Đề tài nghiên cứu lớp điều khiển truy nhập môi trường MAC trong công nghệ WIMAX

Đồ án WiMAX , dành cho sinh viên công nghệ thông tin

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của bất

cứ đồ án hoặc công trình đã có từ trước

MỤC LỤC

MỤC LỤC CÁC HÌNH VẼ

MỤC LỤC CÁC BẢNG

CÁC TỪ VIẾT TẮT

MỞ ĐẦU

Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ WiMAX

1.1 Giới thiệu chương 1

1.2 Khái niệm 1

1.3 Các chuẩn của WiMAX 5

1.3.1 Chuẩn IEEE 802.16 – 2001 5

1.3.2 Chuẩn IEEE 802.16a 5

1.3.3 Chuẩn IEEE 802.16 – 2004 6

1.3.4 Chuẩn IEEE 802.16e 6

1.4 Phổ WiMAX 8

1.4.1 Băng tần đăng ký 8

1.4.2 Băng tần không đăng ký 5GHz 9

1.5 Truyền sóng 9

1.6 Ưu điểm và nhược điểm của WiMAX 12

1.7 Tình hình triển khai WiMAX 14

1.7.1 Tình hình triển khai WiMAX trên thế giới 14

1.7.2 Tình hình triển khai WiMAX thử nghiệm tại Việt Nam 14

1.8 Kết luận chương 15

Chương 2: CÁC KỸ THUẬT ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG WiMAX 2.1 Giới thiệu chương 16

2.2 Kỹ thuật OFDM 17

2.2.1 Khái niệm 17

2.2.2 Sơ đồ khối OFDM 18

2.2.3 Chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM 19

2.2.4 Nguyên tắc giải điều chế OFDM 21

2.2.5 Các ưu và nhược điểm của kĩ thuật OFDM 21

2.3 Kỹ thuật OFDMA 23

2.3.1 Khái niệm 23

2.3.2 Đặc điểm 23

2.3.3 OFDMA nhảy tần 24

2.3.4 Hệ thống OFDMA 26

2.4 Điều chế thích nghi 27

2.5 Công nghệ sửa lỗi 28

2.6 Điều khiển công suất 28

2.7 Các công nghệ anten tiên tiến 28

2.7.1 Phân tập thu và phát 29

2.7.2 Các hệ thống anten thích nghi 30

2.8 Kết luận chương 31

Chương 3: KIẾN TRÚC MẠNG TRUY CẬP WIMAX 3.1 Giới thiệu chương 32

3.2 Mô hình tham chiếu 32

3.3 Lớp điều khiển truy nhập môi trường (MAC) 34

3.3.1 Kết nối và địa chỉ 35

3.3.2 Lớp con hội tụ MAC 36

3.3.3 Lớp con phần chung MAC 37

3.3.4 Cơ chế yêu cầu và cấp phát băng thông 41

3.3.5 Cơ chế lập lịch dịch vụ và chất lượng dịch vụ (QoS) 43

3.3.6 Lớp con bảo mật 44

3.4 Lớp vật lý 44

3.5 Kết luận chương 46

Chương 4: KIẾN TRÚC BẢO MẬT CHUẨN IEEE 802.16 4.1 Giới thiệu chương 47

4.2 Kiến trúc bảo mật 47

4.2.1 Kết hợp bảo mật 49

4.2.2 Giao thức quản lí khóa PKM 49

4.3 Quy trình bảo mật 50

4.3.1 Xác thực 51

4.3.2 Trao đổi khóa dữ liệu 53

4.3.3 Mã hóa dữ liệu 54

4.4 Hạn chế của kiến trúc bảo mật IEEE 802.16 55

4.5 Kết luận chương 56

Chương 5: MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG HỆ THỐNG WiMAX 5.1 Giới thiệu chương 57

5.2 Môi trường mô phỏng 57

5.3 Mô phỏng 59

5.3.1 Giả thuyết 59

5.3.2 Kịch bản mô phỏng 60

5.4 Phân tích kết quả mô phỏng 61

5.4.1 Hoạt động 61

5.4.2 Tính lượng băng thông được sử dụng trên BS 63

5.5 Nhận xét 65

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

MỤC LỤC CÁC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.1 Minh họa họat động WiMAX [10] 11

Hình 1.2 Truyền sóng trong trường hợp NLOS [10] 11

Hình 2.1 So sánh giữa FDM và OFDM 17

Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống OFDM 18

Hình 2.3 Khái niệm về chuỗi bảo vệ 19

Hình 2.4 ISI và cyclic prefix 20

Hình 2.5 Tách chuỗi bảo vệ 21

Hình 2.6 ODFM và OFDMA 23

Hình 2.7 Ví dụ của biểu đồ tần số, thời gian với OFDMA 24

Hình 2.8 Biểu đồ tần số thời gian với 3 người dùng nhảy tần a, b, c đều có 1 bước nhảy với 4 khe thời gian 25

Hình 2.9 6 mẫu nhảy tần trực giao với 6 tần số nhảy khác nhau 25

Hình 2.10 Tổng quan hệ thống sử dụng OFDMA 26

Hình 2.11 Mẫu tín hiệu dẫn đường trong OFDMA 27

Hình 2.12 Bán kính cell quan hệ với điều chế thích nghi 27

Hình 2.13 MISO 29

Hình 2.14 MIMO 30

Hình 2.15 Beam Shaping 30

Hình 2.16 AAS đường xuống 31

Hình 3.1 Mô hình tham chiếu [5] 32

Hình 3.2 Chức năng các lớp trong mô hình phân lớp chuẩn IEEE 802.16 33

Hình 3.3 Luồng dữ liệu qua các lớp 33

Hình 3.4 Định dạng MAC PDU 37

Hình 3.5 Định dạng của tiêu đề MAC PDU chung 38

Hình 3.6 Định dạng tiêu đề yêu cầu dải thông 40

Hình 4.1 Mô hình kiến trúc bảo mật chuẩn IEEE 802.16 [7] 48

Hình 4.2 Quy trình bảo mật 50

Hình 4.3 Quá trình xác thực SS với BS 51

Hình 4.4 Quá trình trao đổi khóa dữ liệu 53

Hình 4.5 Định dạng payload trước và sau khi mã hóa 55

Hình 5.1 Module WiMAX trong kiến trúc NS-2 [13] 58

Hình 5.2 Kiến trúc mạng mô phỏng 60

Hình 5.3 Các SS gửi yêu cầu ranging 61

Hình 5.4 BS gửi đáp ứng ranging 62

Hình 5.5 SS_2 gửi yêu cầu băng thông 62

Hình 5.6 SS_2 gửi dữ liệu (rtPS) cho BS 63

Hình 5.7 Đồ thị băng thông được sử dụng trên các kênh truyền 63

Hình 5.8 Thông tin trong file ~.tr được import vào excel 64

MỤC LỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 1.1 Tóm tắt các đặc trưng cơ bản các chuẩn WiMAX [6] 8

Bảng 3.1 Các trường tiêu đề MAC chung 39

Bảng 3.2 Các trường tiêu đề MAC yêu cầu dải thông 40

Bảng 3.3 Đặc tả vật lý chuẩn IEEE 802.16 45

CÁC TỪ VIẾT TẮT

AAS Advanced Antenna Systems - Các hệ thống anten thích nghi

AES Advanced Encryption Standard - Chuẩn mã hóa nâng cao

AK Authentication Key - Khóa chứng thực

ARQ Automatic Repeat reQuest - Tự động lặp lại yêu cầu

ATM Asynchronous Transfer Mode

AWGN Additive White Gaussian Noise - Nhiễu Gaussian trắng cộng

BE Best Effort

BER Bit Error Rate - Tỉ lệ lỗi bit

BPSK Binary Phase Shift Keying - điều chế pha nhị phân

BS Base Station - Trạm gốc

CDMA Code Division Multiple Access - Đa truy cập phân chia theo mãCID Connection Identifier - Định danh kết nối

