OFDM là một tín hiệu băng tần cơ sở, tín hiệu này được trộn nâng tần lên tần số truyền dẫn vô tuyến Có thể sử dụng một trong hai kỹ thuật điều chế sóng mang cao tần là: "tương tự" được cho ở hình (2.6) và "số" được cho ở hình (2.7) Tuy nhiên hiệu năng của điều chế số sẽ tốt hơn, do đồng bộ pha chính xác cho nên sẽ cải thiện quá trình ghép các kênh I và Q. b 0 b 1 b 2 I b 3 b 4 b 5 Q
Hình 2.6 Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở phức sử dụng kỹ thuật số
2.4.4.Tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix):
Tiền tố lặp (CP) là một kỹ thuật xử lý tín hiệu trong OFDM nhằm hạn chế đến mức thấp nhất ảnh hưởng của nhiễu xuyên kênh (ICI), nhiễu xuyên ký tự (ISI) đến tín hiệu OFDM, đảm bảo yêu cầu về tính trực giao của các sóng mang phụ Để thực hiện kỹ thuật này, trong quá trình xử lý tín hiệu, tín hiệu OFDM được lặp lại có chu kỳ và phần lặp lại ở phía trước mỗi ký tự OFDM được sử dụng như là một khoảng thời gian bảo vệ giữa các ký tự phát kề nhau.Vậy sau khi chèn thêm khoảng bảo vệ, thời gian truyền một ký tự (Ts) lúc này bao gồm thời gian khoảng bảo vệ (Tg) và thời gian truyền thông tin có ích (cũng chính là khoảng thời gian bộ IFFT/FFT phát đi một ký tự)
Ta có Ts = Tg + TFFT
Ký tự i-1 Ký tự i Ký tự i+1
Hình 2.7 Tiền tố lặp (CP) trong OFDM
Ký tự OFDM lúc này có dạng : x T (n)={ x (n x( +N n) ) n=0, 1, n=−ν ,−ν +1, ,N −1 ,−1 (2.11)
Tuy nhiên, nó phải bằng hoặc lớn hơn giá trị trải trễ cực đại (the maximum delay spread) nhằm duy trì tính trực giao giữa các sóng mang nhánh và loại bỏ được các xuyên nhiễu ICI, ISI Ở dây, giá trị trải trễ cực đại là một thông số xuất hiện khi tín hiệu truyền trong không gian chịu ảnh hưởng của hiện tượng đa đường (multipath effect)-tức là tín hiệu thu được tại bộ thu không chỉ đến từ đường trực tiếp mà còn đến từ các đường phản xạ khác nhau, và các tín hiệu này đến bộ thu tại các thời điểm khác nhau Giá trị trải trễ cực đại được xác định là khoảng thời gian chênh lệch lớn nhất giữa thời điểm tín hiệu thu qua đường trực tiếp và thời điểm tín hiệu thu được qua đường phản xạ Nếu phát một xung RF (xung Dirac) trong môi trường truyền đa đường, tại bộ thu sẽ nhận được các đáp ứng xung có dạng sau
Hình 2.8 Đáp ứng xung của kênh truyền trong môi trường truyền đa đường Đáp ứng xung h(t) của một kênh truyền chịu ảnh hưởng của hiện tượng đa đường : h(t)=∑ k=1 m
(2.12) Với : Ak là biên độ phức của đáp ứng xung trên đường truyền thứ k
Tk là thời gian trễ của đáp ứng trên đường truyền thứ k so với gốc thời gian m là số đường truyền trong môi trường truyền đa đường.
Tiền tố lặp (CP) có khả năng loại bỏ nhiễu ISI, nhiễu ICI vì nó cho phép tăng khả năng đồng bộ (đồng bộ ký tự, đồng bộ tần số sóng mang) trong hệ thống OFDM
2.4.5 Ứng dụng của kỹ thuật OFDM:
2.4.5.1 Các ứng dụng quan trọng của OFDM trên thế giới:
- Hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T (Digital Video Broadcasting For Terrestrial
- Hệ thống phát thanh số đường dài DRM (Digital Radio Mondiale).
- Truy cập Internet băng thông rộng ADSL (Asymmetric Digital Subcriber Line).
- Mạng máy tính không dây với tốc độ truyền dẫn cao Hiper LAN/2 (High Peformance Local Area Netword type 2).
- Đặc biệt OFDM là ứng cử viên triển vọng nhất cho hệ thống thông tin 4G (hệ thống truy cập Internet không dây băng rộng theo tiêu chuẩn WiMAX).
