Công nghệ vô tuyến băng rộng wimax và ứng dụng trong mạng viễn thông

Nội dung chính của đồ án Chương 1: Tổng quan về Wimax Chương 2: Các kĩ thuật sử dụng trong Wimax Chương 3: So sánh Wimax với một số công nghệ khác Chương 4: Ứng dụng Wimax trong viễn thông Wimax có hai phiên bản chính: Wimax cố định: được xây dựng dựa trên bộ tiêu chuẩn IEEE 802.162004 Wimax di động: được xây dựng dựa trên tiêu chuẩn IEEE 80216e

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ 3DANH MỤC CÁC BẢNG 5DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 6LỜI NÓI ĐẦU 9CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ WIMAX _101.1 Khái niệm _101.2 Các loại truy nhập trong WiMAX _101.3 Mô hình hệ thống WiMAX 121.4 Phân bổ băng tần trong WiMAX _131.4 Tình hình chuẩn hóa WiMAX 161.5 Tình hình phát triển WiMAX ở thế giới và Việt Nam _20CHƯƠNG II MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM KĨ THUẬT CỦA CÔNG NGHỆ WIMAX _222.1 Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) 222.1.1 Nguyên lý 22 2.1.2 Điều chế đa sóng mang trực giao 24 2.1.3 Sơ đồ khối hệ thống OFDM 26 2.1.4 Ưu điểm và nhược điểm của kĩ thuật OFMD _312.2 Công nghệ OFDMA _322.2.1 Khái niệm 32 2.2.2 Đặc điểm _32 2.2.3 OFDM nhảy tần 35 2.2.4 Sơ đồ của hệ thông OFDMA 362.3 Điều chế thích nghi trong WiMAX 372.4 Phương pháp điều khiển công suất trong WiMAX 382.5 Kĩ thuật sửa lỗi trước _382.6 Phân tập thu phát 392.7 Kĩ thuật Ăng ten thông minh _402.8 Bảo mật trong WiMAX _412.8.1 Kiến trúc bảo mật 42 2.8.2 Quy trình bảo mật 442.9 Các đặc tính bổ xung của trong WiMAX di động 462.9.1 Quản lý nguồn _46

2.9.2 Chuyển vùng 46 2.9.3 Tái sử dụng tần số 482.10 So sánh WiMAX di động và WiMAX cố định 49CHƯƠNG III SO SÁNH WIMAX VỚI MỘT SỐ CÔNG NGHỆ VÔ TUYẾN BĂNG RỘNG TUYẾN KHÁC 553.1 So sánh công nghệ WiMAX với công nghệ Wifi _553.2 So sánh công nghệ WiMAX di động với công nghệ HSPA _563.2.1 Giới thiệu về công nghệ HSPA 56 3.2.2 So sánh 573.3 So sánh công nghệ WiMAX với công nghệ LTE _593.3.1 Giới thiệu về công nghệ LTE _59 3.3.2 So sánh 603.4 Kết luận _61CHƯƠNG IV ỨNG DỤNG CỦA WIMAX TRONG VIỄN THÔNG _634.1 Các ứng dụng chủ yếu của WiMAX _634.2 Các mô hình mạng ứng dụng WiMAX _644.2.1 Mạng dùng riêng _64 4.2.2 Các mạng phục vụ cộng đồng _71KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 74Kết luận 74Hướng phát triển tiếp theo _75TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Mô hình hệ thống WiMAX 12

Hình 2.1 Mô tả sự trực giao trong OFDM 22

Hình 2.2 So sánh giữa FDM và OFDM 23

Hình 2.3 Mô tả tần số OFDM 23

Hình 2.4 Các sóng mang trực giao với nhau 24

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên tắc điều chế OFDM 24

Hình 2.6 Mật độ phổ năng lượng của tín hiệu OFDM 25

Hình 2.7 (a) Biên độ phổ của tín hiệu trên kênh con, b) Biên độ phổ của tín hiệu OFDM gồm 4 sóng mang 26

Hình 2.8 Sơ đồ khối hệ thống OFDM 26

Hình 2.9 Khái niệm về chuỗi bảo vệ 28

Hình 2.10 Đoạn bảo vệ trong OFDM 29

Hình 2.11 ISI và cyclic prefix 30

Hình 2.12 Mô tả OFDM và OFDMA 33

Hình 2.13 Đường lên với OFDM và OFDMA 34

Hình 2.14 Ví dụ của biểu đồ tần số, thời gian với OFDMA 34

Hình 2.15 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 35

Hình 2.16 6 mẫu nhảy tần trực giao với 6 tần số nhảy khác nhau 36

Hình 2.17 Sơ đồ hệ thống OFDM 36

Hình 2.18 Mẫu tín hiệu dẫn đường trong OFDMA 37

Hình 2.19 Bán kính cell quan hệ với điều chế thích nghi 38

Hình 2.20 MISO 39

Hình 2.21 MIMO 40

Hình 2.22 Beam Shaping 41

Hình:2.23 Mô hình kiến trúc bảo mật 802.16 42

Hình 2.24 Quy trình bảo mật 45

Hình 2.25 Cấu trúc khung đa miền 48

Hình 2.26 Sử dụng lại tần số chia nhỏ 49

Hình 4.1 Mô hình hệ thống WiMAX 63

Hình 4.2 Cellular Backhaul 65

Hình 4.3 WSP Backhaul 65

Hình 4.4 Mạng ngân hàng 66

Hình 4.5 Mạng giáo dục 67

Hình 4.6 Mô hình an toàn cho các truy nhập công cộng 68

Hình 4.7 Sử dụng WiMAX cho việc thông tin liên lạc xa bờ 69

Hình 4.8 Kết nối nhiều khu vực 69

Hình 4.9 Các công trình xây dựng 70

Hình 4.10 Các khu vực công cộng 71

Hình 4.11 Mạng truy nhập WSP 72

Hình 4.12 Triển khai ở vùng nông thôn xa xôi hẻo lánh 72

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Các loại truy nhập trong WiMAX 11

Bảng 1.2 Tóm tắt các chỉ tiêu chính trong các chuẩn WiMAX 19

Bảng 3.1 So sánh WiMAX di động và HSPA 58

Bảng 3.2 So sánh WiMAX di động và LTE 61

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT A

B

C

DHCP Dynamic host configuration protocol Thủ tục cấu hình chủ không cố định

E

F

H

I

IFFT Inversion Fast Fourier transform Biến đổi Fourier ngược nhanh

M

trường

MMDS Multichannel multipoint distribution

service

Dịch vụ phân phối đa điểm đa kênh

N

PCMCIA Personal Computer Memory Card

International Association

Hiệp hội quốc tế về tấm mạch nhớ của máy tính cá nhân

Q

R

Rx Reception Thu

S

T

U

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay Internet được coi như một phần không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại

với những dịch vụ mới như: mua bán trực tuyến, chơi game trực tuyến, xem truyền hình,hay như các dịch vụ ngân hàng, du lịch, học trực tuyến… Cùng với sự phát triển bùng nổcủa các loại hình dịch vụ tên Internet là sự phát triển của các công nghệ truy nhập nhằmđáp ứng các đòi hỏi về băng thông cho truy cập Internet Các công nghệ truy nhập đượcphát triển rộng khắp từ công nghệ hữu tuyến cho đến các công nghệ vô tuyến

