§¹i häc quèc gia Hµ néi Tr−êng ®¹i häc c«ng nghÖ Hoµng Trïng D−¬ng HÖ ®a sãng mang - ®a ng−êi dïng: c«ng nghÖ wimax Vµ líp vËt lý ieee 802.16 LuËn v¨n th¹c sÜ Hµ Néi - 2006 §¹i häc quèc gia Hµ néi Tr−êng ®¹i häc c«ng nghÖ Hoµng Trïng D−¬ng HÖ ®a sãng mang - ®a ng−êi dïng: c«ng nghÖ wimax Vµ líp vËt lý ieee 802.16 Ngµnh: C«ng nghÖ §iÖn tö - ViÔn th«ng Chuyªn ngµnh: Kü thuËt v« tuyÕn ®iÖn tö vµ th«ng tin liªn l¹c M· sè: 2.07.00 LuËn v¨n th¹c sÜ Ng−êi h−íng dÉn khoa häc: PGS TS NguyÔn ViÕt KÝnh Hµ Néi - 2006 MỤC LỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ I DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU IV MỞ ĐẦU VII CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN WIMAX 1.1. Giới thiệu 1 1 1.1.1. Sự ra đời của WiMAX 1 1.1.2. Cơ chế hoạt động chung của WiMAX 2 1.1.3. Các đặc điểm chung của WiMAX 3 1.2. So sánh WiMAX với WiFi 5 1.2.1. Các chuẩn 802.11 5 1.2.2. So sánh WiFi và WiMAX 5 1.3. WiMAX và các chuẩn 802.16 6 1.4. Cấu trúc PMP của WiMAX 10 1.5. Lợi ích của công nghệ 802.16 11 1.6. Một số ứng dụng điển hình 12 CHƯƠNG 2 - KỸ THUẬT OFDM 15 2.1. Giới thiệu 15 2.2. Đa đường và hiệu suất phổ trong OFDM 16 2.3. Các đặc tính kỹ thuật cơ bản của OFDM 18 2.4. Tính trực giao và dải bảo vệ 20 2.5. Phép biến đổi Fourier rời rạc 23 2.6. Các ưu điểm cơ bản của kỹ thuật OFDM 26 CHƯƠNG 3 - LỚP VẬT LÝ IEEE 802.16 27 3.1. Hệ 10-66 GHz 27 3.2. Hệ 2-11 GHz 28 3.3. Chi tiết lớp vật lý IEEE 802.16 28 3.3.1. Kiểm soát lỗi 28 3.3.2. Định khung 30 3.3.3. Lớp con hội tụ truyền dẫn 37 3.4. Quy trình hoạt động của thiết bị ở lớp vật lý 38 3.4.1. Quá trình ngẫu nhiên 38 3.4.2. Kiểm soát lỗi hướng thuận FEC 39 3.4.3. Bộ điều chế và giải điều chế 43 3.4.4. Đồng chỉnh khung 46 3.4.5. Xử lý IFFT ở khối phát và FFT ở khối thu 48 3.4.6. Chèn và gỡ bỏ dải bảo vệ 49 3.4.7. Chế độ kênh 50 3.4.8. Bộ cân bằng và bộ ước lượng kênh 51 CHƯƠNG 4 - MÔ PHỎNG LỚP VẬT LÝ IEEE 802.16a OFDM VỚI PHẦN 52 MỀM MATLAB7 4.1. Mục đích mô phỏng 52 4.1.1. Các giới hạn mô phỏng 52 4.1.2. Các thông số chính của chương trình mô phỏng 52 4.1.3. Mô tả nội dung kịch bản điều chế 53 4.2. Ý nghĩa các thông số trong chương trình mô phỏng 4.2.1. Menu Filesname 54 54 4.2.2. Menu Framing 55 4.2.3. Các tham số trong cửa sổ chính 55 4.3. Phân tích chương trình mô phỏng 57 4.3.1. Các bộ thông số điều chế 57 4.3.2. Ảnh hưởng của nhiễu 62 4.3.3. Đồ thị tương quan 65 4.3.4. Đồ thị mật độ phổ công suất 68 4.3.5. Các kênh con 75 KẾT LUẬN 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 PHỤ LỤC Mà CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG 81 CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng bổ sung AGC Analog Gain Controller Bộ điều khiển tăng ích tương tự BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit BPSK Binary Phase-shift Keying Dịch pha nhị phân BS Base Station Trạm gốc BTS Base Transmission Station Trạm thu phát gốc BP Burst Profile Cơ chế cụm BWA Broadband Wireless Access Truy nhập vô tuyến băng rộng CCC Configuration Changing Counter Bộ đếm thay đổi cấu hình CID Connection Identifier Bộ nhận dạng kết nối CP Cycle Prefix Tiền tố lặp CPE Common Phase