2.4.5.2 Ứng dụng hiện tại của kỹ thuật OFDM ở Việt NAM:
Các kỹ thuật điều chế trong OFDM
Trong hệ thống OFDM, tín hiệu đầu vào là ở dạng bit nhi phân Do đó, điều chế trong OFDM là các quá trình điều chế số và có thể lựa chọn trên yêu cầu hoặc hiệu suất sử dụng băng thông kênh Dạng điều chế có thể qui định bởi số bit ngõ vào M và số phức d n = a n + b n ở ngõ ra Các kí tự a n , b n có thể được chọn là {± 1,±3} cho 16 QAM và {±1} cho QPSK.
M Dạng điều chế an, bn
Bảng 2.2 Mô hình điều chế được sử dụng tùy vào việc dụng hòa giữa yêu cầu tốc độ truyền dẫn và chất lượng truyền dẫn.
Trong một hệ thống điều chế BPSK, cặp các tín hiệu s 1 (t), s 2 (t) được sử dụng để biểu diễn các kí hiệu cơ số hai là "0" và "1" được định nghĩa như sau:[7]
Trong đó, T b : Độ rộng của 1bit ; E b : Năng lượng của 1 bit θ (t) : góc pha, thay đổi theo tín hiệu điều chế θ : góc pha ban đầu có giá trị không đổi từ 0 đến 2π và không ảnh hưởng đến quá trình phân tích nên đặt bằng 0 i = 1 : tương ứng với symbol 0 i = 2 : tương ứng với symbol 1
Mỗi cặp sóng mang hình sine đối pha 180 0 như trên được gọi là các tín hiệu đối cực
Nếu chọn một hàm năng lượng cơ sở là: Φ( t )= √ T 2 b cos( 2 πff c t ); 0≤t ≤T b
Ta có thể biểu diễn BPSK bằng một không gian tín hiệu một chiều (N=1) với hai điểm bản tin (M=2) : S 1 = √ E b , S 2 = - √ E b như hình sau:
Hình 2.9 Biểu đồ không gian tín hiệu BPSK
Khi tín hiệu điều chế BPSK được truyền qua kênh chịu tác động của nhiễu Gauss trắng cộng (AWGN), xác suất lỗi bit giải điều chế được xác định theo công thức
P e =Q ( √ 2 N E 0 b ) (2.16) Trong đó: E b : Năng lượng bit
N 0 : Mật độ nhiễu trắng cộng
2.5.2.Điều chế QPSK: Đây là một trong những phương pháp thông dụng nhất trong truyền dẫn Công thức cho sóng mang được điều chế PSK 4 mức như sau:[7]
S i (t)={ √ 2 T E cos( 0 2 πft +θ(t )+θ ) t 0≤t ⟨ 0 ;t ≤T ⟩ T (2.17) Với θ pha ban đầu ta cho bằng 0 θ(t)=(2i−1)πf
4 (2.18) Trong đó: i = 1,2,3,4 tương ứng là các ký tự được phát đi là "00", "01", "11", "10"
T= 2.Tb (Tb: Thời gian của một bit, T: thời gian của một ký tự)
E : năng lượng của tín hiệu phát triển trên một ký tự.
S i (t )= { √ 2 0 T E cos [ ( 2 i−1) πf 4 ]cos (2 πff c t )− √ 2 T E sin [(2 i−1 )] πf 4 sin (2 πff c t ) ¿( T 0≤t≤T < t ;t Tg) Tuy nhiên nó không thể lớn tùy tiện vì khoảng thời gian symbol rộng có nghĩa là có nhiều sóng mang với khoảng cách sóng mang nhỏ hơn, do đó việc thực hiện sẽ phức tạp hơn và nhạy cảm hơn đối với tạp âm pha và sự dịch tần, cũng như tỷ số công suất đỉnh trên trung bình tăng lên Vì thế việc chọn dự kiến trong thực tế cần có khoảng thời gian symbol ít nhất là gấp 5 lần thời gian phòng vệ, nó cũng đồng thời bao hàm rằng tổn hao 1dB đối với SNR do thời gian phòng vệ TOFDM ≥ 5Tg
-Khoảng cách tần số giữa hai sóng mang con kề nhau: Sau khi khoảng thời gian symbol đã được cố định, số lượng các sóng mang đi theo trực tiếp với băng thông -3dB yêu cầu được chia bởi khoảng cách sóng mang Ở đây khoảng cách sóng mang được tính bằng nghịch đảo của thời gian symbol trừ đi thời gian phòng vệ.