Công nghệ WiMAX ra đời phù hợp với xu thế phát triển chung đó Công nghệWiMAX là công nghệ vô tuyến băng rộng Công nghệ WiMAX được ra đời dựa trên họtiêu chuẩn IEEE 802.16 Công nghệ WiMAX ra đời nhằm bổ sung vào các công nghệ vôtuyến hiện tại với ưu điểm tốc độ cao, phạm vi phủ sóng rộng rãi

Đồ án này tập trung vào nghiên cứu tìm hiểu các kĩ thuật được WiMAX sử dụng vàcác ứng dụng của WiMAX trong mạng viễn thông Bên cạnh đó đồ án cũng đưa ra các sosánh giữa WiMAX với một số công nghệ khác, những công nghệ sẽ cạnh tranh trực tiếpvới công nghệ WiMAX ở hiện tại và trong tương lai

Đồ án gồm 4 chương như sau

Chương I: Tổng quan về WiMAX Trong chương này sẽ chỉ ra khái niệm về WiMAX,

tình hình chuẩn hóa WiMAX và tình hình phát triển WiMAX trên thế giới và Việt Nam

Chương II: Một số đặc điểm kĩ thuật của WiMAX Trong chương này sẽ đi vào phân tích

và giới thiệu các kĩ thuật được sử dụng trong WiMAX

Chương III: So sánh WiMAX với các công nghệ khác Chương này sẽ đi vào so sánh

công nghệ WiMAX với một số công nghệ cạnh tranh trực tiếp với WiMAX như côngnghệ Wifi, HSPA, LTE

Chương IV: Ứng dụng WiMAX trong viễn thông Chương này sẽ đi vào tìm hiểu một số

ứng dụng của WiMAX trong mạng viễn thông

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN VỀ WIMAX

1.1 Khái niệm

WiMAX (Worldwide Interoperability of Microwave Access) là hệ thống truy nhập

vô tuyến liên mạng toàn cầu được xây dựng dựa trên cơ sở tiêu chuẩn IEEE 802.16WirelessMAN (Wireless Metropolitan Area Network) Mục đích của tiêu chuẩn này là tậptrung vào giải quyết và phát triển các vấn đề liên quan tới giao diện mạng vô tuyến băngrộng điểm-đa điểm trên cơ sở tầm nhìn thẳng LOS (Line of Sight) ở băng tần hoạt động từ

10 cho tới 66 GHz và dưới 11 GHz gồm: các vấn đề kĩ thuật trong lớp vật lý PHY, lớpđiều khiển truy nhập MAC (Medium Access Control) WiMAX có hai phiên bản chính vàhai phiên bản này đã được chuẩn hóa bởi tổ chức IEEE đó là:

- WiMAX cố định: Được xây dựng dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004 Wiamx cốđịnh sử dụng các phương pháp kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao(OFDM) hoạt động ở cả hai môi trường LOS và NLOS

- WiMAX di động: Được xây dựng dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.16e Tiêu chuẩn nàyđược phát triển lên từ tiêu chuẩn 802.16-2004, với các kĩ thuật khác phục vụ cho các thiết

bị người dùng là di động gồm: chuyển giao (handoff), chuyển vùng (roaming) Hệ thốngnày sử dụng phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao

1.2 Các loại truy nhập trong wimax

WiMAX có 5 hình thức truy nhập khác nhau dựa trên hai phiên bản WiMAX cốđịnh và di động Các hình thức truy nhập trong WiMAX bao gồm:

Truy nhập cố định: thiết bị người sử dụng luôn cố định tại một vị trí trong suốt thờigian hoạt động và luôn được kết nối với chạm gốc

Truy nhập lưu động (nomadic) : tức là thiết bị người sử dụng là cố định trong trongthời gian kết nối mạng Khi mà người sử dụng di chuyển sang một vị trí khác, ví dụ như

là một ô khác thì thiết bị người sử dụng sẽ được nhận dạng và sẽ được kết nối với mạng

Trong quá trình kết nối với mạng thiết bị người sử dụng có thể được lựa chon trạm gốc tốtnhất.

Truy nhập xách tay (Laptop): Với kiểu truy nhập này, thiết bị người sử dụng luônđược kết nối với mạng khi người sử dụng di chuyển với tốc độ người đi bộ trong vùngmạng phủ sóng Khả năng chuyển vùng hạn chế có thể được sử dụng để chuyển vùng khi

mà người sử dụng di chuyển từ ô này sang ô khác trong cùng một mạng

Truy nhập di động hạn chế: Với kiểu truy nhập này người sử dụng có thể được kếtnối liên tục khi đang sử dụng các ứng dụng phi thời gian thực với tốc độ di chuyển củaôtô trong vùng phủ sóng của mạng Khả năng chuyển vùng được sử dụng để chuyển vùngkhi người sử dụng di chuyển từ ô này sang ô khác trong cùng một mạng với ứng dụng phithời gian thực ví dụ : dịch vụ số liệu, đọc báo, nghe nhạc…

Truy nhập di động: Người sử dụng luôn được kết nối với mạng với tốc độ dichuyển cáo với tất cả các ứng dụng phi thời gian thực và thời gian thực Khả năng chuyểnvùng sẽ được sử dụng để người sử dụng di chuyển từ ô này sang ô khác khi đang sử dụngcác dịch vụ thời gian thực: thoại, thoại có hình…

Bảng 1.1 Các loại truy nhập trong WiMAX

4 Di động thông

thường

Laptop PCMCIA mini card PDA hoặc smartphone

Nhiều vị trí/

Tốc độ xe cộ thấp

Chuyểnvùng cứng

5 Di động đầy đủ

(Full)

Laptop PCMCIA mini card PDA hoặc Smarphone

Nhiều vị trí/

Tốc độ xe cộ cao

Chuyểnvùng mềm

1.3 Mô hình hệ thống WiMAX

Về cơ bản, mô hình hệ thống WiMAX chung cũng giống như mạng di động tế bàotruyền thống Hệ thống WiMAX bao gồm hai phần: Trạm gốc WiMAX và thiết bị người

sử dụng Thiết bị người sử dụng có thể là di động hoặc cố định

Trạm gốc WiMAX: Các hệ thống trạm gốc WiMAX chịu trách nhiệm cung cấpgiao diện vô tuyến đến các thiết bị người dùng Ngoài ra trạm gốc WiMAX cũng là thiết

bị giao tiếp với các hệ thống cung cấp dịch vụ mạng lõi thông qua hệ thống cáp quang,hay là kết hợp với các tuyến viba điểm – điểm để kết nối các nude