CP Cyclic Prefix - Tiền tố vòng

CPE Customer Premise Equipment

CRC Cyclic Redundancy Check - Kiểm tra lỗi dư vòng

DFS Dynamic Frequency Selection – Lựa chọn tần số động

FDD Frequency Division Duplex - Ghép kênh phân chia theo tần sốFFT Fast Fourier Transform - Chuyển đổi Fourier nhanh

GSM Global System for Mobile communications - Hệ thống thông tin di

động toàn cầu

ICI InterChannel Interference - Nhiễu xuyên kênh

IDFT Inverse Discrete Fourier Transform - Biến đổi Fourirer rời rạc

ngược

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers - Học Viện của các

Kỹ Sư Điện và Điện Tử

IFFT Inverse Fast Fourier Transform - Biến đổi Fourier ngược nhanhISI Inter-Symbol Interference - Nhiễu xuyên ký tự

KEK Key Encryption Key

LOS Line Of Sight - Tầm nhìn thẳng

MAC Media Access Control - Điều khiển truy nhập môi trường

MAN Metropolitan Area Network – Mạng đô thị

MIMO Multiple Input Multiple Output - Nhiều đầu vào, nhiều đầu ra

MISO Multiple Input Single Output - Nhiều đầu vào, một đầu ra

MS Mobile Station - Trạm di động

NLOS Non–Line-Of-Sight - Không tầm nhìn thẳng

nrtPS non–real-time Polling Service

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing - Ghép kênh phân

chia theo tần số trực giao

OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access - Đa truy cập ghép

kênh chia tần số trực giao

PDU Packet Data Unit - Đơn vị gói dữ liệu

PKM Privacy and Key Management - Quản lý sự riêng tư và khóa

QAM Quadrature Amplitude Modulation - Điều chế biên độ trực giao

QoS Quality of Service - Chất lượng dịch vụ

QPSK Quadature Phase Shift Keying - điều chế pha trực giao

RF Radio Frequency - Tần số vô tuyến

rtPS real-time Polling Service

SA Security Association – Tập hợp bảo mật

SDU Service Data Unit - Đơn vị dữ liệu dịch vụ

SLA Service-Level Agreement - Thỏa thuận mức dịch vụ

SNR Signal-to-Noise Ratio – Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu

SS Subscriber Station - Trạm thuê bao

TDM Time Division Multiplexing – Ghép kênh phân chia theo thời gianTDMA Time Division Multiplexing Access – Đa truy cập phân chia theo

thời gian

TEK Traffic Encryption Key - Khóa mã hóa lưu lượng

UDP User Datagram Protocol

UGS Unsolicited Grant Services

UMTS Universal Mobile Telephone System

WiFi Wireless Fidelity

WiMAX Worldwide interoperability for Microwave Access

WLAN Wireless Local Area Network – Mạng cục bộ không dây

MỞ ĐẦU

Xu hướng phát triển của các mạng thế hệ sau được đặc trưng bởi khả năng hội

tụ, tốc độ dữ liệu cao, hỗ trợ nhiều mức chất lượng dịch vụ (QoS) đi đôi với khảnăng di động bên trong mạng hoặc giữa các mạng sử dụng các công nghệ khác nhau

và giữa các nhà cung cấp dịch vụ với nhau Một khía cạnh quan trọng trong xuhướng phát triển đó là việc chuẩn hóa, cho phép xây dựng kiểu mạng độc lập vớithiết bị và khả năng tương tác giữa các kiểu mạng khác nhau ở mức cao Một côngnghệ đang được phát triển đáp ứng được những đặc tính kể trên, được chuẩn hóabởi tổ chức IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) đó là công nghệIEEE 802.16, thường được gọi là công nghệ WiMAX

WiMAX được thiết kế nhằm mục đích bổ sung vào các công nghệ truy cậpkhông dây hiện tại với ưu điểm tốc độ dữ liệu cao, hỗ trợ QoS linh hoạt, phạm viphủ sóng rộng và chi phí triển khai thấp trong phạm vi vùng đô thị MAN(Metropolian Access Network)

Đồ án này tập trung vào việc nghiên cứu lớp Điều khiển truy nhập môi trườngMAC trong công nghệ WIMAX Đồ án sẽ trình bày những vấn đề cơ bản nhất vềcông nghệ WiMAX như các chuẩn WiMAX, các kỹ thuật được ứng dụng trongWiMAX, mô hình phân lớp và bảo mật trong WiMAX

Ngoài ra, đồ án cũng giới thiệu một mô hình mô phỏng hoạt động của hệ thốngWiMAX nhằm mục đích làm rõ quá trình làm việc của hệ thống WiMAX

Đồ án bao gồm 5 chương như sau:

Chương 1: Giới thiệu chung về WiMAX

Chương 2: Các kỹ thuật được sử dụng trong WiMAX

Chương 3: Kiến trúc mạng truy cập WiMAX

Chương 4: Kiến trúc bảo mật chuẩn IEEE 802.16

Chương 5: Mô phỏng hoạt động hệ thống WiMAX

Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ WiMAX

1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG

WiMAX là một công nghệ cho phép truy cập băng rộng vô tuyến đến đầu cuốinhư một phương thức thay thế cho cáp và đường dây thuê bao số DSL WiMAXcho phép kết nối băng rộng vô tuyến cố định, nomadic (người sử dụng có thể diđộng nhưng cố định trong lúc kết nối), portable (người sử dụng có thể di chuyển vớitốc 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 đượccác nhược điểm của các phương pháp truy nhập hiện tại, cung cấp một phương tiệntruy nhập Internet không dây tổng hợp có thể thay thế cho ADSL và WiFi Hệ thốngWiMAX có khả năng cung cấp đường truyền có tốc độ lên đến 70Mbit/s và với bánkính phủ sóng của một trạm anten phát lên đến 50Km Mô hình phủ sóng của mạngWiMAX tương tự như mạng điện thoại tế bào Bên cạnh đó, WiMAX cũng hoạtđộng mềm dẻo như WiFi khi truy cập mạng Mỗi khi máy tính muốn truy nhậpmạng 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, cácchuẩn WiMAX hiện nay, các băng tần có thể sử dụng cho WiMAX, các ưu điểm vàlợi ích của WiMAX mang lại, đồng thời là tình hình triển khai WiMAX trên thếgiới và tại Việt Nam

1.2 KHÁI NIỆM

WiMAX (Worldwide Interoperability of Microwave Access) là hệ thống truynhập vi ba có tính tương thích toàn cầu dựa trên cơ sở tiêu chuẩn IEEE 802.16WirelessMAN (Wireless Metropolitan Area Network) Họ 802.16 này đưa ra nhữngtiêu chuẩn, chỉ tiêu kỹ thuật nhằm tập trung giải quyết các vấn đề trong mạng vôtuyến băng rộng điểm – đa điểm về giao diện vô tuyến bao gồm: Lớp điều khiểntruy cập môi trường (MAC) và lớp vật lý (PHY)

WiMAX là một chuẩn không dây đang phát triển rất nhanh, hứa hẹn tạo ra khảnăng 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:

