nhiễu trong wimax và cách khắc phục

Trong chươngnày giải thích một cách dễ hiểu nhất về sự trực giao sóng mang theo tần số, từ đóđưa ra những công thức tổng quát để mô tả kỹ thuật OFDM cũng như các sơ đồđiều chế của kỹ thu

MỤC LỤC

CÁC TỪ VIẾT TẮT

ARQ Automatic Retransmission Request

ATM Network Asynchronous Transfer Mode

IEEE Institute of Electrical anh Electronics Engineers

MAC Media Access Control

MAC CS Mac Service Specific Convergence Sublayer

PDA Persional Digital Assitant

16QAM 16-State Quadrature Amplitude Modulation

SINR Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio

SOFDMA Scalable Orthogonal Frequency Division Multiplexing

WirelessHUMAN Wireless HighSpeed Unlicensed Metropolitan Area Networks

MỞ ĐẦU

***

Ngày nay nhu cầu thông tin liên lạc của con người ngày càng cao, nhất là đốivới các thiết bị không dây tốc độ cao, băng thông rộng như điện thoại không dây,internet không dây để mọi người có thể liên lạc với nhau ở mọi lúc, mọi nơi vàquan trọng hơn là việc mở rộng dân trí cho người dân ở các vùng xa xôi hẻo lánhtrên đất nước ta, nơi mà cơ sở hạ tầng viễn thông chưa đến được Hiện nay đã có rấtnhiều hệ thống mạng không dây ra đời như là WiFi, bluetooth và một trong số đó

có thể đáp ứng được nhu cầu trên là WiMax WiMAX chủ yếu cung cấp dịch vụinternet không dây với giá thành rẻ, tốc độ truyền cao kết nối đến các thiết bị đầucuối trong một khoảng cách truyền lớn

Hiện nay, ở nước ta WiMAX đang được thử nghiệm ở tỉnh miền núi như:Lào Cai,Cao Bằng Mặc dù có những khó khăn bước đầu, nhưng em tin với sự đầu

tư đúng hướng của Đảng và nhà nước dành cho Wimax thì nó sẽ được phát triển ratoàn quốc

Tuy nhiên, việc triển khai hệ thống còn gặp nhiều khó khăn do những ảnhhưởng có tính truyền thống của mạng không dây Vì vậy, em đã chọn đề tài

“Nghiên cứu tổng quan về WiMAX, nhiễu và ảnh hưởng của nhiễu trong WiMAX”.Trong đề tài này, em đi sâu tìm hiểu những kỹ thuật khắc phục nhiễu của WiMAX

mà ở các thế hệ trước chưa có được, ảnh hưởng của kênh truyền đến chất lượngtruyền tín hiệu Với cỏ sở lý thuyết này, em đã mô phỏng trực quan chứng minh ảnhhưởng của nhiễu và biên pháp khắc phục bằng ngôn ngữ Matlab

Đồ án gồm có năm chương:

Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật điều chế OFDM

Chương 2: Giới thiệu về WiMAX

Chương 3: Ảnh hưởng của nhiễu trong WiMAX và các biện pháp khắc phục.

Chương 4: Ảnh hưởng của kênh vô tuyến đến truyền dẫn tín hiệu

Chương 5: Chương trình mô phỏng và hường phát triển đề tài

Để hoàn thành đồ án này em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình củathầy Nguyễn Văn Tuấn và các thầy cô giáo trong Khoa Điện Tử-Viễn Thông ĐHBách Khoa Đà Nẵng

Đà Nẵng, tháng 6 năm 2008 Sinh viên

Phan Thị Minh Huyền

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM

1.1 Giới thiệu chương

Wimax được phát triển dựa trên công nghệ OFDM Vì thế trước khi đi vàoWimax, ta tìm hiểu về những nguyên lý cơ bản của kỹ thuật OFDM Trong chươngnày giải thích một cách dễ hiểu nhất về sự trực giao sóng mang theo tần số, từ đóđưa ra những công thức tổng quát để mô tả kỹ thuật OFDM cũng như các sơ đồđiều chế của kỹ thuật này

1.2 Nguyên lý cơ bản của OFDM[1]

Ý tưởng OFDM là truyền dẫn song song (đồng thời) nhiều băng con chồnglấn nhau trên cùng một độ rộng băng tần cấp phát của hệ thống Việc xếp chồnglấn các băng tần con trên toàn bộ băng tần được cấp phát dẫn đến không nhữngđạt được hiệu quả sử dụng phổ tần cao mà còn có tác dụng phân tán lỗi cụm khitruyền qua kênh, nhờ tính phân tán lỗi mà khi được kết hợp với các kỹ thuật mãhoá kênh kiểm soát lỗi hiệu năng hệ thống được cải thiện đáng kể So với hệthống ghép kênh phân chia theo tần số FDM truyền thống thì, ở FDM cũngtruyền theo cơ chế song song nhưng các băng con không những không đượcphép chồng lấn nhau mà còn phải dành khoảng băng tần bảo vệ (để giảm thiểu

độ phức tạp bộ lọc thu) dẫn đến hiệu quả sử dụng phổ tần kém

Vậy làm thế nào tách các băng con từ băng tổng chồng lấn hay nói cáchkhác sau khi được tách ra chúng không giao thoa với nhau trong các miền tần

số (ICI) và giao thoa nhau trong miền thời gian (ISI) Câu trả lời và cũng là vấn

đề mấu chốt của truyền dẫn OFDM là nhờ tính trực giao của các sóng mangcon Vì vậy ta kết luận rằng nhờ đảm bảo được tính trực giao của các sóngmang con cho phép truyền dẫn đồng thời nhiều băng tần con chồng lấn nhưngphía thu vẫn tách chúng ra được, đặc biệt là tính khả thi và kinh tế cao do sửdụng xử lý tín hiệu số và tần dụng tối đa ưu việt của VLSI Theo đó trước hết tađịnh nghĩa tính trực giao, sau đó ta áp dụng tính trực giao này vào hệ thống

thu tín hiệu OFDM cũng như các điều kiện cần thiết để đảm bảo tính trực giao

1.3 Đa sóng mang (Multicarrier)