∆ƒ=1/(Ts - Tg) -Số lượng bít thông tin trên một kí hiệu OFDM: B info = RT OFDM
-Số lượng các sóng mang cũng có thể được chọn bằng tốc độ bít yêu cầu, được chia thành tốc độ bít trên một sóng mang Tốc độ bít trên một sóng mang được xác định bởi dạng điều chế (ví dụ điều chế 16QAM), tốc độ mã hóa, tốc độ symbol.
-Độ rộng băng của tín hiệu OFDM: B W = N∆ƒ Định nghĩa các thông số cơ sở đặc tả symbol OFDM
- BW: độ rộng băng tần của kênh
- Nused: số sóng mang con được sử dụng
- G: tỉ số khoảng thời gian T g so với khoảng thời gian hữu ích của symbol (T b)
Các thông số được suy ra:
- NFFT: kích thước biến đổi FFT (chính là số sóng mang con), > N used
NFFT = Nused + số sóng mang con bảo vệ (2 biên tần trên, dưới) +sóng mang con trung tâm
- Tần số lấy mẫu: FS = floor (n BW/8000) x 8000
- Khoảng cách giữa các sóng mang con: Δff = F
- Thời gian hữu ích của symbol: Tb = 1 / Δff
- Khoảng thời gian CP (Cycle Prefix): T g = G Tb
- Thời gian tồn tại symbol OFDM: TS = Tg + Tb
- Chu kì lấy mẫu = Tb / NFFT
Số sóng mang dẫn đường 8
Số sóng mang dữ liệu 192
Số sóng mang bảo vệ 55 (28 Thấp, 27 cao)
G 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 Độ rộng kênh là bội của 1,75MHz: n = 8/7 Độ rộng kênh là bội của 1,5MHz: n = 86/75 Độ rộng kênh là bội của 1,25MHz: n = 144/125 Độ rộng kênh là bội của 2,75MHz: n = 316/275 Độ rộng kênh là bội của 2,0MHz: n = 57/50 Các trường hợp khác: n = 8/7
Bảng 2.4: Thông số symbol OFDM theo chuẩn 802.16-2004
Một số nhận xét trước khi thiết kế:
+Khi tăng thời gian symbol có nghĩa là làm giảm khoảng cách tần số giữa các sóng mang con, do đó với một độ rộng băng tín hiệu cho trước, càng nhiều sóng mang con càng tốt Nhưng mặt khác với một số lượng sóng mang phụ cho trước, tăng thời gian symbol thì sẽ làm giảm độ rộng băng tần.
+Tăng số lượng sóng mang con làm tăng số lượng mẫu trên một ký hiệu OFDM, nếu thời gian ký hiệu OFDM vẫn như cũ, khoảng cách giữa hai mẫu giảm Điều này góp phần tăng độ rộng tín hiệu OFDM cố định thì tăng số lượng sóng mang phụ làm giảm khoảng cách tần số giữa 2 sóng mang phụ dẫn tới giảm thời gian symbol, khi đó khoảng cách giữa hai mẫu vẫn giữ nguyên.
Ví dụ về thiết kế một hệ thống OFDM:
Giả sử chúng ta muốn thiết kế một hệ thống với các yêu cầu sau:
-Trải trễ chấp nhận được: τ rms = 200ns
-Băng thông W nhỏ hơn 15 MHz
Từ yêu cầu trải trễ ta tính được giá trị thời gian phòng vệ an toàn là:
Tg = 4*200ns = 800ns = 0,8 μs, do đó nhiễu liên kí tự có thể xảy ra đángs Khoảng thời gian symbol là : Ts = 6*Tg = 6*0,8 μs, do đó nhiễu liên kí tự có thể xảy ra đángs = 4,8 μs, do đó nhiễu liên kí tự có thể xảy ra đángs
Khoảng cách sóng mang là: ∆ƒ = 1/(4,8-0,8) μs, do đó nhiễu liên kí tự có thể xảy ra đángs = 250kHz Để xác định số lượng các sóng mang cần thiết, chúng ta có thể căn cứ vào tốc độ bít yêu cầu và tốc độ symbol OFDM Để đạt được 20Mbps, mỗi symbol OFDM cần phải mang
96 bit thông tin(96/4,8 μs, do đó nhiễu liên kí tự có thể xảy ra đángs = 20Mbps) Để làm được điều đó chúng ta có một số cách lựa chọn:
+Cỏch thứ nhất: Sử dụng 16QAM cựng với mó húa tốc độ ẵ để cú 2 bit trờn một symbol trên sóng mang phụ, trong trường hợp này cần có 48 sóng mang phụ để có 96 bit yêu cầu trên một symbol OFDM.