 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 bảnnày sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM(Orthogonnal Frequency Division Multiple) hoạt động trong cả môi trườngnhìn 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 vàthương mại hóa

 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 chuẩn802.16e được phát triển trên cơ sở sửa đổi tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004 đểtối 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 đatruy cập ghép kênh chia tần số trực giao OFDMA (Orthogonnal FrequencyDivision Multiple Access) – là sự phối hợp của kỹ thuật ghép kênh và kỹ thuậtphân 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 linhhoạt trong việc quản lý tài nguyên, tận dụng tối đa phổ tần, cải thiện khả năngphủ sóng với các loại địa hình đa dạng

WiMAX đã được phát triển và khắc phục được những nhược điểm của cáccông nghệ truy cập băng rộng trước đây, cụ thể:

o Cấu trúc mềm dẻo: WiMAX hỗ trợ các cấu trúc hệ thống bao gồmđiểm – đa điểm, công nghệ lưới (mesh) và phủ sóng khắp mọi nơi Điều khiểntruy 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 sửdụng anten chùm hẹp hơn để bao phủ các khoảng cách xa hơn.

o Chất lượng dịch vụ QoS: WiMAX có thể được tối ưu động đối với hỗnhợp 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 vòngkhông thời gian thực (nrtPS), nỗ lực tốt nhất (BE)

o Triển khai nhanh, chi phí thấp: So sánh với triển khai các giải pháp códây, 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 trêncác chuẩn mở của WiMAX, sẽ không có sự độc quyền về tiêu chuẩn này, dẫnđến việc cạnh tranh của nhiều nhà sản xuất, làm cho chi phí đầu tư một hệthống giảm đáng kể

o Dịch vụ đa mức: Cách thức nơi mà QoS được phân phát nói chung dựavào sự thỏa thuận mức dịch vụ (SLA - Service-Level Agreement) giữa nhàcung cấp dịch vụ và người sử dụng cuối cùng Chi tiết hơn, một nhà cung cấpdịch vụ có thể cung cấp các SLA khác nhau tới các thuê bao khác nhau, thậmchí tới những người dùng khác nhau sử dụng cùng MS Cung cấp truy nhậpbăng rộng cố định trong những khu vực đô thị và ngoại ô, nơi chất lượng cápđồng thì kém hoặc đưa vào khó khăn, khắc phục thiết bị số trong những vùngmật độ thấp nơi mà các nhân tố công nghệ và kinh tế thực hiện phát triển băngrộng rất thách thức

o Tính tương thích: WiMAX được xây dựng để trở thành một chuẩnquốc tế, tạo ra sự dễ dàng đối với người dùng cuối cùng để truyền tải và sửdụng MS của họ ở các vị trí khác nhau, hoặc với các nhà cung cấp dịch vụkhác 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

o Di động: IEEE 802.16e bổ sung thêm các đặc điểm chính hỗ trợ khảnăng di động Những cải tiến lớp vật lý OFDM (ghép kênh phân chia tần sốtrực 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, baogồm OFDMA mở rộng được, MIMO (Multi In Multi Out - nhiều đầu vàonhiều đầu ra), và hỗ trợ đối với chế độ idle/sleep và handoff, sẽ cho phép khảnăng di động đầy đủ ở tốc độ tới 160 km/h Mạng WiMAX di động cho phépngười sử dụng có thể truy cập Internet không dây băng thông rộng tại bất cứđâu có phủ sóng WiMAX.

o Hoạt động NLOS: Khả năng họat động của mạng WiMAX mà khôngđòi hỏi tầm nhìn thẳng giữa BS và MS Khả năng này của nó giúp các sảnphẩm WiMAX phân phát dải thông rộng trong một môi trường NLOS

o Phủ sóng rộng hơn: WiMAX hỗ trợ động nhiều mức điều chế, bao gồmBPSK, 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 thốngWiMAX 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 côngcộng (hotspot) đến phạm vi rộng (hotzone) Ở những điều kiện tốt nhất có thểđạt được phạm vi phủ sóng 50 km với tốc độ dữ liệu bị hạ thấp (một vàiMbit/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)

o Dung lượng cao: Có thể đạt được dung lượng 75 Mbit/s cho các trạmgốc với một kênh 20 MHz trong các điều kiện truyền sóng tốt nhất

o Tính mở rộng: Chuẩn 802.16 -2004 hỗ trợ các dải thông kênh tần số vôtuyến (RF) mềm dẻo và sử dụng lại các kênh tần số này như là một cách đểtăng dung lượng mạng Chuẩn cũng định rõ hỗ trợ đối với TPC (điều khiểncông 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 hàngtrăm thậm chí hàng nghìn người sử dụng trong một kênh RF Hỗ trợ nhiềukênh cho phép các nhà chế tạo thiết bị cung cấp một phương tiện để chú trọngvào phạm vi sử dụng phổ và những quy định cấp phát được nói rõ bởi các nhàvận hành trong các thị trường quốc tế thay đổi khác nhau

o Bảo mật: Bằng cách mã hóa các liên kết vô tuyến giữa BS và MS, sửdụng chuẩn mã hóa tiên tiến AES, đảm bảo sự toàn vẹn của dữ liệu trao đổiqua giao diện vô tuyến Cung cấp cho các nhà vận hành với sự bảo vệ mạnhchống lại những hành vi đánh cắp dịch vụ.

1.3 CÁC CHUẨN CỦA WiMAX

1.3.1 Chuẩn IEEE 802.16 - 2001

Chuẩn IEEE 802.16-2001 được hoàn thành vào tháng 10/2001 và được công bốvào 4/2002, định nghĩa đặc tả kỹ thuật giao diện không gian WirelessMAN™ chocác 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 cốđịnh 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

 Bán kính cell: 2 – 5 km

 Kết nối có định hướng, MAC TDM/TDMA, QoS, bảo mật

1.3.2 Chuẩn IEEE 802.16a

Vì những khó khăn trong triển khai chuẩn IEEE 802.16, hướng vào việc sửdụng tần số từ 10 – 66 GHz, một dự án sửa đổi có tên IEEE 802.16a đã được hoànthành vào tháng 11/2002 và được công bố vào tháng 4/2003 Chuẩn này được mởrộng hỗ trợ giao diện không gian cho những tần số trong băng tần 2–11 GHz, baogồm cả những phổ cấp phép và không cấp phép và không cần thoả mãn điều kiệntầm nhìn thẳng Đặc điểm chính của IEEE 802.16a như sau:

 Bổ sung 802.16, các hiệu chỉnh MAC và các đặc điểm PHY thêm vàocho dải 2 – 11 GHz (NLOS)

 Tốc độ bit: tới 75Mbps với kênh 20 MHz.

 Điều chế OFDMA với 2048 sóng mang, OFDM 256 sóng mang,QPSK, 16 QAM, 64 QAM

 Dải thông kênh có thể thay đổi giữa 1,25MHz và 20MHz

 Bán kính cell: 6 – 9 km

 Lớp vật lý PHY: WirelessMAN-OFDM, OFDMA, SCa

 Các chức năng MAC thêm vào: hỗ trợ PHY OFDM và OFDMA, hỗtrợ công nghệ Mesh, ARQ

1.3.3 Chuẩn IEEE 802.16 - 2004

Tháng 7/2004, chuẩn IEEE 802.16 – 2004 hay IEEE 802.16d được chấp thôngqua, kết hợp của các chuẩn IEEE 802.16 – 2001, IEEE 802.16a, ứng dụng LOS ởdải 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

1.3.4 Chuẩn IEEE 802.16e

Đầu năm 2005, chuẩn không dây băng thông rộng 802.16e với tên gọi MobileWiMAX đã được phê chuẩn, cho phép trạm gốc kết nối tới những thiết bị đang dichuyển 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 cácbăng 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 côngnghệ 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 SOFDMAcho phép số sóng mang thay đổi, ngoài các mô hình OFDM và OFDMA Sự phânchia sóng mang trong mô hình OFDMA được thiết kế để tối thiểu ảnh hưởng củanhiễu 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 cảitiến các khả năng tiết kiệm công suất cho các thiết bị di động và các đặc điểm bảomật linh hoạt hơn.