Thiết bị người sử dụng: Đây là thiết bị giao tiếp với người sử dụng Các thiết bịngười dùng có thể là cố định hoặc di động Đối với các thiết bị người sử dụng là cố địnhthì có thể có các ăng-ten thu sóng vô tuyến Các ăng-ten này có thể đặt ngoài trời hay làtrong nhà Còn đối với các thiết bị người dùng là di động như: PDA, laptop, mobile…

Hình 1.1 Mô hình hệ thống WiMAX

Về cơ bản hệ thống WiMAX chung có hai phần là trạm gốc và thiết bị người sửdụng Nhưng đối với mỗi mô hình WiMAX di động và WiMAX cố định sẽ được xâydựng theo các tiêu chuẩn khác nhau mà IEEE đã đưa ra

Đối với hệ thống WiMAX cố định, hệ thống này được xây dựng dựa trên tiểu chuẩnIEEE 802.16-2004 Theo tiêu chuẩn này các thiết bị ăng ten người sử dụng có thể đượcđặt trong nhà hay ngoài trời, và các ăng ten này là được đặt cố định Băng tần công tác(theo qui định và phân bổ của quốc gia) trong băng 2,5 GHz hoặc 3,5 GHz, độ rộng băngtần là 3,5 MHz Hệ thống WiMAX cố định có thể phục vụ cho các người sử dụng (user)

là, hộ gia đình, các công ty, xi nghiệp, các khu dân cư nhỏ lẻ Các người sử dụng này cóthể phân tán ở vùng sâu, vùng xa, khó có khẳ năng đưa hệ thống cáp hữu tuyến vào phụcvụ

Đối với hệ thống WiMAX di động, hệ thống này được xây dựng dựa trên tiêuchuẩn IEEE 802.16e Hệ thống này sử dụng trong băng nhỏ hơn 6GHz Hệ thốngWiMAX di động được xây dựng để hướng tới phục vụ cho các cá nhân di động, hệ thốngwimax di động này có thể kết hợp với hệ thống thông tin di động cellular để tạo nên mộtvùng phủ sóng rộng

1.4 Phân bổ băng tần trong WiMAX

Các băng tần sử dụng trong WiMAX được group IEEE 802.16 và WiMAX forumtập trung xem xét Theo các tổ chức này đã đưa ra các khuyến cáo, tập trung xem xét vàvận động các cơ quan quản lý tần số các nước phân bố cho WiMAX Các băng tần được

sử dụng trong WiMAX bao gồm: băng (3600-3800 MHz), băng 3.5 GHz (3400-3600MHz), băng 3.3 GHz (3300-3400 MHz), băng 2.5GHz (2500-2690 MHz), băng 2.3 GHz(2300-2400 MHz), băng 5.8 GHz (5725-5850 MHz), băng dưới 1 GHz (700-800 MHz)

Băng 3.5 GHz (3400-3600 MHz)

Băng tần 3.5 GHz là băng tần được nhiều nước đưa vào để phân bổ cho hệ thốngtruy nhập không dây băng rộng (WBA) Và WiMAX là một công nghệ không dây băngrộng nên có thể sử dụng băng tần này cho WiMAX Vì vậy mà WiMAX forum đã thốngnhất sử dụng băng tần này cho công nghệ WiMAX

Các hệ thống WiMAX ở băng tần này sử chuẩn 802.16-2004 cho các ứng dụngWiMAX cố định và nomadic Độ rộng mỗi kênh là 3.5 MHz hoặc là 7 MHz, chế độ song

công TDD hoặc FDD Ở một số quốc gia cũng qui định băng tần này chỉ cho các ứngdụng WiMAX cố định mà không kèm theo các ứng dụng của nomadic.

Ở Việt Nam hiện nay đã sử dụng băng tần này cho Vinasat nên việc sử dụng choWiMAX là không thể

Băng 3600-3800 MHz

Băng tần này đang được sử dụng nhiều ở một số nước châu âu cho các hệ thốngbăng rộng không dây của họ Mặt khác một phần trong băng này (3.7-3.8 GHz) được sửdụng nhiều cho hệ thống thông tin vệ tinh viễn thông, đặc biệt là khu vực châu á Do vậybăng tần này ít có khả năng sử dụng ở châu á

Băng 3.3 GHz (3300-3400 GHz)

Băng tần này hiện tại đựơc phân bổ cho Trung Quốc và Ấn Độ Và Việt Nam cũngđang xem xét băng tần này để cấp phát chính thức Hiện tại chưa có nhiều nước cấp băngtần này nhưng các thiết bị WiMAX cho băng tần này vẫn được sản xuất với lý do làTrung Quốc và Ấn Độ là hai thị trường lớn

Chuẩn WiMAX áp dụng cho băng tần này tương tự như với băng 3.5 GHz: độ rộngmỗi kênh là 3.5 MHz, và sử dụng cho WiMAX cố định, sử dụng các chế độ song côngTDD hoặc là FDD

Băng 2.5 GHz (2500-2690 MHz)

Băng tần này được WiMAX forum ưu tiên sử dụng cho WiMAX di động theochuẩn 802.16e Độ rộng băng tần sử dụng là 5 MHz và sử dụng chế độ song công TDDhoặc FDD Băng này sử dụng cho WiMAX di động được đánh giá là có thuận lợi hơn sovới các băng khác với lý do Thứ nhất, so với các băng trên 3 GHz thì điều kiện truyềnsóng của băng tần này thích hợp hơn cho các ứng dụng di động Thứ hai, băng tần này cókhả năng được triển khai ở nhiều nước cho các hệ thống không dây băng rộng vàWiMAX

Băng tần này trước đây đựơc sử dụng cho các hệ thống truyền hình MMDS trên thếgiới, nhưng do MMDS không phát triển nên tại hội nghị thông tin vô tuyến thế giới năm

2000 đã xác định có thể sử dụng băng tần này cho hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3(3G) Tuy nhiên do hệ thống thông tin di động 3G chưa đưa vào sử dụng nên hiện tại ởmột số quốc gia đã sử dụng băng tần này cho hệ thống không dây băng rộng : Mỹ,Mexico, Liên hiệp Anh

Băng tần 2.3 GHz

Băng này cũng có đặc tính giống như băng 2.5 GHz nên WiMAX forum cũng ưutiên băng tần này cho WiMAX di động Ở Việt Nam hiện nay băng tần này cũng có khảnăng được triển khai cho WiMAX và hệ thống không dây băng rộng Hiện tại đã sử dụngbăng tần này cho các thử nghiệm WiMAX ở Việt Nam