Error Lỗi sai pha chung DAC Digital to Analog Converter Bộ chuyển đổi tương tự số DCD Downlink Channel Descriptor Bộ mô tả kênh đường xuống DFT Discrete Fourier Transformation Biến đổi Fourier rời rạc DU Discrambler Unit Bộ giải trộn DIUC Downlink Interval Usage Code Mã sử dụng khoảng xung nhịp đường xuống DL-MAP Downlink Map Ánh xạ đường xuống DL Downlink Đường xuống FCH Frame Control Header Mào đầu điều khiển khung FDD Frequency Division Duplexing Truyền song công phân chia theo tần số I FEC Forward Error Correction Kiểm soát lỗi hướng thuận FFT Fast Fourier Transformation Biến đổi Fourier nhanh FGP Field Generator Polynomial Đa thức sinh trường FIFO First In First Out Cơ chế dữ liệu vào trước sẽ ra trước GI Guard Interval Khoảng bảo vệ ICI Inter Carrier Interference Nhiễu giữa các sóng mang IDFT Inverse DFT Biến đối Fourier rời rạc ngược IFFT Inverse FFT Biến đối Fourier nhanh ngược ISI Inter Symbol Interference Nhiễu giữa các ký hiệu LAN Local Area Network Mạng cục bộ LOS Line Of Sight Đường truyền tầm nhìn thẳng MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập phương tiện MAN Metropolitan Area Network Mạng đô thị MCM Multi Carrier Modulation Điều chế đa sóng mang NCO Numerically Controlled Oscillator Bộ dao động được điều khiển số học NLOS Non Line Of Sight Đường truyền không nhìn thẳng OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OLOS Obstructed Line Of Sight Đường truyền tầm nhìn thẳng bị che chắn PAR Peak to Average Ratio Công suất tương đối cực đại PDU Protocol Data Unit Đơn vị dữ liệu giao thức II PHY Physical Layer Lớp vật lý PLL Phase Locked Loop Vòng lặp khóa pha PMP Point-to-multipoint Điểm tới đa điểm PRBS Pseudo-random Binary Sequence Chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên PWM Pulse-width Modulation Điều chế độ rộng xung QAM Quadrature Amplitude Modulator Bộ điều biên cầu phương QoS Quality of Service Chất lượng của dịch vụ QPSK Quadrature Phase Shift Keying Dịch pha theo góc cầu phương RTD Round Trip Delay Trễ toàn chu trình SNR Signal-to-Noise Tỷ lệ tín hiệu/nhiễu SS Subscriber Station Trạm thuê bao TBS Transport Block Size Kích thước khối vận chuyển TC Transmission Convergence Hội tụ truyền dẫn TDD Time Division Duplexing Truyền song công phân chia theo thời gian UCD Uplink Channel Descriptor Bộ mô tả kênh đường lên UIUC Uplink Interval Usage Code Mã sử dụng khoảng xung nhịp đường lên UL-MAP Uplink Map Ánh xạ đường lên WAN Wide Area Network Mạng diện rộng Wifi Wireless Fidelity Mạng không dây cự ly ngắn WiMAX Worldwide Interoperabitity for Microwave Access Khả năng tương tác toàn cầu với truy nhập vi ba III DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU STT Số Tên hình vẽ Trang 1 1.1 Ứng dụng WiMAX 2 2 1.2 Mô hình truyền thông của WiMAX 3 3 1.3 Mô hình phân lớp trong hệ thống WiMAX so sánh với OSI 4 4 1.4 IEEE802.16 và ETSI-HiperMAN 7 5 1.5 Các chuẩn kết nối không dây 8 6 1.6 Mô hình triển khai WiMAX 14 7 1.7 802.16 cho phép truyền thông điểm đa điểm NLOS và truyền mạng trục LOS 14 8 2.1 Đa đường trong các điều kiện kết nối NLOS 16 9 2.2 Cấu trúc ký hiệu OFDM, ISI và khoảng bảo vệ 