2-6 GHz cho di độngỨng dụng

Cố định, tầm

nhìn thẳng(LOS)

Cố định, không nhìn thẳng

(NLOS)

Cố định và di động, khôngnhìn thẳng (NLOS)Cấu trúc

lớp MAC

Điểm – đa điểm,

mạng lưới Điểm – đa điểm, mạng lưới Điểm – đa điểm, mạng lưới

KhốiTDM/TDMA/OFDMA Khối TDM/TDMA/OFDMA

WirelessMAN-SCa,WirelessMAN-OFDM,

WirelessMAN-OFDMA WirelessMAN-OFDMA

Xử lý

256-OFDM như làWiMAX cố định

S-OFDMA như là WiMAX

Băng tần đăng ký 2,5 GHz

Đã được cấp phát trong phần lớn các nước trên thế giới, bao gồm bắc Mỹ, MỹLatin, đông và tây Âu và nhiều vùng của châu Á - thái bình dương Mỗi quốc giathường cấp phát dải khác nhau, vì vậy phổ được cấp phát qua các vùng có thể từ2,495 GHz đến 2,690 GHz Tổng phổ khả dụng là 195 MHz, bao gồm các dảiphòng vệ và các kênh MDS, gữa 2.495 GHz và 2.690 GHz Hỗ trợ FDD, TDD Phổtrên mỗi đăng ký là 22.5 MHz, một block 16.5 MHz và một block 6 MHz, tổng số 8đăng ký

Băng tần đăng ký 3,5 GHz

Ở châu Âu, viện chuẩn viễn thông châu âu đã phân phối dải 3,5 GHz, bắt đầuđược sử dụng cho WPLL, cho các giải pháp WiMAX đăng ký Tổng phổ khả dụng,thay đổi theo quốc gia nhưng nói chung khoảng 200MHz giữa 3,4 GHz và 3,8 GHz

Hỗ trợ cả FDD và TDD, một vài quốc gia chỉ sử dụng FDD trong khi các quốc gia

khác cho phép sử dụng FDD hoặc TDD Phổ trên mỗi đăng ký thay đổi từ 25MHz

đến 256 MHz.

1.4.2 Băng tần không đăng ký 5GHz

Phần lớn các quốc gia toàn thế giới đã sử dụng phổ 5 GHz cho các phương tiệnliên lạc không đăng ký Các băng 5,15 GHz và 5,85 GHz đã được chỉ định nhưkhông đăng ký trong phần lớn thế giới

Các giải pháp không đăng ký cung cấp một vài thuận lợi chính hơn các giảipháp đăng ký, bao gồm chi phí ban đầu thấp hơn, rút ra nhanh hơn, và một băngchung có thể được sử dụng ở phần lớn thế giới Các lợi ích này đang thu hút sựquan tâm và có khả năng cho sự chấp nhận băng rộng nhanh chóng

Tuy nhiên một giải pháp không đăng ký thì khả năng nhiễu cao hơn, và nhiều

sự cạnh tranh đối với các nhà kinh doanh bất động sản cho việc triển khai Một giảipháp không đăng ký sẽ không được xem như một sự thay thế cho giải pháp đăng ký.Mỗi giải pháp cung cấp một thị trường khác nhau dựa vào sự thỏa hiệp giữa chi phí

và QoS

1.5 TRUYỀN SÓNG

Trong khi nhiều công nghệ hiện đang tồn tại cho không dây băng rộng chỉ cóthể cung cấp phủ sóng LOS, công nghệ WiMAX được tối ưu để cung cấp phủ sóngNLOS Công nghệ tiên tiến của WiMAX cung cấp tốt nhất cho cả hai Cả LOS vàNLOS bị ảnh hưởng bởi các đặc tính đường truyền môi trường của chúng, tổn thấtđường dẫn, và ngân quỹ kết nối vô tuyến

Trong liên lạc LOS, một tín hiệu đi qua một đường trực tiếp và không bị tắcnghẽn từ máy phát đến máy thu Một liên lạc LOS yêu cầu phẩn lớn miền Fresnelthứ nhất thì không bị ngăn cản của bất kì vật cản nào, nếu tiêu chuẩn này khôngthỏa mãn thì có sự thu nhỏ đáng kể cường độ tín hiệu quan sát Độ hở Fresnel đượcyêu cầu phụ thuộc vào tần số hoạt động và khoảng cách giữa vị trí máy phát và máythu

Trong liên lạc NLOS, tín hiệu đến máy thu qua phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ Các

tín hiệu đến máy thu bao gồm các thành phần từ đường trực tiếp, các đường đượcphản xạ nhiều lần, năng lượng bị tán xạ, và các đường truyền bị nhiễu xạ Các tínhiệu này có khoảng trễ khác nhau, suy hao, phân cực, và độ ổn định quan hệ vớiđường truyền trực tiếp Là nguyên nhân gây ra nhiễu ISI và méo tín hiệu Điều đókhông phải là vấn đề đối với LOS, nhưng với NLOS thì lại là vấn đề chính.

Hiện tượng đa đường cũng có thể gây ra sự phân cực tín hiệu bị thay đổi Vìvậy sử dụng phân cực như là biện pháp sử dụng lại tần số, như được thực hiện thôngthường trong các triển khai LOS có thể khó giải quyết trong các ứng dụng NLOS.Một hệ thống vô tuyến sử dụng các tín hiệu đa đường này như thế nào hướngtới một thuận lợi là chìa khóa để cung cấp dịch vụ trong các điều kiện NLOS Mộtsản phẩm mà chỉ đơn thuần tăng công suất để xuyên qua các vật cản (đôi lúc đượcgọi là “gần tầm nhìn thẳng”) thì không phải là công nghệ NLOS bởi vì phương phápnày vẫn còn dựa vào đường truyền trực tiếp đủ mạnh mà không sử dụng năng lượngxuất hiện trong các tín hiệu gián tiếp

Có nhiều ưu điểm mà những triển khai NLOS tạo ra đáng mong muốn Ví dụ,các yêu cầu lập kế hoạch chặt chẽ và giới hạn chiều cao anten mà thường không chophép anten được bố trí cho LOS Với những triển khai tế bào kề nhau phạm vi rộng,nơi tần số được sử dụng lại là tới hạn, hạ thấp anten là thuận lợi để giảm nhiễu kênhchung giữa các vị trí cell liền kề Điều này thường có tác dụng thúc đẩy các trạmgốc hoạt động trong các điều kiện NLOS Các hệ thống LOS không thể giảm chiềucao anten bởi vì làm như vậy sẽ có tác động đến đường quan sát trực tiếp được yêucầu từ CPE đến trạm gốc

Hình 1.1 Minh họa họat động WiMAX [10]