Nếu truyền tín hiệu không phải bằng một sóng mang mà bằng nhiều sóngmang, mỗi sóng mang tải một phần dữ liệu có ích và được trải đều trên cả băngthông thì khi chịu ảnh hưởng xấu sẽ chỉ có một phần dữ liệu có ích bị mất, dựa trên

cơ sở dữ liệu của các sóng mang khác có thể khôi phục lại dữ liệu có ích

HDo vậy, khi dùng nhiều sóng mang có tốc độ bit thấp, nhiều dữ liệu gốc sẽđược thu chính xác Để hồi phục dữ liệu đã mất, người ta dùng phương pháp sửa lỗiFEC-Forward Error Correction Ở máy thu mỗi sóng mang được tách ra khi dùngcác bộ lọc thông thường và giải điều chế Tuy nhiên để không có can nhiễu giữa cácsóng mang (ICI) cần phải có khoảng bảo vệ khi hiệu quả phổ kém

Giải pháp khắc phục việc hiệu quả phổ kém khi có khoảng bảo vệ (GUARD

PERIOD) là giảm khoảng cách các sóng mang và cho phép phổ của các sóng mangcạnh nhau trùng lắp nhau Sự trùng lắp này là được phép nếu khoảng cách giữa cácsóng mang được chọn chính xác Khoảng cách này được chọn ứng với trường hợpcác sóng mang trực giao với nhau Đó là phương pháp ghép kênh theo tần số trựcgiao (OFDM)

Cho tới nay dựa trên những thành tựu của công nghệ mạch tích hợp phươngpháp này đã được thực hiện một cách dễ dàng

Hình 1.3 FDM thông thường và OFDM

(1.1)

Điều này gọi là tính trực giao của dạng sóng sin Nó cho thấy rằng miễn làhai dạng sóng sin không có cùng tần số, thì tích phân của chúng sẽ bằng không.Thông tin này là điểm mấu chốt để hiểu quá trình điều chế OFDM.

Hình 1.4 Tích của hai vectơ trực giao bằng 0

Nếu chúng ta nhân và cộng(tích phân) hai dạng sóng sin có tần số khácnhau Ta nhận thấy quá trình này cũng bằng 0 Vậy hai sóng sin khác tần số thì tíchphân của chúng sẽ bằng không và ngược lại Điều này gọi là tính trực giao của dạngsóng sin Hình 1.5 và 1.6

Hình 1.5.Tích phân của hai sóng sin khác tần số

Việc giải điều chế chặt chẽ được thực hiện kế tiếp trong miền tần số (digitaldomain) bằng cách nhân một sóng mang được tạo ra trong máy thu đơn với mộtsóng mang nhận được trong máy thu có cùng chính xác tần số và pha Sau đó phéptích phân được thực hiện, tất cả các sóng mang sẽ về không ngoại trừ sóng mangđược nhân, nó được dịch lên trục x, được tách ra, hiệu quả và giá trị symbol của nókhi đó đã được xác định Toàn bộ quá trình này được lặp lại khá nhanh chóng chomỗi sóng mang, đến khi tất cả các sóng mang đã được giải điều chế.

1.4.1 Mô tả toán học của OFDM

Trong toán học, mỗi sóng mang được mô tả như một sóng phức:

Sc(t) = Ac(t)ej[ωct + Фc(t)] (1.2)Tín hiệu thực là phần thực của Sc(t) Cả Ac(t) và Фc(t) (biên độ và pha tươngứng của sóng mang) có thể thay đổi trên mỗi symbol bởi symbol cơ bản

Phương pháp điều chế OFDM sử dụng rất nhiều sóng mang, vì vậy tín hiệuphức Sc(t) được thể hiện bởi công thức :

Ss(t) = ∑−

=

1 0

Tất nhiên, đây là một tín hiệu liên tục Nếu ta xem các dạng sóng của mỗiphần tử tín hiệu trên một chu kỳ symbol thì các biến số Ac(t) và Фc(t) và nhận cácgiá trị cố định mà các giá trị này phụ thuộc vào tần số của sóng mang cụ thể đó, nhưvậy có thể viết lại như sau:

Фn(t) → ФnAn(t) → AnNếu tín hiệu được lấy mẫu với tần số lấy mẫu có giá trị là 1/T ( với T là chu

kỳ lấy mẫu), thì tín hiệu hợp thành được thể hiện bởi công thức :

Ss(kT) = ∑−

=

1 0

1.4.2 Trực giao miền tần số

Cách khác để xem xét tính trực giao của những tín hiệu OFDM là xem phổcủa nó Trong miền tần số mỗi sóng mang thứ cấp OFDM có đáp tuyến tần sốsinc(sin(x)/x) Kết quả của thời gian symbol tương ứng với nghịch đảo của khoảngcách sóng mang Dạng sinc có 1 búp chính hẹp, với nhiều búp biên có cường độgiảm dần theo tần số khi đi ra khỏi tần số trung tâm Mỗi tải phụ có một đỉnh tại tần

số trung tâm và một số giá trị null được đặt theo các lỗ trống tần số bằng khoảngcách sóng mang Bản chất trực giao của việc truyền là kết quả của đỉnh của mỗi tảiphụ tương ứng với Nulls của các tải phụ khác Khi tín hiệu này được phát hiện nhờ

sử dụng biến đổi Fourier rời rạc (DFT)