+Cỏch thứ hai: Sử dụng QPSK với mó húa ắ tốc độ, tạo ra 1,5 bit trờn một symbol trên một sóng mang phụ Trong trường hợp này cần có 64 sóng mang để đạt được 96 bit trên một symbol Tuy nhiên, 64 sóng mang có nghĩa là băng thông bằng 64*250 = 16MHz sẽ rộng hơn băng thông theo chỉ tiêu (15MHz).
Vì vậy để đạt được băng thông nhỏ hơn 15MHz, số lượng các sóng mang cần phải nhỏ hơn 60 Vì thế cách lựa chọn thứ nhất với 48 sóng mang và 16QAM đáp ứng được tất cả các yêu cầu Hơn nữa nó có thêm ưu điểm là FFT/IFFT cơ số 4, 64 điểm có hiệu quả có thể được sử dụng, bỏ lại 16 sóng mang ʽʽ0ʼʼ mang lại sự quá mẫu (over sampling) để tránh méo gập dịch phổ(aliasing).
Một yêu cầu nữa có thể ảnh hưởng tới việc lựa chọn các tham số là yêu cầu đối với số nguyên của các mẫu cả trong khoảng cách FFT/IFFT và khoảng cách symbol.
Kết luận chương
Chương II đã giới thiệu một cách tổng quan về kĩ thuật truyền dẫn đa sóng mang OFDM cũng như các kỹ thuật điều chế trong OFDM Từ những nghiên cứu trong chương này, ta thấy OFDM là một giải pháp ưu việt bởi những ưu điểm của nó trong tiết kiệm băng tần và khả năng xử lý đa đường, chống phading chọn lọc theo tần số cũng như xuyên nhiễu băng hẹp Cùng với sự tiến bộ của công nghệ tích hợp điện tử, OFDM được coi là một trong những ứng cử viên có triển vọng nhất cho thế hệ thông tin 4G Ngoài ra, OFDM còn được ứng dụng rất nhiều trong hệ thống WiMAX, đây là công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng được rất nhiều các nhà nghiên cứu quan tâm Cụ thể WiMAX sẽ được trình bày chi tiết hơn ở chương III.
VAI TRÒ CỦA OFDM TRONG CÔNG NGHỆ WIMAX
Giới thiệu chương
WiMAX là một công nghệ cho phép truy cập băng rộng vô tuyến đến đầu cuối như một phương thức thay thế cho cáp và đường dây thuê bao số DSL WiMAX cho phép kết nối băng rộng vô tuyến cố định, nomadic (người sử dụng có thể di động nhưng cố định trong lúc kết nối), portable (người sử dụng có thể di chuyển với tốc độ chậm) và cuối cùng là di động mà không cần ở trong tầm nhìn thẳng LOS (Line-Of-Sight) trực tiếp với trạm gốc
BS (Base Station) WiMAX khắc phục được các nhược điểm của các phương pháp truy nhập hiện tại, cung cấp một phương tiện truy nhập Internet không dây tổng hợp có thể thay thế cho ADSL và WiFi Hệ thống WiMAX có khả năng cung cấp đường truyền có tốc độ lên đến 70Mbit/s và với bán kính phủ sóng của một trạm anten phát lên đến 50Km Mô hình phủ sóng của mạng WiMAX tương tự như mạng điện thoại tế bào Bên cạnh đó, WiMAX cũng hoạt động mềm dẻo như WiFi khi truy cập mạng Mỗi khi máy tính muốn truy nhập mạng nó sẽ tự động kết nối đến trạm anten WiMAX gần nhất.