Công nghệ NLOS cũng giảm phí tổn cài đặt bằng cách đặt dưới các mái chethiết bị CPE đúng như nguyên bản và giảm bớt khó khăn định vị trí các địa điểm đặtCPE thích hợp Công nghệ cũng giảm bớt nhu cầu quan sát vị trí thiết bị phía trước

và cải thiện độ chính xác của các công cụ lập kế hoạch NLOS

Công nghệ NLOS và những tính năng được nâng cao trong WiMAX tạo khảnăng sử dụng thiết bị phía đầu khách hàng (CPE) trong nhà Điều này có hai khókhăn chính; đầu tiên là khắc phục những tổn hao xuyên qua tòa nhà và thứ hai, phủsóng các khoảng cách hợp lý với công suất truyền và các anten thấp hơn mà thườngđược kết hợp với các CPE trong nhà

Hình 1.2 Truyền sóng trong trường hợp NLOS [10]

1.6 ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA CÔNG NGHỆ WiMAX

Mục tiêu của tổ chức IEEE khi phát triển tiêu chuẩn 802.16:

- Xây dựng một phạm vi chuẩn để dễ dàng cho sự phát triển và phối hợpgiữa các nhà sản xuất, nhà cung cấp và cả người sử dụng

- Thúc đẩy quá trình chứng nhận phối hợp hoạt động và tuân thủ cho các hệthống truy nhập vô tuyến băng rộng trên toàn cầu

Như vậy, với mục tiêu đề ra, các tiêu chuẩn cho WiMAX có lợi ích hết sức tolớn đối với các nhà sản xuất, các nhà cung cấp dịch vụ và cả người sử dụng dịch vụ

 Đối với nhà sản xuất:

- Trên cơ sở tiêu chuẩn chung, nhà sản xuất có thể nhanh chóng phát triểncác sản phẩm mà ít phải chi phí cho việc nghiên cứu, tạo thánh phần vàdịch vụ mới

- Một nhà sản xuất có thể tập trung vào một lĩnh vực (chẳng hạn trạm gốchay CPE) mà không cần thực hiện đầy đủ giải pháp từ đầu cuối đến đầucuối

 Đối với nhà cung cấp dịch vụ:

- Trên cơ sở nền tảng chung cho phép nhà cung cấp dịch vụ giảm giá thành,tăng khả năng cạnh tranh cũng như khuyến khích sự đổi mới

- Khả năng giảm các chi phí và mức đầu tư cho phép nhà khai thác tăngphạm vi phục vụ của mình

- Nhà khai thác không cón phụ thuộc vào một nhà cung cấp thiết bị riêng docác sản phẩm riêng biệt của từng hãng

- Hệ thống vô tuyến cho phép giảm các rủi ro cho nhà khai thác

 Đối với người sử dụng dịch vụ:

- Người sử dụng tại các khu vực trước đây chưa được cung cấp dịch vụ truycập băng rộng nay có thể được sử dụng nhờ khả năng phủ sóng rộng củaWiMAX

- Nhiều nhà cung cấp dịch vụ trên thị trường tạo điều kiện cho người sửdụng có thêm nhiều lựa chọn cho dịch vụ truy nhập băng rộng.

- Tạo sự cạnh tranh có lợi cho người sử dụng, giảm các chi phí dịch vụ.Các nhược điểm của công nghệ WiMAX:

- Dải tần WiMAX sử dụng không tương thích tại nhiều quốc gia, làm hạnchế sự phổ biến công nghệ rộng rãi

- Do công nghệ mới xuất hiện gần đây nên vẫn còn một số lỗ hổng bảo mật

- Tuy được gọi là chuẩn công nghệ nhưng thật sự chưa được “chuẩn” do hiệngiờ đang sử dụng gần 10 chuẩn công nghệ khác nhau Theo diễn dànWiMAX chỉ mới có khoảng 12 hãng phát triển chuẩn WiMAX được chứngnhận bao gồm: Alvarion, Selex Communication, Airspan, ProximWilreless, Redline, Sequnas, Siemens, SR Telecom, Telsim, Wavesat,Aperto, Axxcelera

- Công nghệ này khởi xướng từ nước Mỹ, nhưng thực sự chưa có thông tinchính thức nào đề cập đến việc Mỹ sử dụng WiMAX như thế nào, khắcphục hậu quả sự cố ra sao Ngay cả ở Việt Nam, VNPT (với nhà thầu nướcngoài là Motorola, Alvarion) cũng đã triển khai ở một số tỉnh miền núi phíaBắc, cụ thể là ở Lào Cai nhưng cũng chỉ giới hạn là các điểm truy cậpInternet tại Bưu điện tỉnh,huyện chứ chưa có những kết luận chính thức vềtính hiệu quả đáng kể của hệ thống

Như vậy, có thể thấy rằng khả năng cũng như lợi ích của các hệ thống WiMAXdựa trên họ chuẩn 802.16 là hết sức to lớn mặc dù nó vẫn tồn tại một số hạn chế Nócho phép nhà cung cấp dịch vụ triển khai nhanh chóng các hệ thống mạng của mình,tăng khả năng cạnh tranh đồng thời cho phép người tiêu dùng có thêm nhiều lựachọn, tiết kiệm hơn trong các chi phí Điều này chính là động lực thúc đẩy các nhàsản xuất và các nhà cung cấp dịch vụ phát triển hệ thống WiMAX

1.7 TÌNH HÌNH TRIỂN KHAI WiMAX

1.7.1 Tình hình triển khai WiMAX trên thế giới

Hiện nay, trên thế giới, đã có các mạng thử nghiệm công nghệ WiMAX cố định

và di động Theo đánh giá của Maravedis Inc thì thị trường viễn thông băng rộng

cố định đến năm 2010 có doanh thu vượt 2 tỷ USD Hiện nay, tốc độ tăng trưởnghằng năm là 30% Việc xuất hiện một công nghệ truy cập không dây băng rộng mớinhư WiMAX cho phép triển khai nhanh dịch vụ, sẽ làm bùng nổ thị trường trongnhững năm tới

Đến nay, đã có một số nước đã đi vào triển khai và khai thác thử nghiệm cácdịch vụ trên nền Mobile WiMAX như Mỹ, Úc, Brazil…

Một sự kiện có thể coi là một bước ngoặt quan trọng của WiMAX – từ ngày 19/10/2007 – cơ quan viễn thông quốc tế thuộc liên hiệp quốc ITU đã phê duyệtcông nghệ băng rộng không dây này vào bộ chuẩn IMT-2000 Quyết đinh này đãđưa WiMAX lên ngang tầm với những kỹ thuật kết nối vô tuyến hàng đầu hiện naytrong bộ chuẩn IMT-2000 gồm có GSM, CDMA và UMTS Điều này đảm bảo chocác nhà khai thác và quản lý trên toàn thế giới yên tâm đầu tư vào băng rộng diđộng thực sự dùng WiMAX

15-1.7.2 Tình hình triển khai WiMAX thử nghiệm tại Việt Nam

VNPT triển khai thử nghiệm công nghệ WiMAX tại Lào Cai vào tháng10/2006 và đã nghiệm thu thành công vào tháng 4/2007

Năm 2006, tại Việt Nam, đã có 4 doanh nghiệp được Bộ Bưu chính Viễn thôngcho phép cung cấp thử nghiệm dịch vụ WiMAX cố định là Viettel, VTC, VNPT vàFPT Telecom Sau khi thử nghiệm xong, Bộ sẽ lựa chọn 3 nhà cung cấp chính thứcho loại hình băng rộng không dây này