17 10 2.3 Đồ thị ký hiệu OFDM 17 11 2.4 Nguyên lý tạo một ký hiệu OFDM 19 12 2.5 Dạng phổ của một ký hiệu OFDM 20 13 2.6 Nguyên lý của quá trình giải điều chế OFDM 21 14 2.7 Thêm CP vào ký hiệu OFDM 22 15 2.8 Sơ đồ khối các quá trình điều chế, giải điều chế OFDM sử dụng FFT 25 16 3.1 Cơ chế kiểm soát lỗi lớp Vật lý 29 17 3.2 Cấu trúc khung con đường xuống 31 18 3.3 Khuôn dạng thông điệp DL-MAP 32 19 3.4 Khuôn dạng thông điệp DCD 33 20 3.5 Khuôn dạng thông điệp UL-MAP 34 IV 21 3.6 Khuôn dạng thông điệp UCD 34 22 3.7 Cấu trúc khung con đường lên 35 23 3.8 Định dạng TC-PDU 37 24 3.9 Quy trình hoạt động của lớp Vật lý ở khối phát và khối thu 38 25 3.10 Bộ trộn và giải trộn 39 26 3.11 Sơ đồ khối kiểm soát lỗi FEC 40 27 3.12 Nguyên lý bộ mã hoá chập 41 28 3.13 Sơ đồ khối bộ mã chập 41 29 3.14 Sơ đồ khối bộ giải mã Viterbi 42 30 3.15 Sơ đồ khối bộ điều chế 43 31 3.16 Sơ đồ khối bộ giải điều chế 45 32 3.17 PRBS cho điều chế bit dẫn đường 46 33 3.18 Cấu trúc khung FDD OFDM PHY đường xuống 47 34 3.19 Mào đầu dài đường xuống 47 35 3.20 Dạng phổ của tín hiệu OFDM 48 36 4.1 Sơ đồ khối bộ điều chế 53 37 4.2 Giản đồ chòm sao của tín hiệu giải điều chế đường xuống với Rate ID=0 59 38 4.3 Giản đồ chòm sao của tín hiệu giải điều chế đường xuống với Rate ID=4 60 39 4.4 Giản đồ chòm sao của tín hiệu giải điều chế đường lên với Rate ID=0 61 40 4.5 Giản đồ chòm sao của tín hiệu giải điều chế đường lên với SNR=20dB 63 41 4.6 Giản đồ chòm sao của tín hiệu giải điều chế đường lên với SNR=99dB 64 V 42 4.7 Đồ thị tương quan của tín hiệu giải điều chế đường lên 66 43 4.8 Đồ thị tương quan của tín hiệu giải điều chế đường xuống 67 44 4.9 Phổ của tín hiệu giải điều chế đường xuống 69 45 4.10 Phổ của tín hiệu giải điều chế đường lên 70 46 4.11 Phổ của tín hiệu giải điều chế đường xuống với SNR= 99dB 71 47 4.12 Phổ của tín hiệu giải điều chế đường xuống với SNR= 5dB 72 48 4.13 Phổ của tín hiệu giải điều chế đường xuống với RateID = 0 73 49 4.14 Phổ của tín hiệu giải điều chế đường xuống với RateID = 5 74 50 4.15 Phổ của tín hiệu giải điều chế đường lên với 4 kênh con 76 51 4.16 Phổ của tín hiệu giải điều chế đường lên với 7 kênh con 77 STT Số Tên bảng 1 3.1 Mô tả trường của thông điệp DL-MAP 32 2 3.2 Mô tả trường của thông điệp DCD 33 3 3.3 Mô tả trường của thông điệp UL-MAP 34 4 3.4 Mô tả trường của thông điệp UCD 35 5 3.5 Mã hoá kênh bắt buộc trên điều chế 44 Trang VI MỞ ĐẦU Ngày nay, sự phát triển công nghệ diễn ra vô cùng mạnh mẽ trên mọi lĩnh vực. Để đáp ứng sự phát triển đó, yêu cầu về hạ tầng truyền dẫn ngày càng cao. Truyền thông vô tuyến cũng nằm trong xu hướng đó. Từ mục đích ban đầu chỉ là truyền dẫn không dây các số liệu đơn giản, ngày nay, yêu cầu về truyền tin không chỉ bó hẹp như vậy mà còn phải thỏa mãn truyền âm thanh, hình ảnh, truyền hình chất lượng cao. Các chuẩn công nghệ nối tiếp nhau ra đời để phục vụ mục đích đó. Ở thời điểm này, Wi-Fi là công nghệ mạng không dây thống lĩnh trong các gia đình và văn phòng. TV, đầu đĩa, đầu ghi và nhiều thiết bị điện tử gia dụng có khả năng dùng Wi-Fi đang xuất hiện ngày một nhiều. Điều đó cho phép người sử dụng truyền