Trong chương này, chúng ta sẽ tìm hiểu khái niệm cơ bản về WiMAX, các chuẩnWiMAX hiện nay, các băng tần có thể sử dụng cho WiMAX, các ưu điểm và lợi ích củaWiMAX mang lại, đồng thời là tình hình triển khai WiMAX trên thế giới và tại Việt Nam
Khái niệm
WiMAX (Worldwide Interoperability of Microwave Access) là hệ thống truy nhập vi ba có tính tương thích toàn cầu dựa trên cơ sở tiêu chuẩn IEEE 802.16 WirelessMAN (Wireless Metropolitan Area Network) Họ 802.16 này đưa ra những tiêu chuẩn, chỉ tiêu kỹ thuật nhằm tập trung giải quyết các vấn đề trong mạng vô tuyến băng rộng điểm – đa điểm về giao diện vô tuyến bao gồm: Lớp điều khiển truy cập môi trường (MAC) và lớp vật lý (PHY).
WiMAX là một chuẩn không dây đang phát triển rất nhanh, hứa hẹn tạo ra khả năng kết nối băng thông rộng tốc độ cao cho cả mạng cố định lẫn mạng không dây di động Hai phiên bản của WiMAX được đưa ra như sau:
3.2.1.Fixed WiMAX (WiMAX cố định):
Dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004, được thiết kế cho loại truy nhập cố định và lưu động Trong phiên bản này sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonnal Frequency Division Multiple) hoạt động trong cả môi trường nhìn thẳng – LOS (line-of-sight) và không nhìn thẳng – NLOS (Non-line-of-sight) Sản phẩm dựa trên tiêu chuẩn này hiện tai đã được cấp chứng chỉ và thương mại hóa.
3 2.2.Mobile WiMAX (WiMAX di động):
Dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.16e, được thiết kế cho loại truy cập xách tay và di động về cơ bản, tiêu chuẩn 802.16e được phát triển trên cơ sở sửa đổi tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004 để tối ưu cho các kênh vô tuyến di động, cung cấp khả năng chuyển vùng – handoff và chuyển mạng – roaming Tiêu chuẩn này sử dụng phương thức đa truy cập ghép kênh chia tần số trực giao OFDMA (Orthogonnal Frequency Division Multiple Access) – là sự phối hợp của kỹ thuật ghép kênh và kỹ thuật phân chia tần số có tính chất trực giao, rất phù hợp với môi trường truyền dẫn đa đường nhằm tăng thông lượng cũng như dung lượng mạng, tăng độ linh hoạt trong việc quản lý tài nguyên, tận dụng tối đa phổ tần, cải thiện khả năng phủ sóng với các loại địa hình đa dạng.
WiMAX đã được phát triển và khắc phục được những nhược điểm của các công nghệ truy cập băng rộng trước đây, cụ thể: a.Cấu trúc mềm dẻo: WiMAX hỗ trợ các cấu trúc hệ thống bao gồm điểm – đa điểm, công nghệ lưới (mesh) và phủ sóng khắp mọi nơi Điều khiển truy nhập môi trường – MAC, phương tiện truyền dẫn hỗ trợ điểm – đa điểm và dịch vụ rộng khắp bởi lập lịch một khe thời gian cho mỗi trạm di động (MS) Nếu có duy nhất một MS trong mạng, trạm gốc (BS) sẽ liên lạc với MS trên cơ sở điểm – điểm Một BS trong một cấu hình điểm – điểm có thể sử dụng anten chùm hẹp hơn để bao phủ các khoảng cách xa hơn. b.Chất lượng dịch vụ QoS: WiMAX có thể được tối ưu động đối với hỗn hợp lưu lượng sẽ được mang Có 4 loại dịch vụ được hỗ trợ: dịch vụ cấp phát tự nguyện (UGS), dịch vụ hỏi vòng thời gian thực (rtPS), dịch vụ hỏi vòng không thời gian thực (nrtPS), nỗ lực tốt nhất (BE). c.Triển khai nhanh, chi phí thấp: So sánh với triển khai các giải pháp có dây,