1.5 Tạo và thu OFDM

Phần máy phát biến đổi dữ liệu số cần truyền, ánh xạ vào biên độ và pha củacác tải phụ Sau đó nó biến đổi biểu diễn phổ của dữ liệu vào trong miền thời giannhờ sử dụng biến đổi fourier rời rạc đảo (inverse Discrecte Fourier Transform).Biến đổi nhanh Fourier đảo (Inverse Fast fourier Transform) thực hiện cùng mộtthuật toán như IDTF, ngoại trừ rằng nó tính hiệu quả hơn nhiều và do vậy nó được

sử dụng trong tất cả các hệ thống thực tế Để truyền tín hiệu OFDM tín hiệu miềnthời gian được tính toán phách lên tần số cần thiết Máy thu thực hiện thuật toánngược lại với máy phát Khi dịch tín hiệu RF xuống băng cơ sở để xử lý, sau đó sử

Hình1.7 Sơ đồ khối của thiết bị đầu cuối OFDM

dụng biến đổi Fourier nhanh để phân tích tín hiệu trong miền tần số Sau đó biên độ

và pha của các tải phụ được chọn ra và được biến đổi ngược lại thành dữ liệu số

1.6 Điều chế tải phụ

Cứ mỗi lần tải phụ được phân phối bit để truyền, chúng được ánh xạ vàobiên độ và pha của tải phụ nhờ dùng sơ đồ điều chế biểu diễn bởi vectơ đồng pha vàvuông pha Hình 1.8 là ví dụ của ánh xạ điều chế tải phụ Nó chỉ ra chòm sao 16-QAM, ánh xạ 4 bit cho mỗi symbol Mỗi kết hợp của dữ liệu tương ứng với 1 vectơduy nhất được chỉ ra như một điểm trên hình vẽ Một số lớn sơ đồ điều chế là cósẵn, cho phép thay đổi số bit được truyền trên một sóng mang trên mỗi symbol

Hình 1.8 Ví dụ chòm điểm (constellation) điều chế IQ,16 – QAM, với mã gray dữ

liệu tới mỗi vị trí

1.7 Các sơ đồ điều chế

Dữ liệu số được truyền trong kết nối OFDM bằng cách dùng sơ đồ điều chếtrên mỗi tải phụ Sơ đồ điều chế là sự ánh xạ các dữ liệu vào chòm sao thực(đồngpha) và phức (vuông pha), được biết như chòm sao IQ(inphase Quadrature) Số bit

có thể được truyền khi dùng một symbol tương ứng với log2(M) với M là số cácđiểm trong chòm sao Mỗi từ dữ liệu được ánh xạ vào một vị trí IQ duy nhất trong

argument (I+ јQ) với ј= −1 Việc tăng số điểm trong chòm sao không thay đổi dảithông truyền, do vậy việc dùng sơ đồ điều chế với nhiều điểm chòm sao sẽ cho phépcải thiện hiệu quả phổ (hoặc hiệu suất băng thông) Tuy nhiên số điểm trong giản đồchòm sao càng lớn bao nhiêu thì việc giải quyết chúng ở máy thu càng khó bấynhiêu Đó là vì khi đó các vị trí IQ được đặt càng gần nhau nên chỉ cần một giá trịnhỏ nhiễu là có thể gây ra lỗi truyền

* Mã GRAY

Giản đồ IQ cho sơ đồ điều chế chỉ ra vectơ truyền cho tất cả các liên hợp từ

dữ liệu Mỗi liên hợp từ dữ liệu phải được phân phối một vectơ IQ duy nhất MãGray là một phương pháp cho sự phân phối này, sao cho các điểm cạnh nhau trongvòm sao chỉ khác nhau một bit đơn Mã này giúp giảm thiểu tỉ lệ lỗi bit Mã Gray

có thể được sử dụng cho tất cả các sơ đồ điều chế PSK(BPSK,QPSK, ) vàQAM(16QAM, 64QAM, 256QAM )

Bảng 1.1 Mã Gray

Hình1.9 Giản đồ IQ của 16QAM khi dùng mã Gray

1.8 Khoảng bảo vệ (GUARD PERIOD)

Ta thấy ở hình trên, phần ISI của việc truyền tín hiệu OFDM có thể bị sai dođiều kiện của quá trình xử lý tín hiệu, bởi vì máy thu không nhận được thông tin củasymbol được truyền tiếp theo Điều đó có nghĩa là máy thu cần một khoảng thờigian có độ dài xác định bằng thời gian symbol có ích để có thể xác định đượcsymbol OFDM Khoảng thời gian này gọi là orthogonality Interval

Có thể giảm ảnh hưởng ISI tới tín hiệu OFDM bằng cách thêm vào cáckhoảng bảo vệ ở trước của mỗi symbol Khoảng bảo vệ này là bản copy tuần hoàntheo chu kỳ, làm mở rộng chiều dài của dạng sóng symbol Nó được tạo ra bằngcách lấy phần cuối của symbol OFDM để đưa vào phần đầu Do vậy việc đưa vàocác bản copy của symbol nối đuôi nhau tạo thành một tín hiệu liên tục, không có sựgián đoạn ở chỗ nối Như vậy việc sao chép đầu cuối của symbol đã tạo ra mộtkhoảng thời gian symbol dài hơn và giải điều chế nó mà không có lỗi