thông tin khắp các thiết bị trong nhà mà không cần dây dẫn. Mạng không dây trên cơ sở thiết lập đa điểm truy cập đang ngày càng phổ biến, cho phép người dùng truy nhập mạng, internet mọi lúc, mọi nơi. Điện thoại không dây sử dụng mạng Wi-Fi cũng đã có mặt ở các văn phòng. Tuy nhiên, Wi-Fi tiêu tốn khá nhiều năng lượng của các thiết bị cầm tay và thậm chí chuẩn 802.11g không thể hỗ trợ ổn định cho hơn một đường phát video. Hiện tại, thế hệ mạng đầu tiên dựa trên công nghệ mới WiMAX, hay gọi theo tên kỹ thuật là IEEE 802.16, đã ra đời và sẽ trở nên phổ dụng. Như chính cái tên của mạng này cho thấy, WiMAX chính là phiên bản phủ sóng diện rộng của Wi-Fi với thông lượng tối đa có thể lên đến 70 Mb/giây và tầm xa lên tới 50 km, so với 50 m của Wi-Fi hiện nay. Ngoài ra, trong khi Wi-Fi chỉ cho phép truy cập ở những nơi cố định tại điểm truy cập thì WiMax có thể bao trùm cả một thành phố hoặc nhiều tỉnh thành giống như mạng điện thoại di động. Xuất phát từ lý do nắm bắt công nghệ mới, luận văn trình bày tổng quan về WiMAX, công nghệ truyền dẫn OFDM, lớp vật lý IEEE 802.16a và mô phỏng quá trình của lớp vật lý này. VII CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN WIMAX 1.1. GIỚI THIỆU 1.1.1. Sự ra đời của WiMAX [17] Chúng ta đã biết đến các công nghệ truy nhập internet phổ biến hiện nay như quay số qua modem thoại (Dial Up), ADSL, các đường thuê kênh riêng (leased-line), hay sử dụng các hệ thống vô tuyến như điện thoại di động, hay mạng không dây WiFi. Mỗi phương pháp truy cập mạng có đặc điểm riêng. Đối với Modem thoại thì tốc độ quá thấp, ADSL tốc độ có thể lên tới 8Mbps nhưng phải có đường dây kết nối, các đường thuê kênh riêng thì giá thành đắt lại rất khó khăn khi triển khai ở các khu vực có địa hình phức tạp. Hệ thống thông tin di động hiện tại cung cấp tốc độ truyền 9,6Kbps quá thấp so với nhu cầu người sử dụng. Ngay cả các mạng thế hệ sau GSM như GPRS (2,5G) cho phép truy cập với tốc độ đến 171,2Kbps hoặc EDGE cũng chỉ tới 300400Kbps. Như vậy rõ ràng chưa thể đáp ứng nhu cầu sử dụng các dịch vụ mạng internet ngày càng tăng. Hệ thống di động thế hệ tiếp theo 3G thì tốc độ truy cập internet cũng không vượt quá 2Mbps. Còn với mạng WiFi thì chỉ có thể áp dụng cho các máy tính trao đổi thông tin với khoảng cách ngắn. Với thực tế như vậy, WiMAX (Khả năng tương tác toàn cầu với truy nhập vi ba) ra đời nhằm cung cấp một phương tiện truy cập Internet không dây tổng hơp có thể thay thế cho ADSL và WiFi. Hệ thống WiMAX có khả năng cung cấp đường truyền với tốc độ lên đến 70Mbit/s và với bán kính phủ sóng của một trạm anten phát lên đến 50km. Mô hình phủ sóng của mạng WiMAX tương tự như mạng điện thoại tế bào. Bên cạch đó, WiMAX cũng hoạt động mềm dẻo như WiFi khi truy cập mạng. Mỗi khi một máy tính muốn truy nhập mạng nó sẽ tự động kết nối với trạm anten WiMAX gần nhất. Diễn đàn WiMAX là một tổ chức của các nhà khai thác và các công ty thiết bị và cấu kiện truyền thông hàng đầu. Mục tiêu của Diễn đàn WiMAX là thúc đẩy và 1 chứng nhận khả năng tương thích của các thiết bị truy cập vô tuyến băng rộng tuân thủ chuẩn 802.16 của IEEE và các chuẩn