WiMAX yêu cầu ít hoặc không có bất cứ sự xây dựng thiết lập bên ngoài Ví dụ, đào hố để tạo rãnh các đường cáp thì không yêu cầu Ngoài ra, dựa trên các chuẩn mở của WiMAX, sẽ không có sự độc quyền về tiêu chuẩn này, dẫn đến việc cạnh tranh của nhiều nhà sản xuất, làm cho chi phí đầu tư một hệ thống giảm đáng kể. d.Dịch vụ đa mức: Cách thức nơi mà QoS được phân phát nói chung dựa vào sự thỏa thuận mức dịch vụ (SLA - Service-Level Agreement) giữa nhà cung cấp dịch vụ và người sử dụng cuối cùng Chi tiết hơn, một nhà cung cấp dịch vụ có thể cung cấp các SLA khác nhau tới các thuê bao khác nhau, thậm chí tới những người dùng khác nhau sử dụng cùng
MS Cung cấp truy nhập băng rộng cố định trong những khu vực đô thị và ngoại ô, nơi chất lượng cáp đồng thì kém hoặc đưa vào khó khăn, khắc phục thiết bị số trong những vùng mật độ thấp nơi mà các nhân tố công nghệ và kinh tế thực hiện phát triển băng rộng rất thách thức. e.Tính tương thích: WiMAX được xây dựng để trở thành một chuẩn quốc tế, tạo ra sự dễ dàng đối với người dùng cuối cùng để truyền tải và sử dụng MS của họ ở các vị trí khác nhau, hoặc với các nhà cung cấp dịch vụ khác nhau Tính tương thích bảo vệ sự đầu tư của một nhà vận hành ban đầu vì nó có thể chọn lựa thiết bị từ các nhà đại lý thiết bị. f.Di động: IEEE 802.16e bổ sung thêm các đặc điểm chính hỗ trợ khả năng di động Những cải tiến lớp vật lý OFDM (ghép kênh phân chia tần số trực giao) và OFDMA (đa truy nhập phân chia tần số trực giao) để hỗ trợ các thiết bị và các dịch vụ trong một môi trường di động Những cải tiến này, bao gồm OFDMA mở rộng được, MIMO (Multi In Multi Out - nhiều đầu vào nhiều đầu ra), và hỗ trợ đối với chế độ idle/sleep và handoff, sẽ cho phép khả năng di động đầy đủ ở tốc độ tới 160 km/h Mạng WiMAX di động cho phép người sử dụng có thể truy cập Internet không dây băng thông rộng tại bất cứ đâu có phủ sóng WiMAX. g.Hoạt động NLOS: Khả năng họat động của mạng WiMAX mà không đòi hỏi tầm nhìn thẳng giữa BS và MS Khả năng này của nó giúp các sản phẩm WiMAX phân phát dải thông rộng trong một môi trường NLOS. h.Phủ sóng rộng hơn: WiMAX hỗ trợ động nhiều mức điều chế, bao gồm BPSK,
QPSK, 16QAM, 64QAM Khi yêu cầu với bộ khuếch đại công suất cao và hoạt động với điều chế mức thấp (ví dụ BPSK hoặc QPSK) Các hệ thống WiMAX có thể phủ sóng một vùng địa lý rộng khi đường truyền giữa BS và MS không bị cản trở Mở rộng phạm vi bị giới hạn hiện tại của WLAN công cộng (hotspot) đến phạm vi rộng (hotzone) Ở những điều kiện tốt nhất có thể đạt được phạm vi phủ sóng 50 km với tốc độ dữ liệu bị hạ thấp (một vài Mbit/s), phạm vi phủ sóng điển hình là gần 5 km với CPE (NLOS) trong nhà và gần 15km với một CPE được nối với một anten bên ngoài (LOS). i.Dung lượng cao: Có thể đạt được dung lượng 75 Mbit/s cho các trạm gốc với một kênh 20 MHz trong các điều kiện truyền sóng tốt nhất. j.Tính mở rộng: Chuẩn 802.16 -2004 hỗ trợ các dải thông kênh tần số vô tuyến
(RF) mềm dẻo và sử dụng lại các kênh tần số này như là một cách để tăng dung lượng mạng Chuẩn cũng định rõ hỗ trợ đối với TPC (điều khiển công suất phát) và các phép đo chất lượng kênh như các công cụ thêm vào để hỗ trợ sử dụng phổ hiệu quả Chuẩn đã được thiết kế để đạt tỷ lệ lên tới hàng trăm thậm chí hàng nghìn người sử dụng trong một kênh
RF Hỗ trợ nhiều kênh cho phép các nhà chế tạo thiết bị cung cấp một phương tiện để chú trọng vào phạm vi sử dụng phổ và những quy định cấp phát được nói rõ bởi các nhà vận hành trong các thị trường quốc tế thay đổi khác nhau. k.Bảo mật: Bằng cách mã hóa các liên kết vô tuyến giữa BS và MS, sử dụng chuẩn mã hóa tiên tiến AES, đảm bảo sự toàn vẹn của dữ liệu trao đổi qua giao diện vô tuyến Cung cấp cho các nhà vận hành với sự bảo vệ mạnh chống lại những hành vi đánh cắp dịch vụ.