Băng 5.8 GHz (5725-5850 MHz)

Băng tần này được WiMAX forum quan tâm vì đây là băng tần được nhiều nướccho phép sử dụng mà không cần cấp phép Băng tần này thíc hợp để triểm khai choWiMAX cố định, độ rộng phân kênh là 10 MHz, phướng thức song công được sử dụng làTDD, không có FDD

Băng tần dưới 1G

Với các tần số thấp sóng vô tuyến có khả năng truyền lan càng xa, do vậy việc đầu

tư cho hệ thống sẽ thấp đi Vì vậy WiMAX forum cũng đang xem xét sử dụng các băngtần dưới 1 GHz đặc biệt là băng 700-800 MHz

Đối với một số quốc gia phát triển ví dụ như Mĩ Nước này đang thực hiện chuyểnđổi từ truyền hình tương tự sang truyền hình số nên sẽ giải phóng được một số băng tần

để sử dụng cho WiMAX và hệ thống không dây băng rộng

Còn ở Việt Nam hiện nay chưa có lộ trình chuyển đổi từ truyền hình tương tự sangtruyền hình số, mặt khác nhiều đài truyền hình địa phương cũng đang sử dụng băng tần từ470-806 MHz Do vậy việc sử dụng băng tần dưới 1 GHz cho WiMAX ở Việt Nam hiệnnay chưa được đề cập tới

1.4 Tình hình chuẩn hóa WiMAX

Nhóm IEEE 802.16 được thành lập vào năm 1998 Nhóm được thành lập với mụcđích nhằm phát triển một tiêu chuẩn giao diện vô tuyến cho mạng không dây băng rộng.Ban đầu, nhóm tập trung thảo luận nhằm phát triển một tiêu chuẩn cơ sở dựa trên yêu cầu

về tầm nhìn thẳng (LOS), hoạt động ở băng tần từ 10-66 Ghz bước sóng milimet Kết quảsau khi chuẩn hóa là vào tháng 12-2001 bộ tiêu chuẩn 802.16 đầu tiên được chấp nhận vàđược công bố vào ngày 8/4/2002 Bô tiêu chuẩn này được gọi là bộ tiêu chuẩn IEEE802.16-2001 (hay còn gọi là bộ tiêu chuẩn 802.16 original)

Ngay sau khi tiêu chuẩn đầu tiên ra đời thì nhóm tiếp tục nghiên cứu và đưa ra cácchuẩn tiếp theo

Việc nghiên cứu và bổ xung thêm băng tần từ 2-11GHz vào bộ tiêu chuẩn

802.16-2001 đã được ủy ban quản lý IEEE 802 chấp thuận vào chuẩn 802.16a, chuẩn này đượcđưa ra vào ngày 29/1/2003 và được công bố vào ngày 1/4/2003 Ngoài việc bổ xung thêmbăng tần sử dụng thì tiêu chuẩn này cũng cho phép người sử dụng không cần phải các yêucầu về kết nối thẳng (tức là NLOS), ngoài ra tiêu chuẩn này còn bổ xung thêm phươngpháp ghép kênh phân chia theo tần số trực giao vào lớp vật lý cơ sở

Nhằm nâng cao chất lượng dịch vụ cung ứng, đặc biệt là các ứng dụng thời gianthực (real time), thoại có hình (video call), video thông qua nhưng lớp dịch vụ khác nhauthì chuẩn 802.16b đã được đưa ra Chuẩn 802.16b sử dụng băng tần từ 5-6GHz Sau nàythì chuẩn này đã được ghép vào với chuẩn 802.16a

Ngày 11/12/2002 chuẩn IEEE 802.16c đã được đưa ra Chuẩn này được đưa ra dựatrên sự nghiên cứu sửa đổi bổ xung từ chuẩn IEEE 802.16 Chuẩn này đã bổ xung thêmcác định nghĩa về profile ở dải băng tần 10-66 GHz

Với việc bổ xung thêm vào lớp MAC kiểu đa truy nhập phân chia theo tần số trựcgiao (OFDMA) nhằm cải tiến các tiêu chuẩn trước đó, IEEE đã cho ra đời một tiêu chuẩnmới Tiêu chuẩn này đã thay thế toàn bộ cho các giải pháp WiMAX trước đó Các giảipháp trong bộ tiêu chuẩn này nhằm đưa ra các giải pháp cho hệ thống WiMAX cố định

Bộ tiêu chuẩn này được công bố vào ngày 24/6/2004, nó có tên là bộ tiêu chuẩn IEEE802.16-2004.

Tháng 12/2005 tổ chức IEEE đã hoàn thành và công bố một chuẩn WiMAX mới.Chuẩn WiMAX này được đưa ra nhằm mở rộng cho chuẩn WiMAX cố định trước đoIEEE 802.16-2004 Chuẩn WiMAX này được đưa ra nhằm hỗ chợ cho các truy nhập diđộng Ngoài ra tiêu chuẩn này còn hỗ chợ cho đa đường vào, đa đường ra (MIMO), vàcác hệ thống ăng-ten thích ứng Mặt khác nó còn cải thiện khả năng tiết kiệm điện cho cácthiết bị di động và và các vấn đề liên quan đến bảo mật Chuẩn này được công bố vào01/2006 và có tên là IEEE 802.16e

Ngoài ra còn rất nhiều các chuẩn bổ xung khác được IEEE đã và đang chuẩn hóanhư: 802.16f, 802.16j, 802.16k…

Mặc dù đã có rất nhiều tiêu chuẩn được IEEE đưa ra, nhưng hiện nay có hai tiêuchuẩn chính đang được áp dụng để sản xuất thiết bị, và triển khai các ứng dụng WiMAX

 Đối với nhà sản xuất:

- Trên cơ sở tiêu chuẩn chung, nhà sản xuất có thể nhanh chóng phát triển các sảnphẩm mà ít phải chi phí cho việc nghiên cứu, tạo thánh phần và dịch vụ mới

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

 Đối với nhà cung cấp dịch vụ:

- Trên cơ sở nền tảng chung cho phép nhà cung cấp dịch vụ giảm giá thành, tăngkhả 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 tăng phạm viphục vụ của mình

- Nhà khai thác không cón phụ thuộc vào một nhà cung cấp thiết bị riêng do cácsản 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 truy cậpbăng rộng nay có thể được sử dụng nhờ khả năng phủ sóng rộng của WiMAX

- Nhiều nhà cung cấp dịch vụ trên thị trường tạo điều kiện cho người sử dụng cóthêm 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 hạn chế sựphổ 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 hiện giờđang sử dụng gần 10 chuẩn công nghệ khác nhau Theo diễn dàn WiMAX chỉ mới

có khoảng 12 hãng phát triển chuẩn WiMAX được chứng nhận bao gồm: Alvarion,Selex Communication, Airspan, Proxim Wilreless, Redline, Sequnas, Siemens, SRTelecom, Telsim, Wavesat, Aperto, Axxcelera

- Công nghệ này khởi xướng từ nước Mỹ, nhưng thực sự chưa có thông tin chínhthức nào đề cập đến việc Mỹ sử dụng WiMAX như thế nào, khắc phục hậu quả sự

cố ra sao Ngay cả ở Việt Nam, VNPT (với nhà thầu nước ngoài là Motorola,

Alvarion) cũng đã triển khai ở một số tỉnh miền núi phía Bắc, cụ thể là ở Lào Cainhưng cũng chỉ giới hạn là các điểm truy cập Internet tại Bưu điện tỉnh, huyện chứchưa có những kết luận chính thức về tính hiệu quả đáng kể của hệ thống.