Ngày 1/10/2007, Chính phủ đã cấp phép triển khai dịch vụ thông tin di động3G và dịch vụ truy nhập băng rộng không dây WiMAX (theo công văn 5535/VPCP-

CN của văn phòng Chính phủ) Đồng thời, Phó thủ tướng đã đồng ý cấp phép thử

nghiệm dịch vụ WiMAX di động cho 4 doanh nghiệp EVN Telecom, Viettel, FPT

và VTC thử nghiệm tại băng tần 2.3 - 2.4 GHz; VNPT thử nghiệm tại băng tần 2.5 –2.69 GHz

Chương 2 CÁC KỸ THUẬT ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG WiMAX

2.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG

Với kiến trúc mở, linh hoạt, dung lượng lớn và chi phí triển khai thấp đã làmcho WiMAX trở thành một giải pháp hàng đầu cho các dịch vụ vô tuyến băng rộng.Khả năng cung cấp kết nối băng rộng với nhiều kịch bản sử dụng từ truy cập cốđịnh và di động trên cùng một hạ tầng mạng và vì thế sẽ tạo nên một cấu trúc mạnglinh hoạt, mang lại các dịch vụ truy cập băng rộng giá rẻ và hứa hẹn một mô hìnhkinh doanh hấp dẫn đối với các nhà cung cấp dịch vụ

Với công nghệ tương tự trước đây (FM, AM) và biểu đồ điều chế số hóa hiệusuất thấp (PSK, BPSK và QPSK) được sử dụng rộng rãi trong các mạng ngày nay,công nghệ băng rộng không dây yêu cầu sử dụng các biểu đồ điều chế theo thứ tựcao hơn với hiệu quả trải phổ tốt hơn Tuy nhiên, biểu đồ điều chế theo thứ tự caohơn này rất dễ bị tác động bởi nhiễu và hiện tượng đa đường dẫn Cả hai yếu tố nàyđều phổ biến trong các triển khai mạng không dây có mặt khắp nơi và số lượngngười dùng lớn

OFDM, OFDMA và S-OFDMA là những công nghệ truy nhập mới cải tiến hỗtrợ kênh cần thiết để đạt được hiệu quả trải phổ tốt hơn và thông lượng kênh caohơn Những công nghệ truy nhập mới này là nền tảng cho WiMAX và là lựa chọncho các hệ thống băng rộng di động tiếp theo khác nhằm cung cấp nhiều loại hìnhdịch vụ truyền thông đa phương tiện tốc độ cao

Trong chương này, chúng ta sẽ khảo sát tổng quan các kỹ thuật tiên tiến được

áp dụng trong công nghệ WiMAX như là kỹ thuật OFDM, OFDMA, hệ thống antentiên tiến…

2.2 KỸ THUẬT OFDM

2.2.1 Khái niệm

Kỹ thuật OFDM là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Trong OFDM, chuỗi dữ liệu tới đầuphát thường có tốc độ rất cao Dòng dữ liệu này được chia thành nhiều dòng dữ liệusong song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp-song song (S/P) Mỗi dòng

dữ liệu song song sau đó được điều chế bởi một sóng mang, các sóng mang nàyđược chọn trực giao với nhau để đảm bảo có thể tách riêng từng luồng dữ liệu tạiđầu thu Kế đến các sóng mang này được tổng hợp lại và đưa lên tần số phát

Hình 2.1 So sánh giữa FDM và OFDM

Số lượng các sóng mang con phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ rộng kênh vàmức độ nhiễu Con số này tương ứng với kích thước FFT Chuẩn giao tiếp vô tuyến802.16-2004 xác định 256 sóng mang con tương ứng FFT 256 điểm, hình thànhchuẩn Fixed WiMAX, với độ rộng kênh cố định Chuẩn giao tiếp 802.16-2005 chophép kích cỡ FFT từ 512 đến 2048 phù hợp với độ rộng kênh 5MHz đến 20MHz,hình thành chuẩn Mobile WiMAX (Scalable OFDMA), để duy trì tương đối khoảngthời gian không đổi của các kí hiệu và khoảng dãn cách giữa các sóng mang với độrộng kênh

Có thể thấy rõ lợi ích của OFDM khi xét qua kênh truyền Nếu luồng dữ liệugốc được chuyển trực tiếp lên sóng mang và phát lên kênh truyền, thì băng thôngrộng của tín hiệu phát sẽ bị tác động chọn lọc tần số Bởi vì, khi tín hiệu truyền cóbăng thông rộng (do tốc độ bit cao), các tần số khác nhau sẽ có độ suy hao khácnhau khi truyền qua kênh truyền vô tuyến Điều này dẫn đến việc khôi phục tín hiệutại máy thu sẽ phức tạp, đòi hỏi phải có bộ cân bằng Trong OFDM, luồng dữ liệuđược tách thành N luồng dữ liệu tốc độ thấp, có băng thông hẹp Do đó, khi truyền,các luồng dữ liệu này chịu Fading phẳng cùng độ

Tại máy thu, luồng dữ liệu trước tiên được đưa về băng gốc bởi bộ trộn Luồng

dữ liệu này sau đó được tách ra thành N luồng dữ liệu tốc độ thấp, theo sau là bộ lọcthông thấp và bộ quyết định

2.2.2 Sơ đồ khối OFDM

Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống OFDM

Đầu tiên, dòng dữ liệu vào với tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệusong song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp-song song (S/P) Mỗi dòng

dữ liệu song song sau đó được mã hóa (Coding) sử dụng thuật toán FEC (ForwardError Correcting) và được sắp xếp (Mapping) theo một trình tự hỗn hợp Những ký

P/S

sắp xếp lại &

giải mã

ước lưọng

tự hỗn hợp được đưa đến đầu vào của khối IDFT (ở đây để thực hiện phép biến đổiIDFT người ta dùng thuật toán IFFT) Sau đó khoảng bảo vệ được chèn vào để giảmnhiễu xuyên ký tự (ISI), nhiễu xuyên kênh (ICI) do truyền trên các kênh vô tuyến diđộng đa đường Dòng dữ liệu song song lại được chuyển thành nối tiếp nhờ bộchuyển đổi song song-nối tiếp (P/S) Cuối cùng, bộ A/D phía phát định dạng tínhiệu thời gian liên tục và chuyển đổi lên miền tần số cao để truyền đi xa

Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu tác động đến nhưnhiễu Gausian trắng cộng (Additive White Gaussian Noise-AWGN)

Ở phía thu, tín hiệu thu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc nhậnđược sau bộ D/A thu Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển đổi từmiền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT dùng thuật toán FFT (khốiFFT) Sau đó, tùy vào sơ đồ điều chế được sử dụng, sự dịch chuyển về biên độ vàpha của các sóng mang nhánh sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã Cuốicùng, chúng ta nhận lại được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu

2.2.3 Chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM

Ưu điểm của phương pháp điều chế OFDM không chỉ thể hiện ở hiệu quả sửdụng băng thông mà còn có khả năng làm giảm hay loại trừ nhiễu xuyên kí hiệu ISInhờ sử dụng chuỗi bảo vệ (Guard Interval- GI) Một mẫu tín hiệu có độ dài là TS,chuỗi bảo vệ tương ứng là một chuỗi tín hiệu có độ dài TG ở phía sau được sao chéplên phần phía trước của mẫu tín hiệu này như hình vẽ sau (do đó, GI còn được gọi làCyclic Prefix-CP) Sự sao chép này có tác dụng chống lại nhiễu xuyên kí hiệu ISI

do hiệu ứng phân tập đa đường

Hình 2.3 Khái niệm về chuỗi bảo vệ.