Hình 3.1: Các đặc tính của WiMAX
Các chuẩn của WiMAX
Chuẩn IEEE 802.16-2001 được hoàn thành vào tháng 10/2001 và được công bố vào
4/2002, định nghĩa đặc tả kỹ thuật giao diện không gian WirelessMAN™ cho các mạng vùng đô thị Đặc điểm chính của IEEE 802.16 – 2001:
- Giao diện không gian cho hệ thống truy nhập không dây băng rộng cố định họat động ở dải tần 10 – 66 GHz, cần thỏa mãn tầm nhìn thẳng.
- Lớp vật lý PHY: WirelessMAN-SC.
- Tốc độ bit: 32 – 134 Mbps với kênh 28 MHz.
- Điều chế QPSK, 16 QAM và 64 QAM.
- Các dải thông kênh 20 MHz, 25 MHz, 28 MHz.
- Kết nối có định hướng, MAC TDM/TDMA, QoS, bảo mật.
Vì những khó khăn trong triển khai chuẩn IEEE 802.16, hướng vào việc sử dụng tần số từ 10 – 66 GHz, 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 giao diện không gian cho những tần số trong băng tần 2–11 GHz, bao gồm cả những phổ cấp phép và không cấp phép và không cần thoả mãn điều kiện tầm nhìn thẳng Đặc điểm chính của IEEE 802.16a như sau:
- Tốc độ bit: tới 75Mbps với kênh 20 MHz.
- Dải thông kênh có thể thay đổi giữa 1,25MHz và 20MHz.
- Lớp vật lý PHY: WirelessMAN-OFDM, OFDMA, SCa.
- Điều chế OFDMA với 2048sóng mang, FDM 256sóng mang,QPSK, 16QAM, 64QAM.
- Bổ sung 802.16, các hiệu chỉnh MAC và các đặc điểm PHY thêm vào cho dải 2 –
- Các chức năng MAC thêm vào: hỗ trợ PHY OFDM và OFDMA, hỗ trợ công nghệ Mesh, ARQ.
Tháng 7/2004, chuẩn IEEE 802.16 – 2004 hay IEEE 802.16d được chấp thông qua, kết hợp của các chuẩn IEEE 802.16 – 2001, IEEE 802.16a, ứng dụng LOS ở dải tần số 10 -
66 GHz và NLOS ở dải 2 - 11 GHz Khả năng vô tuyến bổ sung như là “beam forming” và kênh con OFDM.
3.3.4 Chuẩn IEEE 802.16e: Đầu năm 2005, chuẩn không dây băng thông rộng 802.16e với tên gọi Mobile WiMAX đã được phê chuẩn, cho phép trạm gốc kết nối tới những thiết bị đang di chuyển Chuẩn này giúp cho các thiết bị từ các nhà sản xuất này có thể làm việc, tương thích tốt với các thiết bị từ các nhà sản xuất khác 802.16e họat động ở các băng tần nhỏ hơn
6 GHz, tốc độ lên tới 15 Mbps với kênh 5 MHz, bán kính cell từ 2 – 5 km WiMAX 802.16e có hỗ trợ handoff và roaming Sử dụng SOFDMA, một công nghệ điều chế đa sóng mang. Các nhà cung cấp dịch vụ mà triển khai 802.16e cũng có thể sử dụng mạng để cung cấp dịch vụ cố định 802.16e hỗ trợ cho SOFDMA cho phép số sóng mang thay đổi, ngoài các mô hình OFDM và OFDMA Sự phân chia sóng mang trong mô hình OFDMA được thiết kế để tối thiểu ảnh hưởng của nhiễu phía thiết bị người dùng với anten đa hướng Cụ thể hơn, 802.16e đưa ra hỗ trợ cải tiến hỗ trợ MIMO và AAS, cũng như các handoff cứng và mềm.