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

Bảng 1.2 Tóm tắt các chỉ tiêu chính trong các chuẩn WiMAX

Hoàn thành Tháng 12-2001 Tháng 1 - 2003 Tháng 12- 2005

Điều kiện truyền Nhìn thẳng (Light of Sight) (Không nhìn thẳng)

Non Light of Sight Không nhìn thẳng

Tương tự như 802.16a

Khoảng truyền

50 Km(Bán kính cell 1,7 -> 5 Km)

50 Km(Bán kính cell 5 -> 10 Km)

( Bán kính cell 1,7

-> 5 Km)

1.5 Tình hình phát triển WiMAX ở thế giới và Việt Nam

Hiện nay trên thế giới đã có rất nhiều nước thử nghiệm hoặc đã đưa vào sử dụng vàthương mại hóa công nghệ WiMAX Đi đầu là các quốc gia Mĩ, Đức, Braxin…Hiện tạiWiMAX được coi là công nghệ đã vào thời kì chín muồi khi mà đã có rất nhiều sản phẩm

sử dụng công nghệ WiMAX được đưa ra bởi các nhà sản xuất thiết bị Alcatel, Alvarion,Aperto, Airspan, Ericsson, Intel, IP Wireless, Lucent, Motorola, Nortel, Proxim, Redline,Samsung, Siemens, Fujitsu Theo đó tất cả các nhà cung cấp thiết bị này cũng đều dựatrên chíp của intel Do vậy, lộ trình phát triển công nghệ WiMAX của Intel sẽ đóng vai tròquyết định lộ trình triển khai của công nghệ WiMAX ra thị trường

Hiện nay trên thế giới đã có một số nhà mạng triển khai, thương mại hóa WiMAXnhư: Utah ở Nga, P1 ở Malaysia, Clearwire ở Nhật Đặc biệt P1 đã triển khai WiMAX rấtthành công ở Malaysia Tháng 3/2007, P1 là một trong bốn doanh nghiệp được cấp phéptriển khai WiMAX tại Malaysia với băng tần 2.3 GHz qua hình thức thi tuyển Vào tháng8/2008, P1 là công ty đầu tiên chính thức cung cấp dịch vụ WiMAX cho khách hàng tạiMalaysia Hiện P1 đã có 200.000 khách hàng và vùng phủ sóng WiMAX đạt 40% và dựkiến trong năm 2010 sẽ đạt trên 50%

Năm 2006, tại Việt Nam, đã có 4 doanh nghiệp được Bộ Bưu chính Viễn thông chophép cung cấp thử nghiệm dịch vụ WiMAX cố định là Viettel, VTC, VNPT và FPTTelecom Sau khi thử nghiệm xong Bộ sẽ lựa chọn 3 nhà cung cấp chính thứ cho loạihình băng rộng không dây này

Ngày 1/10/2007, Chính phủ đã cấp phép triển khai dịch vụ thông tin di động 3G vàdịch vụ truy nhập băng rộng không dây WiMAX (theo công văn 5535/VPCP-CN của vănphòng Chính phủ) Đồng thời, Phó thủ tướng đã đồng ý cấp phép thử nghiệm dịch vụWiMAX di động cho 4 doanh nghiệp EVN Telecom, Viettel, FPT và VTC thử nghiệm tạibăng tần 2.3 - 2.4 GHz; VNPT thử nghiệm tại băng tần 3.4 – 3.6 GHz

Ngày 27/10/2006 tập đoàn bưu chính viễn thông việt nam VNPT đã chính thứctriển khai thử nghiệm WiMAX cố định tại Việt Nam VNPT đã triển khai thử nghiệm này

ở tỉnh Lào Cai Thử nghiệm này đã được nghiệm thu thành công vào tháng 4 năm 2007

Ngày 11/12/2006 Viettel đã chính thức thử nghiệm cung cấp dịch vụ WiMAX trênđịa bàn Hà Nội Trong quá trình thử nghiệm, khách hàng sử dụng ba lại thiết bị đầu cuối

là các thiết bị trong nhà, ngoài trời và di động Đặc biệt là đối với thiết bị di động đã cókết quả tốt với tốc độ download là từ 1Mbps đến 3Mbps với tốc độ di chuyển là 100km/h

Tháng 2/2009 công ty cổ phần FPT đã chính thức triển khai thử nghiệm WiMAXtại Hà Nội Hàng loạt ứng dụng đã được FPT Telecom đưa ra thử nghiệm cho người đang

di chuyển trên các phương tiện trong khu vực nội thành Hà Nội như truy cập web, xemvideo, trao đổi dữ liệu, đàm thoại qua Internet (VoIP)… mà không cần bất kỳ một đườngcáp nào Tốc độ truyền tải đạt được trong khoảng 14-15 Mb/giây (cố định) và 6,4Mb/giây (di động)

CHƯƠNG II

MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM KĨ THUẬT CỦA CÔNG NGHỆ WIMAX

2.1 Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM)

2.1.1 Nguyên lý

Nguyên lý của ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) là phân chialuồng dữ liệu thành nhiều luồng giữ liệu song song có tốc độ bit thấp hơn nhiều và sửdụng các luồng con này để điều chế sóng mang với nhiều sóng mang con có tần số trựcgiao với nhau Hệ thống OFDM sẽ phân chia giải tần công tác thành các băng tần conkhác nhau cho điều chế, các băng tần con này trực giao với nhau về mặt toán học, tức làcác băng tần con có thể chèn lấn nhau để làm tăng hiệu quả về mặt phổ tần mà không gâycan nhiễu

Sực trực giao giữa các sóng mang con được mô tả ở hình 2.1 Có thể hiểu sự trựcgiao như sau: Tần số trung tâm của sóng mang con này sẽ rơi vào điểm 0 (null) của sóngmang con khác

Hình 2.1 Mô tả sự trực giao trong OFDM

Công nghệ OFDM sử dụng kĩ thuật đa sóng mang có sự chồng phổ đã có ưu điểmhơn so với kĩ thuật đa sóng mang không chồng phổ là tiết kiệm được băng thông Chính

sự chèn lấn giữa các phổ đã cho ta tiết kiệm được băng thông này

Bên cạnh đó, công nghệ OFDM cũng cho ta giải quyết được một số các vấn đề củaFDMA và TDMA gặp phải OFDM chia băng tần khả dụng thành nhiều kênh băng hẹp,

các sóng mang cho mỗi kênh này trực giao với nhau cho phép chúng giữ được khoảngcách rất gần nhau mà không cần dải chắn như trong FDMA, không cần ghép kênh theothời gian như TDMA.