Phần tín hiệu có íchPhần tín hiệu có ích GI

Nguyên tắc này giải thích như sau: Giả sử máy phát đi một khoảng tín hiệu cóchiều dài là TS, sau khi chèn thêm chuỗi bảo vệ có chiều dài TG thì tín hiệu này cóchiều dài là T=TS+TG Do hiệu ứng đa đường multipath, tín hiệu này sẽ tới máy thutheo nhiều đường khác nhau Trong hình vẽ mô tả dưới đây, hình a, tín hiệu theođường thứ nhất không có trễ, các đường thứ hai và thứ ba đều bị trễ một khoảngthời gian so với đường thứ nhất.Tín hiệu thu được ở máy thu sẽ là tổng hợp của tất

cả các tuyến, cho thấy kí hiệu đứng trước sẽ chồng lấn vào kí hiệu ngay sau đó, đâychính là hiện tượng ISI Do trong OFDM có sử dụng chuỗi bảo vệ có độ dài TG sẽ

dễ dàng loại bỏ hiện tượng này Trong trường hợp TG ≥τ τ MAX như hình vẽ mô tả thìphần bị chồng lấn ISI nằm trong khoảng của chuỗi bảo vệ, còn thành phần tín hiệu

có ích vẫn an toàn Ở phía máy thu sẽ gạt bỏ chuỗi bảo vệ trước khi gửi tín hiệu đến

bộ giải điều chế OFDM Do đó, điều kiện cần thiết để cho hệ thống OFDM không

bị ảnh hưởng bởi ISI là:T G   max với τMAX là trễ truyền dẫn tối đa của kênh

Không có GI

Có GI Hình 2.4 ISI và cyclic prefix

2.2.4 Nguyên tắc giải điều chế OFDM

Các bước thực hiện ở đây đều ngược lại so với phía máy phát Tín hiệu thu sẽđược tách chuỗi bảo vệ, giải điều chế để khôi phục băng tần gốc, giải điều chế ở cácsóng mang con, chuyển đổi mẫu tín hiệu phức thành dòng bit (tín hiệu số) vàchuyển đổi song song sang nối tiếp

Hình 2.5 Tách chuỗi bảo vệ

2.2.5 Các ưu và nhược điểm của kĩ thuật OFDM

Qua việc phân tích về cơ bản kỹ thuật OFDM như trên, chúng ta có thể rút ramột số ưu điểm, nhược điểm chính của OFDM như sau:

bằng đơn giản trong suốt quá trình nhận thông tin Nói như vậy, hệthống OFDM chống được ảnh hưởng của fading lựa chọn tần số.

 Kỹ thuật OFDM là một phương pháp hiệu quả để giải quyết đa đường,kháng nhiễu băng hẹp tốt vì nhiễu này chỉ ảnh hưởng một tỷ lệ nhỏ cácsóng mang con

 Thực hiện đơn giản trong miền tần số bằng cách dùng giải thuật FFT.Đồng thời máy thu đơn giản do không cần bộ khử ICI và ISI nếu khoảng

dự trữ đủ dài

 OFDM là tập hợp của tín hiệu trên nhiều sóng mang, dải động của tínhiệu lớn nên có tỷ số công suất đỉnh/trung bình tương đối lớn sẽ làm hạnchế hiệu suất của bộ khuếch đại âm tần

 Mất mát hiệu suất phổ do chèn khoảng dự trữ

 Nhiễu pha do sự không phối hợp giữa các bộ dao động ở máy phát vàmáy thu, có thể làm ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống

 Phải có sự đồng bộ chính xác về tần số và thời gian, đặc biệt là tần số.Như vậy, kỹ thuật OFDM là giải pháp rất phù hợp cho truyền dẫn vô tuyến tốc

độ cao nói chung và cho công nghệ Wimax nói riêng Theo phân tích về kỹ thuậtOFDM như trên , dung lượng của hệ thống sẽ được đánh giá thông qua số lượng cácsóng mang con được điều chế Số lượng các sóng mang con phụ thuộc vào nhiềuyếu tố như độ rộng kênh, mức độ nhiễu, kiểu điều chế,… Con số này (sóng mangcon) tương ứng với kích thước FFT Cụ thể như chuẩn 802.16-2004 xác định rõ 256sóng mang con, tương ứng với kích thước FFT 256 độ rộng kênh độc lập, chuẩn802.16e-2005 cung cấp kích cỡ FFT từ 512 đến 2048 tương ứng với độ rộng kênh

từ 5 MHz đến 20 MHz để duy trì khoảng cách tương đối không đổi của ký hiệu vàkhoảng dãn cách giữa các sóng mang con độc lập với độ rộng kênh Như vậy, vớicông nghệ OFDM, nhờ sự kết hợp của các sóng mang con trực giao truyền songsong với các ký hiệu có khoảng thời gian dài đảm bảo rằng lưu lượng băng thông

rộng không bị hạn chế do môi trường không theo tầm nhìn thẳng NLOS và nhiễu dohiện tượng đa đường dẫn.

2.3 KỸ THUẬT OFDMA

2.3.1 Khái niệm

OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access- Đa truy nhập phântần trực giao) là một công nghệ đa sóng mang phát triển dựa trên nền kĩ thuậtOFDM Trong OFDMA, một số các sóng mang con, không nhất thiết phải nằm kềnhau, được gộp lại thành một kênh con (sub-channel) và các user khi truy cập vàotài nguyên sẽ được cấp cho một hay nhiều kênh con để truyền nhận tùy theo nhucầu lưu luợng cụ thể

2.3.2 Đặc điểm

OFDMA có một số ưu điểm như là tăng khả năng linh hoạt, thông lượng vàtính ổn định đươc cải thiện Việc ấn định các kênh con cho các thuê bao cụ thể, việctruyền nhận từ một số thuê bao có thể xảy ra đồng thời mà không cần sự can thiệpnào, do đó sẽ giảm thiểu những tác động như nhiễu đa truy xuất (Multi accessInterfearence - MAI)

Hình 2.6 ODFM và OFDMA

Hình 2.7 mô tả một ví dụ về bảng tần số - thời gian của OFDMA, trong đó có 7người dùng từ a đến g và mỗi người sử dụng một phần xác định của các sóng mangphụ có sẵn, khác với những người còn lại

Hình 2.7 Ví dụ của biểu đồ tần số, thời gian với OFDMA

Thí dụ cụ thể này thực tế là sự hỗn hợp của OFDMA và TDMA bởi vì mỗingười sử dụng chỉ phát ở một trong 4 khe thời gian, chứa 1 hoặc vài symbol OFDM

7 người sử dụng từ a đến g đều được đặt cố định (fix set) cho các sóng mang theobốn khe thời gian

2.3.3 OFDMA nhảy tần

Trong ví dụ trước của OFDMA, mỗi người sử dụng đều có một sự sắp đặt cốđịnh (fix set) cho sóng mang Có thể dễ dàng cho phép nhảy các sóng mang phụtheo khe thời gian như được mô tả trong hình

f

t

Việc cho phép nhảy với các mẫu nhảy khác nhau cho mỗi user làm biến đổithực sự hệ thống OFDM trong hệ thống CDMA nhảy tần Điều này có lợi là tínhphân tập theo tần số tăng lên bởi vì mỗi user dùng toàn bộ băng thông có sẵn cũngnhư là có lợi về xuyên nhiễu trung bình, điều rất phổ biến đối với các biến thể củaCDMA Bằng cách sử dụng mã sửa lỗi hướng đi (Forward Error Correcting- FEC)trên các bước nhảy, hệ thống có thể sửa cho các sóng mang phụ khi bị fading sâuhay các sóng mang bị xuyên nhiễu bởi các user khác Do đặc tính xuyên nhiễu vàfading thay đổi với mỗi bước nhảy, hệ thống phụ thuộc vào năng lượng tín hiệunhận được trung bình hơn là phụ thuộc vào user và năng lượng nhiễu trong trườnghợp xấu nhất.