Nó cũng cải tiến các khả năng tiết kiệm công suất cho các thiết bị di động và các đặc điểm bảo mật linh hoạt hơn
WiMAX hỗ trợ cấu hình mạng đa điểm và cấu hình mạng lưới MESH
3.4.1.Cấu hình điểm-đa điểm PMP:
PMP là một mạng truy nhập với một hoặc nhiều BS có công suất lớn và nhiều SS nhỏ hơn Người dùng có thể ngay lập tức truy nhập mạng chỉ sau khi lắp đặt thiết bị người dùng SS có thể sử dụng các anten tính hướng đến các BS, ở các BS có thể có nhiều anten có hướng tác dụng theo mọi hướng hay một cung Với cấu hình này trạm gốc BS là điểm trung tâm cho các trạm thuê bao SS Ở hướng DL có thể là quảng bá, đa điểm hay đơn điểm. Kết nối của một SS đến BS được đặc trưng qua nhận dạng kết nối CID
3.4.2 Cấu hình mắt lưới MESH:
Với cấu hình này SS có thể liên lạc trực tiếp với nhau Trạm gốc Mesh BS kết nối với một mạng ở bên ngoài mạng MESH Một số điểm phân biệt như sau:
- Neighbor: Kết nối trực tiếp đến một node mạng
- Neighborhood : Tất cả các neighbor của một node tạo ra neighorhood.
- Extended neighborhood: Tất cả các neighbor của một neighborhood.
MESH khác PMP là trong kiểu PMP các SS chỉ liên hệ với BS và tất cả lưu lượng đi qua BS.Với kiểu MESH tất cả các node có thể liên lạc với mỗi node khác một cách trưc tiếp hoặc bằng định tuyến nhiều bước thông qua các SS khác
Một hệ thống với truy nhập đến một kết nối backhaul được gọi là Mesh BS, trong khi các hệ thống còn lại được gọi là Mesh SS Dù cho MESH có một hệ thống được gọi là Mesh
BS, hệ thống này cũng phải phối hợp quảng bá với các node khác Backhaul là các anten điểm-điểm được dùng để kết nối các BS được định vị qua khoảng cách xa
Một mạng MESH có thể sử dụng hai loại lập lịch quảng bá Với kiểu lập lịch phân tán, các hệ thống trong phạm vi hai bước của mỗi node khác nhau chia sẻ các danh mục và hợp tác để đảm bảo tránh xung đột và chấp nhận tài nguyên
MESH lập lịch tập trung dựa vào Mesh BS để tập hợp các yêu cầu tài nguyên từ các Mesh SS trong một dải bất kì và phân phối các yêu cầu này với khả năng cụ thể Khả năng này được chia sẻ với các Mesh SS khác mà dữ liệu của người dùng được chuyển tiếp thông qua các Mesh SS đó trao đổi với Mesh BS
Trong kiểu MESH, phân loại QoS được thực hiện trên nền tảng từng gói hơn là được kết hợp với các liên kết như trong kiểu PMP Do đó chỉ có một liên kết giữa giữa hai nodeMesh liên lạc với nhau
3.5 Lớp MAC và lớp PHY trong WIMAX:
Lớp con phần chung của MAC
Lớp con hội tụ đặc thù dịch vụ
Các lớp con hội tụ đặc thù dịch vụ
Thực thể quản lý Lớp con phần chung của MAC
Thực thể quản lý PHY Lớp con an ninh Phạm vi của tiêu chuẩn
Mặt phẳng số liệu/điều khiển Mặt phẳng quản lý
SAP: Service Access Point: điểm truy nhâp dịch vụ MAC: Medium Access Control: điều khiển truy nhập môi trường
CS: Convergence Sublayer: lớp con hội tụ CPS: Common Part Sublayer: lớp con phần chung PHY: Physical: lớp vật lý
Mô hình của chuẩn IEEE 802.16 có 3 phần : khối người dùng (user), khối điều khiển (control), khối quản lý (managerment) như trong hình 3.4.
Tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004 liên quan đến khối người dùng và khối điều khiển Nó định nghĩa hai lớp trong các khối này: lớp MAC (Medium Access Control Layer), lớp vật lý PHY (Physical Layer) Lớp MAC gồm có 3 lớp con: CS (Service-Specific Convergence
Sublayer), MAC CPS (MAC Common Part Sublayer) và lớp con bảo mật (Security Sublayer) CS cung cấp những đáp ứng được yêu cầu cho quá trình lưu thông lớp MAC
CPS giải quyết vấn đề truyền tin không dây băng thông rộng Lớp bảo mật cung cấp bảo mật viễn thông về mặt riêng tư, thông tin quốc gia, bản quyền của cá nhân.
Dưới lớp MAC, là lớp vật lý PHY, nó cung cấp khả năng truyền tải mạnh và thích nghi với môi trường không dây Lớp PHY sử dụng 5 loại giao diện:
- WirelessMAN-SC TM (Line of Sight - LOS).
- WirelessMAN-SCa TM (Non Line of Sight - NLOS).