Mỗi sóng mang trong các tín hiệu OFDM có một băng thông rất hẹp, do đó tốc độ

ký tự thấp, điều này làm tín hiệu chịu đựng được ảnh hưởng trễ truyền đa đường, trễtruyền đa đường phải rất lớn mới gây giao thoa ký tự ISI đáng kể (khoảng trên 100µS)

- Các kênh con mang dữ liệu: để truyền dữ liệu

- Các kênh con mang pilot: để thực hiện cho các mục đích ước lượng khác nhau

- Các kênh con trống: sử dụng để bảo vệ và dành con kênh mang con DC

2.1.2 Điều chế đa sóng mang trực giao

Điều chế đa sóng mang trực giao là phương pháp điều chế có tập sóng mang baogồm các sóng mang con trực giao với nhau Các tập sóng mang con được lựa chọn đểđiều chế trong OFDM là :

φ k ( t)= ¿ { cos(2πkf 0 t) 0<t<T k =1,2,3 N ¿¿¿¿

(2.1)

Với f 0 là khoảng cách giữa các sóng mang, và T là độ dài của ký tự OFDM

Hình 2.4 mô tả các sóng mang con trực giao với nhau được sử dụng trong OFDM

Hình 2.4 Các sóng mang trực giao với nhau

Sơ đồ nguyên tắc điều chế OFDM được minh họa tại hình 2.5

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên tắc điều chế OFDM

Tín hiệu OFDM được tạo ra giống như cách tạo các tín hiệu điều chế thôngthường Mỗi sóng mang bị điều chế bởi số phức Xn,m lấy từ tập các số phức trong phépánh xạ đa mức QAM, QPSK … của dữ liệu đầu vào Chỉ số m cho biết thứ tự của toàn bộ

ký tự OFDM theo thời gian, m có thể nhận bất kỳ giá trị nguyên nào Chỉ số n cho biết đó

là sóng mang thứ n trong tập N sóng mang (n =1, 2, …, N) hay chỉ số của ký tự dữ liệutrong một ký tự OFDM Một ký tự OFDM cần truyền là tổng của N tín hiệu sóng mangcon đã được điều chế

tả mật độ phổ năng lượng của tín hiệu OFDM

Hình 2.6 Mật độ phổ năng lượng của tín hiệu OFDM Trong điều chế OFDM các thành phần mở rộng phổ ( β+ε )/T N của các kênh con

sẽ không ảnh hưởng tới băng thông của cả hệ thống, ngoại trừ hai kênh con đầu tiên vàcuối cùng Do vậy băng thông của cả hệ thống là:

Chèn Pilot IFFT Chèn dải bảo

vệ

P/S

Kênh truyền

P/S

sắp xếp lại &

giải mã

ước lưọng kênh FFT

Loại

bỏ dải bảo vệ S/P

Hình 2.7 (a) Biên độ phổ của tín hiệu trên kênh con, b) Biên độ phổ

của tín hiệu OFDM gồm 4 sóng mang

2.1.3 Sơ đồ khối hệ thống OFDM

Hình 2.8 Sơ đồ khối hệ thống OFDM

Đầu tiên, dòng dữ liệu vào với tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu songsong tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp-song song (S/P) Mỗi dòng dữ liệu songsong sau đó được mã hóa (Coding) sử dụng thuật toán FEC (Forward Error Correcting) vàđược sắp xếp (Mapping) theo một trình tự hỗn hợp Những ký tự hỗn hợp được đưa đến

đầu vào của khối IDFT (ở đây để thực hiện phép biến đổi IDFT người ta dùng thuật toánIFFT) Sau đó khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự (ISI), nhiễuxuyên kênh (ICI) do truyền trên các kênh vô tuyến di động đa đường Dòng dữ liệu songsong lại được chuyển thành nối tiếp nhờ bộ chuyển đổi song song-nối tiếp (P/S) Cuốicùng, bộ A/D phía phát định dạng tín hiệu thời gian liên tục và chuyển đổi lên miền tần sốcao để truyền đi xa

Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu tác động đến như nhiễuGausian 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 từ miềnthời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT 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 sóngmang nhánh sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã Cuối cùng, chúng ta nhận lạiđược dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu

Bộ chuyển đổi nối tiếp-song song (Serial-Parallel) và song song-nối tiếp Serial)

Theo Shanon tốc độ dữ liệu cao nhất của một kênh truyền chỉ có nhiễu trắngAWGN (không có phading) là:

Cmax= B.log2(1+N S) (bps)

Trong đó B là băng thông của kênh truyền (Hz)

S

N là tỉ số tín hiệu trên nhiễu của kênh truyền

Vì vậy muốn truyền dữ liệu với tốc độ cao hơn Cmax thì ta phải chia nhỏ luồng dữliệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu có tốc độ thấp hơn Cmax bằng cách sử dụng bộ biếnđổi tín hiệu nối tiếp-song song Tức là ta sẽ chia dữ liệu vào từng frame nhỏ có chiều dài

là k*b (bit) Trong đó: k≤ N, với b là số bít trong mô hình điều chế số, N là số sóng mang

Phần tín hiệu có ích

Phần tín hiệu có ích GI

k, N sẽ được chọn sao cho các luồng dữ liệu có tốc độ đủ thấp, để băng thông đủ hẹp, saocho hàm truyền trong khoảng băng thông đó có thể xem là phẳng

Bộ IFFT và bộ FFT

Phép biến đổi IDFT cho phép ta tạo tín hiệu OFDM một cách dễ dàng, tức là điềuchế N luồng tín hiệu song song lên N tần số trực giao một cách chính xác và đơn giản.Phép biến đổi DFT cho ta giải điều chế lấy lại các thông tin từ tín hiệu OFDM Nhờ sửdụng phép biến đổi IDFT ta sẽ giảm đi được tổng hợp tần số ở phía phát và phía thu Nếukhông sử dụng IDFT và DFT thì bộ tổng sợp tần số phải tạo ra được một tập các tần sốcách đều nhau chính xác và đồng pha nhằm tạo ra tập các tần số trực giao một cách hoànhảo