Hình 1.10.Chèn khoảng thời gian bảo vệ cho mỗi ký hiệu OFDM

1.9 Bảo vệ chống lại ISI

Trong tín hiệu OFDM biên độ và pha của tải phụ phải được duy trì không đổitrong chu kỳ symbol để bảo đảm tính trực giao cho mỗi sóng mang Nếu chúng bịthay đổi có nghĩa là dạng phổ của các tải phụ sẽ không có dạng sinc đúng và nhưvậy điểm không null sẽ không đúng, dẫn đến can nhiễu giữa các sóng mangICI(inter-Carrier Interference) Ở biên của symbol biên độ và pha thay đổi tới giá trịmới cần thiết cho symbol dữ liệu tiếp theo Trong môi trường multipath ISI gây ra

sự trải rộng năng lượng giữa các symbol, dẫn đến sự thay đổi nhanh biên độ, phacủa tải phụ ở điểm đầu symbol Nó dẫn đến sự mở rộng độ trễ của kênh vôtuyến.Việc đưa vào các khoảng bảo vệ cho phép có thời gian để phần tín hiệu thayđổi nhanh này bị suy hao Trở lại trạng thái ban đầu, do vậy FFT được lấy từ trạngthái đúng của symbol Điều này loại bỏ ảnh hưởng của ISI Để khắc phục ISI thìkhoảng bảo vệ phải dài hơn sự mở rộng độ trễ của kênh vô tuyến

Hình 1.11 Chức năng của khoảng bảo vệ chống lại ISI

1.10 Độ dịch Doppler

Do khoảng cách giữa nơi phát và thu có sự thay đổi nên tạo ra độ dịchDoppler (vì khoảng cách giữa nơi phát và thu thay đổi theo thời gian) Độ dịchDoppler gây ra sự thay đổi tần số của tín hiệu Khi giảm khoảng cách giữa nơi phát

và thu làm tăng tần số, và khi tăng khoảng cách sẽ làm giảm tần số

Với hệ thống OFDM, độ dịch Doppler gây ra sự thay đổi vị trí sóng mang, cónghĩa là sóng mang sẽ dịch chuyển xuống tần số thấp hơn khi khoảng cách giữa nơiphát và thu tăng và ngược lại

Hình vẽ dưới đây chỉ rõ tín hiệu không có fading(1) và tín hiệu chịu ảnhhưởng của fadinh(2)

Độ dịch tần Δf cho xe cộ di chuyển với vận tốc v và ở tần số fo được tínhnhư sau:Δf ≈ v x fo/c

Với c là vận tốc ánh sáng (3x 108 m/s)

(Công thức cho rằng v<<c, là đúng cho môi trường thu - phát)

Hình 1.12 Hiệu ứng của độ lệch Doppler

1.11 OFDMA

OFDMA sử dụng giống với kỹ thuật OFDM, nhưng thêm vào chức năngchia tổng số sóng mang bằng cách sử dụng tín hiệu OFDM gộp thành các nhóm củacác sóng mang không kề nhau , mà những user khác nhau được chỉ định các sóngmang khác nhau Điều này là cần thiết với việc chia tổng số sóng mang OFDM đểcho nhiều hơn một người sử dụng ở một thời điểm Phần này sẽ được tìm hiểu kỹ ởchương sau.[3]

1.12 Kết luận chương

Qua những hiểu biết về OFDM ở trên, nó sẽ là cơ sở để ta có thể tìm hiểu sâuhơn về chuẩn 802.16 OFDM của WIMAX Từ đó, có thể rút ra các kết luận nhưsau:

- Để khắc phục hiện tượng không bằng phẳng của đáp tuyến kênh cần dùngnhiều sóng mang, mỗi sóng mang chỉ chiếm một phần nhỏ băng thông, do vậy bịảnh hưởng không lớn của đáp tuyến kênh đến dữ liệu nói chung

-Số sóng mang càng nhiều càng tốt nhưng cần phải có khoảng bảo vệ đểtránh can nhiễu giữa các sóng mang Tuy nhiên để tận dụng tốt nhất thì dùng cácsóng trực giao, khi đó các sóng mang có thể trùng lắp nhau mà vẫn không gây cannhiễu

Hình 1.13 Sự sắp xếp theo hai chiều trong OFDMA

CHƯƠNG 2

GIỚI THIỆU VỀ WIMAX

2.1 Giới thiệu chương

Chương này giới thiệu về WiMax, lịch sử phát triển của chuẩn IEEE 802.16,cấu trúc và các thông số kỹ thuật của chuẩn 802.16 OFDM, 802.16-2004 OFDMA ,802.16e cũng như tìm hiểu một cách khái quát về lớp MAC và lớp PHY Qua đó,giúp người đọc hiểu được những ưu điểm và nhược điểm của Wimax so với các thế

hệ trước

2.2 Khái niệm về WiMax[2]

WiMax là một mạng không dây băng thông rộng viết tắt là WorldwideInteroperability for Microwave Access WiMax được thiết kế dựa vào tiêu chuẩnIEEE 802.16 WiMax đã giải quyết tốt nhất những vấn đề khó khăn trong việc quản

lý đầu cuối

WiMax sử dụng kỹ thuật sóng vô tuyến để kết nối các máy tính trong mạngInternet thay vì dùng dây để kết nối như DSL hay cáp, modem Trong Wimax,người sử dụng có thể sử dụng trong phạm vi từ 3 đến 5 dặm so với trạm chủ (BS)nếu thiết lập một đường dẫn công nghệ NLOS (Non-Line-Of-Sight) với tốc độtruyền dữ liệu rất cao là 75Mbps Còn nếu người sử dụng trong phạm vi lớn hơn 30dặm so với trạm chủ (BS) thì sẽ có anten sử dụng công nghệ LOS (Line-Of-Sight)với tốc độ truyền dữ liệu gần bằng 280Mbps

Nếu so với Wimax thì WiLANs (Wireless Local Area Networks) cũng làmạng không dây kết nối các thiết bị trong một phạm vi hẹp hơn so WiMax như làmột văn phòng hay một gia đình Các thiết bị theo chuẩn 802.11b sẽ cung cấp tốc