HiperMAN của ETSI. Diễn đàn WiMAX được thành lập để dỡ bỏ các rào cản tiến tới việc chấp nhận rộng rãi công nghệ truy cập vô tuyến băng rộng BWA, vì riêng một chuẩn thì không đủ để khuyến khích việc chấp nhận rộng rãi một công nghệ. Theo mục tiêu này, Diễn đàn đã hợp tác chặt chẽ với các nhà cung cấp và các cơ quan quản lý để đảm bảo các hệ thống được Diễn đàn phê chuẩn đáp ứng các yêu cầu của khách hàng và của các chính phủ. Hình 1.1 - Ứng dụng WiMAX 1.1.2. Cơ chế hoạt động chung của WiMAX [18] Thực tế WiMAX hoạt động tương tự WiFi nhưng ở tốc độ cao và khoảng cách lớn hơn rất nhiều cùng với một số lượng lớn người dùng. Một hệ thống WiMAX gồm 2 phần: - Trạm phát: giống như các trạm BTS trong mạng thông tin di động với công suất lớn có thể phủ sóng một vùng rộng tới 8000km2 - Trạm thu: có thể là các anten nhỏ như các thẻ mạng cắm vào hoặc được thiết lập sẵn trên bảng mạch bên trong các máy tính, theo cách mà WiFi vẫn dùng. Các trạm phát BTS được kết nối với mạng Internet thông qua các đường truyền tốc độ cao dành riêng hoặc có thể được nối với một BTS khác như trạm trung chuyển bằng đường truyền thẳng LOS và chính vì vậy WiMAX có thể phủ sóng đến những vùng rất xa. 2 Các anten thu/phát có thể trao đổi thông tin với nhau qua các tia sóng truyền thẳng hoặc các tia phản xạ. Trong trường hợp truyền thẳng, các anten được đặt cố định trên các điểm cao, tín hiệu trong trường hợp này ổn định và tốc độ truyền có thể đạt tối đa. Băng tần sử dụng có thể dùng ở tần số cao đến 66 GHz vì ở tần số này tín hiệu ít bị giao thoa với các kênh tín hiệu khác và băng thông sử dụng cũng lớn hơn. Đối với các trường hợp nhiễu xạ, WiMAX sử dụng băng tần thấp hơn, 2-11GHz, tương tự như WiFi, ở tần số thấp tín hiệu dễ dàng vượt qua các vật cản, có thể phản xạ, nhiễu xạ, uốn cong, vòng qua các vật thể để đến đích. Hình 1.2 – Mô hình truyền thông của WiMAX 1.1.3. Các đặc điểm chung của WiMAX [19] WiMAX đã được tiêu chuẩn hóa ở IEEE 802.16. Hệ thống này là hệ thống đa truy cập không dây sử dụng công nghệ OFDMA có các đặc điểm sau: - Khoảng cách giữa trạm thu và phát có thể tới 50km - Tốc độ truyền có thể thay đổi, tối đa 70Mbit/s - Hoạt động trong cả hai môi trường truyền dẫn: đường truyền tầm nhìn thẳng LOS và đường truyền che khuất NLOS 3 - Dải tần làm việc 2-11GHz và từ 10-66GHz hiện đã được và đang được tiêu chuẩn hóa. - Trong WiMAX hướng truyền tin được chia thành hai đường lên và xuống và đều sử dụng công nghệ OFDM để truyền. OFDM 256 được Diễn đàn WiMAX lựa chọn cho các mô tả đầu tiên dựa trên 802.16-2004. WiMAX sử dụng điều chế nhiều mức thích hợp từ BPSK, QPSK đến 256-QAM kết hợp với các phương pháp sửa lỗi dữ liệu như ngẫu nhiên hóa, với mã hóa sửa lỗi Reed Solomon, mã chập tỷ lệ mã từ 1/2 đến 7/8. - Độ rộng băng tần của WiMAX từ 5 MHz đến 20 MHz được chia thành nhiều băng con 1,75 MHz. Mỗi băng con này được chia nhỏ hơn nữa nhờ công nghệ OFDM, cho phép nhiều thuê bao có thể truy cập đồng thời một hay nhiều kênh một cách linh hoạt để đảm bảo tối ưu hiệu quả sử dụng băng tần. Công nghệ này được gọi là công nghệ đa truy nhập OFDMA. OFDMA trong WiMAX sử dụng tổng cộng 