Khoảng bảo vệ trong OFDM

Khái niệm khoảng bảo vệ trong OFDM là vấn đề rất có ý nghĩa rất quan trọng.OFDM có thể loại trừ được các vấn đề liên quan tới nhiễu giao thoa giữa các ký tự trongcùng một kênh và nhiễu giao thoa giữa các kênh con nhờ sự trực giao giữa các sóng mangcon với nhau Nhưng một vấn đề khác đã xảy ra trong quá trình truyền sóng vô tuyến Khitín hiệu vô tuyến được truyền đi trong kênh vô tuyến Tín hiệu thu được ở máy thu khôngphải chỉ là tín hiệu gốc, mà trong đó có rất nhiều tín hiệu khác nữa do các hiện tượngphản xạ, nhiễu xạ xảy ra trên đường truyền Các tín hiệu này đến từ nhiều đường khácnhau Do vậy tại đầu máy thu là tổng của tất cả các tín hiệu nên sẽ có hiện tượng chồnglấn lên nhau giữa các ký tự, gây ra giao thoa giữa các ký tự OFDM Hiện tượng chồng lấnlên nhau này xảy ra ở khoảng đầu tiên giữa các ký tự HIện tượng này gọi là hiện tượngnhiễu xuyên ký tự ISI

Hình 2.9 Khái niệm về chuỗi bảo vệ

Để giải quyết vấn đề này, trên mỗi ký tự của OFDM đã đưa vào một chuỗi bảo vệtại mỗi đầu một ký tự mà không ảnh hưởng đến phần thông tin trong ký tự Chuỗi bảo vệnày có tên là chuỗi bảo vệ GI Đoạn chuỗi bảo vệ này là phần coppy một đoạn tín hiệucuối cùng của ký tự OFDM Do đó chuỗi bảo vệ này còn có tên là vòng bảo vệ chặn trước(cyrle prefix) Nhờ sự thêm vào chuỗi bảo vệ GI này mà hiện tượng chồng lấn giữa các ký

tự được giảm hay loại bỏ

Nguyên tắc bảo vệ được mô tả như hình sau Giả sử cho một tín hiệu hình sin cóchu kỳ là Ts Khi thêm vào chuỗi bảo vệ có chiều dài là Tg thì lúc này độ dài của tín hiệu

là T= Ts+ Tg

Hình 2.10 Đoạn bảo vệ trong OFDM

Ta giả sử rằng tín hiệu thu được từ hai tuyến truyền dẫn, trong đó tuyến thứ nhấtkhông có trễ, còn tuyến thứ hai có hiện tượng trễ xảy ra với thời gian trễ cực đại là τmax. Ởtuyến thứ nhất ta thấy tín hiệu thứ (k-1) không chồng lấn lên tín hiệu thứ k, do ta giả sửtrên tuyến này không có trễ truyền dẫn Ở tuyến thứ hai, do có trễ nên tín hiệu thứ (k-1) sẽchồng lên lên tín hiệu thứ k, tức là tín hiệu thứ (k-1) sẽ dịch sang tín hiệu thứ k mộtkhỏang là τmax. Tương tự như vậy, tín hiệu thứ k cũng sẽ dịch sang tín hiệu thứ (k+1) một

khoảng là τmax Tín hiệu thu được ở máy thu là tổng tất cả tín hiệu ở tất cả các tuyến Sựdịch tín hiệu do trễ truyền dẫn đã gây ra hiện tượng nhiễu ISI Tuy nhiên trong OFDM, do

có khoảng bảo vệ nên đã loại bỏ được vấn đề này Qua hình vẽ thì ta cũng có thể thấyđược rằng điều kiện của khoảng bảo vệ là: Tg ≥ τmax Với điều kiện này ta thấy rằng toàn

bộ phần khoảng trễ sẽ nằm trong khoảng bảo vệ và phần trễ này hoàn toàn không ảnhhưởng đến phần tín hiệu mang thông tin có ích Ts

Không có GI

Có GI

Hình 2.11 ISI và cyclic prefix

Hình 2.11 đã mô tả ý tưởng sử dụng khoảng bảo vệ nhằm lọai bỏ nhiễu ISI giữanhững ký tự OFDM

Thêm đoạn bảo vệ có nghĩa rằng ngăn chặn được nhiễu xuyên ký tự ISI giữa các ký

tự OFDM, nhưng lại nảy sinh ra một vấn đề đó là năng lượng danh cho hoạt động phátđoạn bảo vệ là năng lượng tổn hao không dùng để truyền thông tin Do vậy mà hiệu suất

sử dụng năng lượng sẽ bị giảm xuống Vì vậy việc thiết kế khoảng bảo vệ dài bao nhiêu

để không làm ảnh hưởng đến hiệu suất sử dụng năng lượng là điều cẩn phải cân nhắc

2.1.4 Ưu điểm và nhược điểm của kĩ thuật OFMD

Dựa vào những phân tích kĩ thuật như trên mà ta có thể rút ra được các ưu nhượcđiểm của công nghệ OFDM như sau

- Kỹ thuật OFDM cho phép thông tin tốc độ cao được truyền song song với tốc

độ thấp hơn trên các kênh băng hẹp Các kênh con này được coi là các kênh fadingkhông lựa chọn tần số nên có thể dùng các bộ cân bằng đơn giản trong suốt quátrình nhận thông tin Nói như vậy, hệ thống OFDM chống được ảnh hưởng củafading lựa chọn tần số

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

- Thực hiện đơn giản trong miền tần số bằng cách dùng giải thuật FFT Đồngthời máy thu đơn giản do không cần bộ khử ICI và ISI nếu khoảng dự trữ đủ dài

Nhược điểm

- OFDM là tập hợp của tín hiệu trên nhiều sóng mang, dải động của tín hiệu lớnnên có tỷ số công suất đỉnh/trung bình tương đối lớn sẽ làm hạn chế 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 và máythu, 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 độcao nói chung và cho công nghệ Wimax nói riêng Theo phân tích về kỹ thuật OFDM nhưtrên , dung lượng của hệ thống sẽ được đánh giá thông qua số lượng các sóng mang conđược điều chế Số lượng các sóng mang con phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ rộngkênh, mức độ nhiễu, kiểu điều chế,… Con số này (sóng mang con) tương ứng với kíchthước FFT Cụ thể như chuẩn 802.16-2004 xác định rõ 256 sóng mang con, tương ứng vớikích thước FFT 256 độ rộng kênh độc lập, chuẩn 802.16e-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 cáchtương đối không đổi của ký hiệu và khoảng dãn cách giữa các sóng mang con độc lập với

độ rộng kênh Như vậy, với công nghệ OFDM, nhờ sự kết hợp của các sóng mang contrực giao truyền song song với các ký hiệu có khoảng thời gian dài đảm bảo rằng lưulượng băng thông rộng không bị hạn chế do môi trường không theo tầm nhìn thẳng NLOS

và nhiễu do hiện tượng đa đường dẫn

2.2 Công nghệ OFDMA

2.2.1 Khái niệm

OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access- Đa truy nhập phân chiatheo tần số trực giao) là công nghệ đa sóng mang được phát triển từ công nghệ OFDM,ứng dụng như một công nghệ đa truy nhập OFDMA hỗ trợ các nhiệm vụ của sóng mangcon đối với các thuê bao nhất định Mỗi nhóm sóng mang con được biểu thị như một kênh