độ 11Mbps và các thiết bị theo chuẩn 802.11g sẽ cung cấp tốc độ 54Mbps

Bảng 2.1 So sánh giữa WiLANs và WiMAX

WiLAN 802.11b Internal Up to 11Mbps

Bảng trên cho ta thấy WiMax có tốc độ truyền dữ liệu lớn hơn so vớiWiLANs Chính điều này đã làm cho WiMax trở nên ưu điểm hơn so với mạngkhông dây khác

2.3 Khái niệm về IEEE 802.16[8]

Ngày nay đã có rất nhiều hệ thống mạng không dây ra đời như là WiFi,bluetooth nhưng chúng không bằng những ưu điểm mà WiMax đã thể hiện Trongvài năm gần đây, những vấn đề đang được quan tâm hiện nay như bảo mật, QoS,giá thành và những vấn đề khác nữa… gặp rất nhiều khó khăn Nhưng đối vớiWiMax thì những vấn đề trên trở nên khá đơn giản, nó đáp ứng được nhu cầuinternet không dây do chính WISPs (Wireless Internet Providers) cung cấp với giá

Hình 2.1 Sự hoạt động của mạng WiMax

thành rẻ và tốc độ truyền cao khi kết nối đến thiết bị đầu cuối trong một khoảngcách truyền lớn.

Về tiêu chuẩn, WiMax là một bộ tiêu chuẩn dựa trên họ tiêu chuẩn 802.16của IEEE nhưng hẹp hơn và tập trung vào một số cấu hình nhất định Hiện có 2chuẩn của WiMax là 802.16-2004, 802.16-2005

- Chuẩn 802.16-2004 (trước đó là 802.16 REVd) được IEEE đưa ra tháng 7năm 2004 Tiêu chuẩn này sử dụng phương thức điều chế OFDM và có thể cungcấp các dịch vụ cố định, nomadic (người sử dụng có thể di chuyển nhưng cố địnhtrong lúc kết nối) theo tầm nhìn thẳng (LOS) và không theo tầm nhìn thẳng(NLOS)

- Chuẩn 802.16-2005 (hay 802.16e) được thông qua IEEE tháng 12/2005.Tiêu chuẩn này sử dụng phương thức điều chế SOFDMA (Scalable OrthogonalFrequency Division Multiplexing), cho phép thực hiện các chức năng chuyểnvùng(handover) và chuyển mạng(roaming) nên có thể cung cấp đồng thời dịch vụ

cố định, nomadic, mang xách được (người sử dụng có thể di chuyển với tốc độ đibộ), di động hạn chế và di động

IEEE 802.16 sử dụng ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM như

là phương pháp truyền cho kết nối NLOS Tín hiệu OFDM được tạo từ nhiều sóngmang trực giao và mỗi một sóng mang được điều chế số với tốc độ ký tự thấp.WiMax có băng thông không phải là một hằng số mà thay đổi từ 1.25MHz đến28MHz Trong chuẩn IEEE 802.16-2004, một khác biệt có thể nhận thấy được giữahai phương pháp: OFDM và OFDMA Trong chế độ OFDM thông thường, 200sóng mang đã có sẵn cho việc truyền dữ liệu và cả hai phương pháp song công TDD

và FDD đều được sử dụng Còn đối với chế độ OFDMA, những thuê bao khác nhau

có thể được phục vụ đồng thời bởi việc cho mỗi thuê bao một nhóm sóng mangriêng biệt để mang dữ liệu đến thuê bao đó Số lượng sóng mang có thể tăng lênmột cách đáng kể Chuẩn IEEE 802.16e là một chuẩn mở rộng của WiMax ở tần số

6 GHz với mục đích ứng dụng trong di động Lịch sử phát triển của các loại chuẩnIEEE 802.16 được cho trong hình sau (Hình 2.2)

2.4 Giới thiệu chuẩn 802.16 OFDM

802.16 sử dụng kỹ thuật truy cập OFDM mà đã được sử dụng trong các hệthống khác như 802.11a Những đặc điểm mới chính trong lớp PHY - quan hệ với802.11a là: số sóng mang FFT dài hơn ( từ 64-FFT đến 256-FFT); thay đổi đượcbăng thông kênh và tần số lấy mẫu, và thay đổi được tỷ số của hai giá trị này; nhiềungười sử dụng được với một Tx burst; loại điều chế có thể thay đổi theo thời giantrong khung; bốn thay cho hai giá trị khoảng bảo vệ cần thiết

Bảng 2.2 Các tiêu chuẩn của 802.16

Hình 2.2 Từ 802.11b tới 802.16e

2.4.3 Chức năng phân kênh (Subchannelization)[2]

WIMAX được thiết kế để vận hành như là một mạng cơ sở hạ tầng, và sự phân chiatài nguyên này cũng là một vấn đề quan trọng

Với WIMAX ( OFDM và OFDMA), Subchannelization cho phép ta nhómhoàn toàn một số các sóng mang OFDM thành các block và phân cho mỗi blockthành các segment khác nhau của trạm BS Những block được trải ra trên hoàn toànvùng tần số và gồm một số các sóng mang liên tiếp nhau Subchannel index điềukhiển sử dụng những Block khác nhau trên toàn bộ phổ

Số sóng mang dữ liệu hoàn tất (192) có thể được chia thành 2, 4, 8 hoặc 16Subchannel Tất cả các sóng mang được trải trên 4 vùng " regions" khác nhau củavùng tần số

Nếu bốn Subchannel được sử dụng như ví dụ dưới đây, sẽ có 16/4 = 4subchannel khác nhau và 192/4 = 48 sóng mang trên subchannel, mà được chia trên

4 "region" khác nhau, vì vậy có thể coi 48/4 = 12 sóng mang liên tiếp / subchannelblock

2.4.4 Cấu trúc khung

Một khung được chia thành các khung nhỏ DL và UL Những khung nhỏ DL

và UL được bắt đầu với ô preamble (cho biết giới hạn số sóng mang của symbol) đểtìm lại thông tin về kênh truyền và cho phép máy thu tìm lại đáp ứng kênh Ô FCH

Hình 2.3 Subchannelization với 4 kênh sử dụng

và DL MAP chứa thông tin về nội dung khung (vị trí và kiểu điều chế của mỗiburst) và được điều chế - BPSK (hình 2.4)

2.5 Chuẩn 802.16-2004 OFDMA

2.5.1 Giới thiệu chung

OFDMA mở rộng chức năng của OFDM bằng cách thêm vào đặc điểm đatruy cập trong miền tần số Điều này có nghĩa là băng thông được chia thành cáckhe cho người sử dụng trong miền thời gian và miền tần số

Điểm khác với chuẩn FDMA là các sóng mang OFDMA cho các user khácnhau là rất gần với nhau và cho phép các sóng mang vật lý có thể thay đổi từsymbol này đến symbol khác.