2048 sóng mang, trong đó có 1536 sóng mang dành cho thông tin được chia thành 32 kênh con, mỗi kênh con tương đương với 48 sóng mang. - Cho phép sử dụng cả 2 công nghệ TDD và FDD cho việc phân chia truyền dẫn của đường lên và đường xuống. - Về cấu trúc phân lớp, hệ thống WiMAX được phân chia thành 4 lớp: Lớp hội tụ (Convergence) làm nhiệm vụ giao diện giữa lớp MAC và các lớp trên, lớp điều khiển truy nhập thiết bị (MAC layer), lớp truyền dẫn (Transmission) và lớp vật lý (Physical). Các lớp này tương đương với hai lớp dưới của mô hình OSI và được tiêu chuẩn hóa để có thể giao tiếp với nhiều ứng dụng lớp trên như mô tả ở Hình 1.3. Hình 1.3 – Mô hình phân lớp trong hệ thống WiMAX so sánh với OSI 4 1.2. SO SÁNH WIMAX VỚI WIFI [8] 1.2.1. Các chuẩn 802.11 và sự hạn chế của WiFi Ngày nay chúng ta có 3 loại mạng LAN không dây chính: 802.11b, 802.11g và 802.11a. Hoạt động ở tốc độ 11Mbit/s, 802.11g là chuẩn mà chúng ta biết rõ nhất với cái tên WiFi. 802.11g và 802.11a ra đời sau. 802.11g sử dụng cùng một dải phổ như 802.11b và tương thích ngược với nó, đã trở thành công nghệ LAN không dây thông dụng như hiện nay. Còn IEEE 802.11a thường được xem là anh em họ “đuối” hơn của 802.11g, hoạt động hoàn toàn tương tự (kể cả việc có một chế độ “Turbo” 108Mbit/s nhưng sử dụng một dải phổ khác). Sự kém hiệu quả của một cách ghê gớm của 802.11a/b/g là kết quả của một loạt nhân tố: sự chật chội nghiêm trọng và nhiễu trong dải 2,4GHz; sự xử lý kém cỏi của các tín hiệu trả về; các cơ chế tranh chấp tương tự Ethernet; nhu cầu mã hóa cao để đảm bảo an ninh. Tất cả những nhân tố này sẽ dẫn tới một dịch vụ vốn không giống như đã được quảng cáo. Giải pháp cho vấn đề hiệu quả kém này là đề xuất 802.11n. Chưa biết là khi nào thì một chuẩn phải ra đời (một thời điểm nào đó trong năm 2006 là thời hạn chính thức) nhưng một vài nhóm cạnh tranh phải thỏa thuận với nhau trước khi vấn đề cuối cùng cũng được giải quyết. 1.2.2. So sánh WiFi và WiMAX WiMAX khác biệt so với chuẩn 802.11 - chuẩn không dây thường được biết tới với tên WiFi.. Tốc độ truyền tải: Như đã nói đến, WiMAX hổ trợ tốc độ truyền tải tới 70Mbit/s (tốc độ phụ thuộc vào các kiểu ăngten sử dụng). Trong khi đó, WiFi5 “chỉ” hổ trợ tốc 5 độ 54Mbit/s trong phạm vi truyền tải khá hẹp. WiFi hổ trợ tốc độ truyền tải thấp hơn, chỉ 11Mbit/s Băng tần: WiMAX hoạt động trên giải băng tần phụ thuộc vào hoàn cảnh. WiFi hoạt động trên giải băng tần 2,4GHz trong khi WiFi5 hoạt động ở hai giải băng tần 2,4GHz và 5,8GHz Phạm vi truyền tải: Nếu không gặp phải nhiều vật cản, WiMAX có thể truyền tải dữ liệu trong bán kính khoảng 50km. Trong môi trường có nhiều vật cản, phạm vi này rút ngắn xuống từ 5-8km. Trên lý thuyết, WiFi có thể hoạt động trong phạm vi từ 90m-300m. WiFi là lựa chọn thích hợp trong các gia đình và các điểm truy cập phạm vi nhỏ. Với phạm vi rộng lớn của WiMAX, các nhà cung cấp dịch vụ sẽ có thể phủ sóng toàn bộ các khu vực đô thị với chỉ một vài tháp. Mặc dù hiện nay chưa diễn ra nhưng việc WiMAX sẽ có ứng dụng doanh nghiệp, thay thế WiFi trong các doanh nghiệp là rất khả thi. Phạm vi tăng thêm của WiMAX sẽ làm cho