Hình 2.8 Biểu đồ tần số thời gian với 3 người dùng nhảy tần a, b, c đều có 1

bước nhảy với 4 khe thời gian

Ưu điểm cơ bản của hệ thống OFDMA nhảy tần hơn hẳn các hệ thống CDMA và MC-CDMA là tương đối dễ dàng loại bỏ được xuyên nhiễu trong một tếbào bằng cách sử dụng các mẫu nhảy trực giao trong một tế bào

DS-Một ví dụ của việc nhảy tần như vậy được mô tả trong hình 2.9 cho N sóngmang phụ, nó luôn luôn có thể tạo ra N mẫu nhảy trực giao

f

Hình 2.9 6 mẫu nhảy tần trực giao với 6 tần số nhảy khác nhau

2.3.4 Hệ thống OFDMA

Hình 2.10 Tổng quan hệ thống sử dụng OFDM

Nguồn tín hiệu được điều chế ở băng tần cơ sở thông qua các phương phápđiều chế như QPSK, M-QAM….Tín hiệu dẫn đường (bản tin dẫn đường, kênh hoatiêu - pilot symbol) được chèn vào nguồn tín hiệu, sau đó được điều chế thành tínhiệu OFDM thông qua biến đổi IFFT và chèn chuỗi bảo vệ GI Luồng tín hiệu sốđược chuyển thành tín hiệu tương tự trước khi truyền trên kênh vô tuyến qua antenphát Tín hiệu này sẽ bị ảnh hưởng bởi fading và nhiễu trắng AWGN (AddictiveWhite Gaussian Noise )

Tín hiệu dẫn đường là mẫu tín hiệu được biết trước ở phía phát và phía thu,được phát kèm với tín hiệu có ích nhằm khôi phục kênh truyền và đồng bộ hệthống

Điềuchế

băng tần

gốc

Chèn Pilot symbol

Tách Pilot symbol

Cân bằng kênh

Khôi phục kênh truyền

Giải điều

chế băng

tần gốc

Kênh truyền

Hình 2.11 Mẫu tín hiệu dẫn đường trong OFDMA

Phía máy thu sẽ thực hiện ngược lại so với máy phát Để khôi phục tín hiệuphát thì hàm truyền phải được khôi phục nhờ vào mẫu tin dẫn đường đi kèm Tínhiệu nhận được sau khi giải điều chế OFDM được chia làm hai luồng tín hiệu.Luồng thứ nhất là tín hiệu có ích được đưa đến bộ cân bằng kênh Luồng thứ hai làmẫu tin dẫn đường được đưa vào bộ khôi phục kênh truyền, sau đó lại được đưa đến

bộ cân bằng kênh để khôi phục lại tín hiệu ban đầu

2.4 ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI

Điều chế thích nghi cho phép hệ thống WiMAX điều chỉnh sơ đồ điều chế tínhiệu phụ thuộc vào điều kiện SNR của liên kết vô tuyến Khi liên kết vô tuyến chấtlượng cao, sơ đồ điều chế cao nhất được sử dụng, đưa ra hệ thống dung lượng lớnhơn

Hình 2.12 Bán kính cell quan hệ với điều chế thích nghi

Trong quá trình suy giảm tín hiệu, hệ thống WiMAX có thể dịch đến một sơ đồđiều chế thấp hơn để duy trì chất lượng kết nối và ổn định liên kết Đặc điểm nàycho phép hệ thống khắc phục fading lựa chọn thời gian.

2.5 CÔNG NGHỆ SỬA LỖI

Các công nghệ sửa lỗi đã được sử dụng trong WiMAX để đạt các yêu cầu về tỉ

số tín hiệu trên tạp âm hệ thống Các thuật toán FEC, mã hóa xoắn và chèn đượcdùng để phát hiện và sửa các lỗi cải thiện thông lượng Các công nghệ sửa lỗi mạnhgiúp khôi phục các khung bị lỗi mà có thể bị mất do fading lựa chọn tần số và cáclỗi cụm Tự động yêu cầu lặp lại (ARQ) được dùng để sửa lỗi mà không thể đượcsửa bởi FEC, gửi lại thông tin bị lỗi Điều này có ý nghĩa cải thiện chất lượng tỉ lệlỗi bit (BER) đối với một mức ngưỡng như nhau

2.6 ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT

Các thuật toán điều khiển công suất được dùng để cải thiện chất lượng toàn bộ

hệ thống, nó được thực hiện bởi trạm gốc gửi thông tin điều khiển công suất đếnmỗi CPE để điều chỉnh mức công suất truyền sao cho mức đã nhận ở trạm gốc thì ởmột mức đã xác định trước Trong môi trường fading thay đổi động, mức chỉ tiêu đãđịnh trước này có nghĩa là CPE chỉ truyền đủ công suất thỏa mãn yêu cầu này Điềukhiển công suất giảm sự tiêu thụ công suất tổng thể của CPE và nhiễu với nhữngtrạm gốc cùng vị trí Với LOS, công suất truyền của CPE gần tương ứng với khoảngcách của nó đến trạm gốc, với NLOS, tùy thuộc nhiều vào độ hở và vật cản

2.7 CÁC CÔNG NGHỆ ANTEN TIÊN TIẾN

Công nghệ anten có thể dùng để cải thiện truyền dẫn theo hai cách – sử dụngcông nghệ phân tập và sử dụng các hệ thống anten và các công nghệ chuyển mạchtiên tiến Các công nghệ này có thể cải thiện tính co dãn và tỉ số tín hiệu trên tạp âmnhưng không bảo đảm phát dẫn sẽ không bị ảnh hưởng của nhiễu

2.7.1 Phân tập thu và phát

Các lược đồ phân tập được sử dụng để lợi dụng các tín hiệu đa đường và phản

xạ xảy ra trong các môi trường NLOS Bằng cách sử dụng nhiều ăng ten (truyền và/hoặc nhận), fading, nhiễu và tổn hao đường truyền có thể được làm giảm Phân tậptruyền sử dụng mã thời gian không gian STC Đối với phân tập nhận, các công nghệnhư kết hợp tỷ lệ tối đa (MRC) mang lại ưu điểm của hai đường thu riêng biệt VềMISO (nhiều đầu vào một đầu ra)

Hình 2.13 MISO

Mở rộng tới MIMO, sử dụng MIMO cũng sẽ nâng cao thông lượng và tăng cácđường tín hiệu MIMO sử dụng nhiều ăng ten thu và/hoặc phát cho ghép kênh theokhông gian Mỗi ăng ten có thể truyền dữ liệu khác nhau mà sau đó có thể được giải

mã ở máy thu Đối với OFDMA, bởi vì mỗi sóng mang con là các kênh băng hẹptương tự, fading lựa chọn tần số xuất hiện như là fading phẳng tới mối sóng mang.Hiệu ứng này có thể sau đó được mô hình hóa như là một sự khuếch đại không đổiphức hợp và có thể đơn giản hóa sự thực hiện của một máy thu MIMO choOFDMA