Như vậy thật là khó khăn để thiết kế một máy thu với khoảng cách sóngmang (subcarrier) thay đổi; các nhà sản xuất thì nghiên cứu để thực hiện các sự kếtnối của băng thông hệ thống và kích thước FFT để đưa ra khoảng cách sóng mang

cố định

Bảng dưới đây đưa ra sự thiết lập hợp lý cho các băng thông hệ thống vàkích cỡ FFT khác nhau

Bảng 2.5 Tham số vật lý của OFDMA

2.5.2 Tổng quát về khung (Frame)

Hình vẽ dưới đây giới thiệu một cách khái quát về khung OFDMA

Hình 2.6 Cấu trúc khung OFDMA

2.5.3 Các phần trong khung (Frame Parts)

UL và DL được tách ra bởi các khe hở: transmit transition gap(TTG) saukhung con DL và receive transition gap(RTG) sau khung con UL

Trong DL có 4 thành phần mà nó mang thông tin cho phép máy thu giải điềuchế tín hiệu : preamble, FCH, DL-MAP và UL-MAP

Bốn thành phần này trong cấu trúc 802.16-2004 được sử dụng cho việctruyền thêm thông tin tín hiệu cần thiết trong tín hiệu OFDMA

2.5.3.1 Preamble

Ô preamble là ô bắt đầu của mỗi khung downlink Nó bao gồm các sóngmang điều chế-BPSK và có độ dài 1 symbol OFDMA

Preamble được sửdụng vào hai mục đích:

- Bố trí tuần tự pilot vào trong ô preamble để làm cho nó dễ dàng hơn chomáy thu trong việc đánh giá lỗi tần số và pha và để đồng bộ với máy phát Chúngđược sử dụng để đánh giá và cân bằng kênh

- Số sóng mang preamble sử dụng để chỉ ra 3 segment được sử dụng CácSóng mang 0,3,6 chỉ ra rằng segment 0 là được sử dụng, các sóng mang 1,4,7 chỉ ra segment 1 được dùng, và các sóng mang 2,5,8, chỉ ra segment 3 được dùng

2.5.3.2 FCH

Frame control header(FCH) được điều chế QPSK và có độ dài 2 symbolOFDMA Vị trí vật lý của trường FCH là cố định, để khi trong preamble không cóthông tin thì nó sẽ mô tả địa chỉ

Nội dung của FCH mô tả Subchannel sử dụng, độ dài của DL-MAP và cáctham số truyền dẫn khác sẽ được cho dưới đây:

2.5.3.3 DL-MAP /UL-MAP

DL-MAP (downlink map) mô tả vị trí của các burst chứa trong DownlinkZones Nó gồm số các downlink burst, độ dài của chúng theo cả hướng thời gian(=symbol) và tần số (= subchannel)

UL-MAP (uplink map) được truyền như burst đầu tiên trong đườngxuống(downlink) và gồm các thông tin về vị trí của UL burst cho các người sử dụngkhác nhau

2.6 Chuẩn 802.16e

802.16e là sự phát triển cao hơn của 802.16-2004 Chuẩn này bao gồm tất cảcác đặc điểm của 802.16-2004 và thêm một số chức năng khác

Bảng 2.6 So sánh các loại giao diện của lớp PHY

Hầu hết các đặc điểm được thêm vào lớp cao hơn( đặc biệt là lớp MAC và một số

Modulation

QPSK,16QAM,64QAM

BPSK,QPSK,16QAM,64QAM,256QAM

QPSK,16QAM,64QAM

QPSK,16QAM,64QAM

- Sự thay đổi quan trọng là 802.16e không chỉ cung cấp size FFT 2048 màcòn thêm các size FFT khác(1024,512, và 128).

- Tất cả các thông số khác (Nused, số subchannel ) sẽ thay đổi theo kíchthước FFT

- Số nhóm subchannel bị giảm đi 3( số 0 ,2, và 4) cho size FFT 128 và 512

- Nội dung FCH được thu ngắn lại đối với size FFT 128

- Hệ số lấy mẫu 86/75,144/125, 316/275 và 57/50 đã thay bởi 28/25

2.7 Lớp MAC và lớp PHY trong WIMAX

2.7.1 Giới thiệu chung

Mô hình của chuẩn IEEE 802.16 có 3 phần : khối người dùng (user), khối điềukhiển (control), khối quản lý (managerment) như trong hình 2.7

Tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004 liên quan đến khối người dùng và khối điềukhiển Nó định nghĩa hai lớp trong các khối này: lớp MAC (Medium AccessControl Layer), lớp vật lý PHY(Physical Layer) Lớp MAC gồm có 3 lớp con: CS

(Service-Specific Convergence Sublayer), MAC CPS (MAC Common Part

Hình 2.7 Khối giao thức

được yêu cầu cho quá trình lưu thông lớp MAC CPS giải quyết vấn đề truyền tinkhông 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 vàthích nghi với môi trường không dây Lớp PHY sử dụng 5 loại giao diện:

• WirelessMAN-SCTM (Line of Sight - LOS)

• WirelessMAN-SCaTM (Non Line of Sight - NLOS)

2.7.2 Lớp MAC

Lớp MAC chuẩn IEEE 802.16 cung cấp giao diện hoạt động độc lập với lớpvật lý do giao diện lớp vật lý là giao diện vô tuyến Phần chủ yếu của lớp MAC tậptrung vào việc quản lý tài nguyên trên airlink(lien kết vô tuyến) Giải quyết đượcbài toán yêu cầu tốc độ dữ liệu cao trên cả hai kênh downlink và uplink Các cơ chếđiều khiển truy cập và thuật toán cấp phát băng thông hiệu quả có khả năng đáp ứngcho hàng trăm đầu cuối trên mỗi kênh

Lớp MAC chuẩn IEEE 802.16 được xây dựng dựa trên kiến trúc tập trung,

hỗ trợ mô hình Point-to-Point, Point-to- Multipoint và Mesh Trạm BS đóng vai tròtrung tâm với một ăngten-sectơ hóa có khả năng điều khiển đồng thời nhiều sectơđộc lập đồng thời

Các giao thức MAC chuẩn 802.16 là hướng kết nối Vào thời điểm truy cậpmạng, mỗi SS sẽ tạo một hoặc nhiều kết nối để truyền tải dữ liệu trên cả hai hướng.Đơn vị lập lịch lớp MAC sẽ sử dụng tài nguyên airlink để cung cấp mức QoS phân

và truyền lại tự động ARQ nhằm duy trì thong lượng tối đa với tỷ lệ lỗi bit (BER)chấp nhận được Lớp MAC chuẩn IEEE 802.16 cũng điều khiển quá trình truy nhập

và rời khỏi mạng của SS, thực hiện tạo và truyền các đơn vị dữ liệu giao thức PDU.Ngoài ra, lớp MAC chuẩn IEEE 802.16 còn cung cấp lớp con hội tụ đặc tả dịch vụ

hỗ trợ lớp mạng tế bào ATM và lớp mạng gói

Lớp MAC chuẩn IEEE 802.16 bao gồm 3 lớp:

2.7.2.1 Lớp SSCS (Service-Specific Convergence Sublayer)

Lớp này có chức năng thu nhận và phân loại PDUs từ lớp cao hơn ,dữ liệungoài vào từ Common sublayer thông qua SAP của nó để tạo thành MAC SDU sau

đó phân loại chúng nhờ vào CID

2.7.2.2 Lớp CPS (Common Part Sublayer)

MAC CPS là nguyên nhân tạo ra môt số chức năng quan trọng Nó là tất cảcác đặc tính kỹ thuật chung cho CS Sau đây sẽ nói rõ hơn các chức năng đó

WiMax sử dụng phương pháp định hướng trực tiếp Điều này có nghĩa làtrước khi gởi một vài dữ liệu của người sử dụng thì phải thiết lập kết nối giữa một

SS và một BS hay giữa các SS với nhau Multicast cũng được hỗ trợ và chỉ truyềnvới dữ liệu 16 bit trên mỗi đường truyền Có 4 loại kết nối: cơ sở (base), sơcấp(primary), thứ cấp (secondary) và dữ liệu (data) Loại kết nối dữ liệu được sửdụng để truyền thông tin của người dùng, trong khi 3 loại còn lại thì được sử dụng

để truyền thông tin điều khiển gọi là kết nối quản lý MAC

Mỗi SS có 3 kết nối quản lý :

Packet PDU (e.g., IP packet, Ethernet Packet) PHSI

MAC SDU = CS PDU

Payload Header Suppression Index Optional, Depending on upper layer protocol

Hình 2.8 Cấu trúc của MAC SDU ( Service Data Unit )

- Basic Connection (kết nối cơ sở): được sử dụng cho những thông tin cóthời gian ngắn.

- Primary Management connection (kết nối quản lý sơ cấp): được sử dụngcho những kết nối dài hơn, có độ trễ thông tin nhiều hơn

- Secondary Management Connection (kết nối quản lý thứ cấp): được dùngcho các thông tin quản lý lớp cao hơn và dữ liệu cấu hình SS

MAC PDU chia thành 3 phần: phần đầu GMH (Generic MAC Header) dùng

6 bytes, phần tải payload, mã kiểm tra dư thừa chu kỳ CRC (Cyclic RedundancyChecking) sử dụng 4 bytes

Hình 2.9 Hình dạng của MAC PDU

Độ dài lớn nhất của một MAC PDU là 2Kbytes Phần CRC chỉ được sử dụngnếu SS yêu cầu trong các thông số QoS

Generic Header có hai loại :GMH và BRH (Bandwidth Request Header).Loại thứ nhất là GMH dùng để gửi bản tin quản lý MAC chuẩn Loại thứ hai làBRH, loại này chỉ đi một mình không sử dụng phần tải

BRH MSDU (truyền tải gói tin, phân CRCHình 2.10 So sánh hai loại Generic Header của MAC PDU

Bảng 2.7 Bảng thông số của MAC Header

Dùng để mô tả CRC1=CRC được thêm vào PDU0=CRC không được thêm vào PDU

Điều khiển mã hoá0=Payload không được mã hoá1=Payload được mã hoá

Chuỗi khoá mãĐược dùng để mã hoá payload Trường này chỉ có nghĩa nếutrường EC được được set bằng 1

Chuỗi kiểm tra HeaderTrường 8-bit dùng để dò tìm các lỗi trong header Đa thứcsinh là g(D) = D8 + D2 – D – 1

Trong hình 2.11 mô tả hình dạng của Generic MAC Header HT viết tắt là HeaderType (HT bit) nó có giá trị 0 cho GMH, có giá trị 1 cho BRH Vùng Type chứathông tin về bản tin quản lý được lưu trữ trong phần tải (payload) Vùng EKS được

LENmsb(3)

H

T

CID msb (8)

LEN lsb (8)

Generic MAC Header Format

(Header Type (HT) = 0) BW Req Header Format (Header Type (HT) =1)

E

C Type (6 bits)

rs v

C I

EKS (2)

rs

msb (8)

H T

CID msb (8)

BWS Req lsb (8) E

C Type (6 bits)

sử dụng để chắc chắn rằng trạm BS và trạm SS phải được đồng bộ hoá nhau trongkhi sử dụng các khoá mật mã lưu thông và các vectơ ban đầu IV (InitialisingVectors) Các thông số đặc trưng trong MAC Header trong (bảng 2.7).