việc toàn bộ một tòa nhà hay một khu trường có thể được phủ sóng bởi chỉ một điểm truy nhập đơn được quản lý trung tâm là hoàn toàn có thể. 1.3. WIMAX VÀ CÁC CHUẨN 802.16 [5] WiMAX là một lĩnh vực thương mại công nghiệp, đi đầu và phát triển bởi các công ty hàng đầu sản xuất linh kiện và thiết bị truyền thông. Tiêu chuẩn được sử dụng cho phép kết nối thiết bị của nhiều hãng khác nhau nếu cùng thoả mãn các điều kiện của việc cấp chứng nhận bởi Diễn đàn WiMAX dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.16 và ETSI HIPERMAN. Tiêu chuẩn 802.16a là công nghệ không dây mạng đô thị MAN cung cấp khả năng thay thế các công nghệ truyền thống sử dụng cáp, DSL và T1/E1 mà không cần sử dụng cáp. Nó cũng tương thích với việc kết nối các điểm truy cập 802.11 tới mạng Internet. 6 WiMAX sẽ nhanh chóng được hoàn hiện trong thời gian tới với khả năng tương thích và khả năng đáp ứng bằng các thiết bị của các hãng khác nhau. Với ưu thế của mình WiMAX đang là lĩnh vực được rất nhiều công ty trên thế gới để ý, nghiên cứu và phát triển. Sự phát triển của các chuẩn IEEE 802.16 bắt đầu với 802.16a sử dụng dải tần cấp phép 2-11 GHz. Sau đó là các phiên bản 802.16b tăng dải phổ lên tới 5 và 6 GHz, hỗ trợ QoS; 802.16c giới thiệu dải tần 10-66 GHz; 802.16d để xuất các cải tiến cho 802.16a; 802.16e hỗ trợ cho truy nhập di động tốc độ cao. Trên thực tế, WiMAX đã được khởi động kể từ tháng 4-2001 dựa trên tiêu chuẩn 802.16 bằng việc kết hợp chặt chẽ với Wi-Fi 802.11. WiMAX dựa trên các tiêu chuẩn 802.16a/d và ETSI HiperMAN Hình 1.4– IEEE802.16 và ETSI-HiperMAN Khi chuẩn 802.11 áp dụng cho mạng LAN thì chính 802.16 là để áp dụng cho mạng đô thị (MAN). Một ví dụ, mạng MAN với 802.16 kết nối các toàn nhà, khu vực. Bên trong tòa nhà đó sẽ là một mạng LAN không dây hoạt động theo chuẩn 802.11 (WiFi), xem hình 1.5 7 Vào đầu, vào tháng 4/2002, IEEE quy định 802.16 cho dải tần 10-66GHz. Đến tháng 1/2003, IEEE chính thức xác nhận chuẩn 802.16a, hoạt động trong vùng 211GHz. Đây là chuẩn mở rộng của 802.16. Với khoảng tần 11 GHz, sẽ cho phép truyền dẫn trong vùng không nhìn thẳng (NLOS), thích hợp khi triển khai trong đô thị. Hình 1.5– Các chuẩn kết nối không dây Một trong những mục tiêu chính của Diễn đàn WiMAX là tạo ra một chuẩn tương thích từ chuẩn 802.16 của IEEE và các chuẩn HiperMAN của ETSI. Điều này sẽ thực hiện được nhờ việc hình thành các mô tả hệ thống. Dựa trên những gì mà Diễn đàn WiMAX xem xét về các điều khoản của nhà cung cấp dịch vụ và các kế hoạch thiết bị của các nhà cung cấp, Diễn đàn WiMAX đã quyết định tập trung trước tiên vào các mô tả cho phương thức PHY OFDM 256 của chuẩn 802.16 năm 2004, được IEEE thông qua vào tháng 6/2004. Lớp vật lý (PHY) sẽ được kết hợp với một bộ điều khiển truy nhập phương tiện (MAC) độc lập đảm bảo một nền tảng thống nhất cho tất cả những triển khai WiMAX. Tuân thủ theo chuẩn 802.16 không có nghĩa là thiết bị được Diễn đàn WiMAX chứng nhận hoặc có thể tương thích với các thiết bị của các nhà cung cấp khác. Tuy 8 nhiên nếu một thiết bị tuân thủ thiết kế được Diễn đàn WiMAX chứng nhận thì vừa tuân thủ chuẩn 802.16 và tương thích