Hình 2.12 Mô tả OFDM và OFDMA

Mặt khác, một sự khác biệt nữa giữa OFDM và OFDMA là : trong OFDM thiết bịngười sử dụng được truyền trên toàn bộ không gian của kênh tải một lần, trong khi đó đốivới OFMDA thì nó chỉ cho phép thiết bị người sử dụng được tải lên chỉ thông qua những

Hình 2.13 Đường lên với OFDM và OFDMA

Hình 2.14 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 mang con

có sẵn, khác với những người còn lại

Hình 2.14 Ví dụ của biểu đồ tần số, thời gian với OFDMA

Thí dụ này thực tế là sự hỗn hợp của OFDMA và TDMA bởi vì mỗi người sử dụngchỉ phát ở một trong 4 khe thời gian, chứa 1 hoặc vài symbol OFDM

2.2.3 OFDM nhảy tần

Trong ví dụ trước của OFDMA, mỗi người sử dụng đều có một sự sắp đặt cố định(fix set) cho sóng mang Có thể dễ dàng cho phép nhảy các sóng mang con theo khe thờigian như được mô tả trong hình 2.15

Việc cho phép nhảy với các mẫu nhảy khác nhau cho mỗi người dùng làm biến đổithực sự hệ thống OFDM trong hệ thống CDMA nhảy tần Điều này có lợi là tính phân tậptheo tần số tăng lên bởi vì mỗi người sử dụng dùng toàn bộ băng thông có sẵn cũng như là

có lợi về xuyên nhiễu trung bình Bằng cách sử dụng mã sửa lỗi hướng đi (Forward ErrorCorrecting- FEC) trên các bước nhảy, hệ thống có thể sửa cho các sóng mang phụ khi bịfading sâu hay các sóng mang bị xuyên nhiễu bởi các user khác Do đặc tính xuyên nhiễu

và fading thay đổi với mỗi bước nhảy, hệ thống phụ thuộc vào năng lượng tín hiệu nhậnđược trung bình hơn là phụ thuộc vào người sử dụng và năng lượng nhiễu trong trườnghợp xấu nhất

Điềuchế băng tần gốcChèn Pilot symbol IFFT Chèn GI

ADC

Loại bỏchèn GIFFT

Tách Pilot symbolCân bằng kênh

Khôi phục kênh truyền

Giải điều chế băng tần gốc

Kênh truyền

Hình 2.15 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

Một ví dụ của việc nhảy tần như vậy được mô tả trong hình 2.16 cho N sóng mangphụ, nó luôn luôn có thể tạo ra N mẫu nhảy trực giao

Hình 2.16 6 mẫu nhảy tần trực giao với 6 tần số nhảy khác nhau

2.2.4 Sơ đồ của hệ thống OFDMA

Hình 2.17 Sơ đồ hệ thống OFDM

DAC

Nguồn tín hiệu được điều chế ở băng tần cơ sở thông qua các phương pháp điều chếnhư QPSK, M-QAM….Tín hiệu dẫn đường (bản tin dẫn đường, kênh hoa tiêu - pilotsymbol) được chèn vào nguồn tín hiệu, sau đó được điều chế thành tín hiệu OFDM thôngqua biến đổi IFFT và chèn chuỗi bảo vệ GI Luồng tín hiệu số được chuyển thành tín hiệutương tự trước khi truyền trên kênh vô tuyến qua anten phát Tín hiệu này sẽ bị ảnh hưởngbởi fading và nhiễu trắng AWGN (Addictive White Gaussian Noise )

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

Hình 2.18 Mẫu tín hiệu dẫn đường trong OFDMA

Phía máy thu sẽ thực hiện ngược lại so với máy phát Để khôi phục tín hiệu phát thìhàm truyền phải được khôi phục nhờ vào mẫu tin dẫn đường đi kèm Tín hiệu nhận đượcsau 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 là mẫu 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 tínhiệu ban đầu

2.3 Điều chế thích nghi trong WiMAX

Điều chế thích nghi trong WiMAX cho phép hệ thống WiMAX có thể điều chỉnhđược phương pháp điều chế tín hiệu dựa trên điều kiện SNR của tuyến Khi tuyến truyềndẫn có chất lượng tốt, kiểu điều chế cao nhất được sử dụng, làm tăng dung lượng cho hệthống Khi tuyến ở mức chất lượng thấp hơn, hệ thống WiMAX có thể chuyển sang mộtphương pháp điều chế thấp hơn để đường truyền có thể đảm bảo được chất lượng kết nối

ổng định của tuyến Việc sử dụng phương pháp điều chế thích nghi đã cho phép hệ thốngtăng khả năng tránh được fadinh lựa chọn thời gian Điểm mấu chốt trong phương phápnày đó là khả năng tự điều chỉnh phương pháp điều chế để có thể phù hợp với mọi điềukiện của mô trường truyền sóng.

Hình 2.19 Bán kính cell quan hệ với điều chế thích nghi

2.4 Phương pháp điều khiển công suất trong WiMAX

Các thuật toán điều khiển công suất được dùng để cải thiện chất lượng toàn bộ hệthống, nó được thực hiện bởi trạm gốc gửi thông tin điều khiển công suất đến mỗi CPE đểđiều chỉnh mức công suất truyền sao cho mức đã nhận ở trạm gốc thì ở một mức đã xácđịnh trước Trong môi trường fading thay đổi động, mức chỉ tiêu đã định trước này cónghĩa là CPE chỉ truyền đủ công suất thỏa mãn yêu cầu này Điều khiển công suất giảm

sự tiêu thụ công suất tổng thể của CPE và nhiễu với những trạm gốc cùng vị trí Với LOS,công suất truyền của CPE gần tương ứng với khoảng cách của nó đến trạm gốc, vớiNLOS, tùy thuộc nhiều vào độ hở và vật cản

2.5 Kĩ thuật sửa lỗi trước

Các kỹ thuật sửa lỗi trước được áp dụng trong hệ thống WiMAX để giảm tỷ số tínhiệu trên tạp âm yêu cầu Mã hoá sủa lối trước (FEC) Reed solomon, mã hoá xoắn cácthuật toán chèn ký tự được sử dụng để phát hiện và sửa lỗi nhằm cải thiện thông lượngcủa hệ thống Những kỹ thuật sửa lỗi hiệu quả này giúp khôi phục lại những bị lỗi dofading lựa chọn tần số hoặc các lỗi burst Yêu cầu gửi lại tự động được sử dụng để sửa