• Sự đóng gói dữ liệu (Data Packet Encapsulations):

- MAC PDUs được truyền trong PHY Bursts

- PHY burst có thể gồm có nhiều FEC blocks

- MAC PDUs có thể là nhiều FEC block

OFDM symbol 1

PHY Burst

(e.g., TDMA burst) Preamble

OFDM symbol 2

OFDM symbol n

HT MAC PDUPayload CRC

Multiple MAC PDUs are concatenated into the same PHY burst

Hình 2.13 Sự đóng gói MAC PDU

P H SI

MAC PDU

Ethernet Packet

Ethernet Packet

Packet PDU (e.g., Ethernet)

CS PDU (i.e., MAC SDU)

HT

FEC block 1

CRC MAC PDU Payload

OFDM symbol 1

PHY Burst

(e.g., TDMA burst) Preamble

OFDM symbol 2

OFDM symbol n

Hình 2.12 Sự đóng gói dữ liệu

• QPSK, 16QAM, 64QAM, (256QAM).

và WirelessMAN-OFDMA

• WirelessMAN-SCa: đây là giao diện sử dụng điều chế sóng mang đơn

với 256 sóng mang

trực giao với 2048 sóng mang để cung cấp nhiều hơn một sóng mang trênmột trạm thuê bao SS

Ngày nay, do FFT cho phép làm việc với số lượng sóng mang lớn nênWirelessMAN-HUMAN đã ra đời

2.7.3.2 Phương pháp ghép (Duplexing)

Có hai phương pháp song công: song công phân chia theo thời gian TDD

Division Duplexing) Trong FDD, quá trình truyền trao đổi hai hướng ở hai tần sốkhác nhau trong khi TDD thì chỉ sử dụng một tần số duy nhất nhưng lại ở nhữngthời gian khác nhau.

- Khung TDD gồm hai phần: downlink subframe và uplink subframe

- FDD cần có 2 kênh, một đường lên (uplink), một đường xuống (downlink).Với TDD chỉ cần 1 kênh tần số, lưu lượng đường lên và đường xuống được phânchia theo các khe thời gian

2.8 Các kỹ thuật sử dụng trong WiMAX để khắc phục những ảnh hưởng của môi trường NLOS[5]

Các kỹ thuật được sử dụng để giải quyết hay giảm nhẹ những ảnh hưởng trong môitrường NLOS của WiMAX là:

• Phân tập phát và thu

• Điều chế thích nghi

• Kỹ thuật sửa lỗi

Hình 2.17 Vị trí NLOS của CPE

Những tác dụng của những kỹ thuật này trong việc khắc phục lỗi sẽ được đề cập

ở chương sau

2.9 Ứng dụng[9]

Công nghệ WiMAX là giải pháp cho nhiều loại ứng dụng băng rộng tốc độcao cùng thời điểm với khoảng cách xa và cho phép các nhà khai thác dịch vụ hội tụtất cả trên mạng IP để cung cấp các dịch vụ "ba cung": dữ liệu, thoại và video

WiMAX với sự hỗ trợ QoS, khả năng vươn dài và công suất dữ liệu caođược dành cho các ứng dụng truy cập băng rộng cố định ở những vùng xa xôi, hẻolánh nơi công nghệ chưa đến được, cũng như cho các khu vực thành thị ở các nướcđang phát triển

WiMAX cũng cho phép các ứng dụng truy cập xách tay, với sự hợp nhấttrong các máy tính xách tay và PDA, cho phép các khu vực nội thị và thành phố trởthành những "khu vực diện rộng" nghĩa là có thể truy cập vô tuyến băng rộng ngoàitrời Do vậy, WiMAX là một công nghệ bổ sung bình thường cho các mạng di động

vì cung cấp băng thông lớn hơn và cho các mạng Wi-Fi nhờ cung cấp kết nối băngrộng ở các khu vực lớn hơn

2.10 Kết luận chương

Qua những hiểu biết ở trên về Wimax, thì có thể đưa ra những đánh giá về

ưu cũng như nhược điểm của Wimax như sau:

- Ưu điểm của WiMAX di động so với công nghệ 3G dựa trên CDMA:

Hình 2.18 Một ví dụ ứng dụng WiLAN và WiMax

• Khả năng chịu được nhiễu đa đường và nhiễu cục bộ

• Mưa lớn sẽ gây nhiễu đến các thiết bị

WiMax trong phạm vi làm việc của nó nên đó chính là nguyên nhân gây raviệc trôi dữ liệu trong quá trình truyền dẫn kết nối các thiết bị trong mạngWiMax

CHƯƠNG 3

ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỄU TRONG WiMAX VÀ CÁC BIỆN PHÁP

KHẮC PHỤC

3.1 Giới thiệu chương

Trong chương này, em sẽ trình bày những trở ngại lớn được thể hiện trongkênh không dây băng rộng thay đổi theo thời gian Xác định các ảnh hưởng cơ bảncủa nhiễu trong các kênh băng rộng không dây Từ đó, tìm ra những biện pháp đối