với cả thiết bị của các nhà khai cấp khác. Cấu hình chung của 802.16a gồm một trạm gốc đặt trên một tòa nhà. Thiết bị này cho phép kết nối điểm-đa điểm với các thuê bao. Phạm vi bao phủ của 802.16a lên tới 45km với bán kính cell tiêu chuẩn là 6-9km. Bên trong cell, hiệu suất truyền NLOS và khả năng xuyên vật cản là tối ưu. 802.16a hoàn toàn tương thích khi giao tiếp với 802.11. Việc kết hợp với 802.16 cho phép lắp đặt các điểm truy cập tại bất cứ đâu mà không gặp trở ngại so với khi thi công mạng cáp. Với tốc độ đạt 75Mbps, mỗi trạm gốc 802.16a cung cấp băng thông đủ cho 60 tác vụ trên kết nối T1 cho doanh nghiệp hoặc hàng trăm kết nối tốc độ cao DSL cho các gia đình, khi dùng băng thông 20MHz. Để đạt hiệu quả kinh doanh cao, các nhà cung cấp dịch vụ và điều hành mạng phải cân đối để đảm bảo phục vụ được cả những doanh nghiệp cũng như các hộ gia đình. Việc triển khai 802.16 nhằm thỏa mãn yêu cầu này. 802.16 hoàn toàn đáp ứng các yêu cầu bảo mật cũng như yêu cầu chất lượng dịch vụ QoS để truyền tải các ứng dụng voice và video. Dịch vụ voice của 802.16 tương thích các công nghệ TDM và VoIP. Tiêu chuẩn IEEE 802.16e là kế hoạch tiếp theo sau khi cải tiến các tiêu chuẩn IEEE 802.16 trước đó. Mục đích của 802.16e là khắc phục hạn chế của tiêu chuẩn hiện tại không đáp ứng được các dịch vụ, các điểm truy nhập di động. IEEE 802.16e hoàn thiện như thế hệ 3G được mong đợi hoặc các công nghệ di động thực sự khác.. Trước hết, chuẩn 802.16 vốn qui định rằng WiMAX hoạt động trong phạm vi từ 10 đến 66GHz. 802.16 được theo sau bởi 802.11a vốn mở rộng dải phổ tới phạm vi từ 2 tới 11GHz là giải mang tính thực tế hơn vì đây là phạm vi mà hầu hết các nhà cung cấp đã có phổ. Nó có thể hoạt động trong các giải chưa được cấp phép nhưng có thể gặp phải nhiễu nghiêm trọng trong những giải này. Tuy nhiên, chuẩn thu hút sự chú ý nhiều nhất của các nhà cung cấp dịch vụ là chuẩn 802.16e vẫn chưa được thông qua (ít nhất cho đếm thời điểm này). 802.16e tích hợp các tính năng di động, cung cấp các dịch vụ tương đương với các dịch vụ băng rộng di động như iBurst/IntelliCell và 3G. 9 1.4. CẤU TRÚC PMP CỦA WIMAX WiMAX sử dụng cấu trúc PMP (một điểm tới đa điểm), có nghĩa là tín hiệu mạng xuất phát từ một điểm được truyền tải tới nhiều điểm (người sử dụng) khác cùng lúc. PMP hoạt động tương tự mạng điện thoại di động khi một trạm có thể điều phối các tín hiệu đến và đi xuất phát từ nhiều người sử dụng. Lớp vật lý của WiMAX cho phép tồn tại độc lập hai khả năng liên kết. Trong khu vực không có vật cản, băng tần hổ trợ tốc độ truyền tải lớn được sử dụng (10GHz – 66GHz). Trong khu vực có nhiều vật cản, WiMAX sử dụng dải băng tần từ 2GHZ tới 11GHz (hổ trợ tốc độ truyền tải thấp). Quá trình chuyển đổi tần số được WiMAX tiến hành hoàn toàn tự động. Cấu trúc PMP đóng vai trò quan trọng trong “ viễn cảnh tươi sáng của truyền thông không dây”- theo nhận định của các chuyên gia. Theo đó thay vì phải tìm kiếm các điểm truy nhập WiFi, người sử dụng máy tính xách tay hoặc các thiết bị di động có thể kết nối trực tiếp thông qua WiMAX . Nói cách khác, WiMAX cho phép tạo điểm truy nhập có tầm bao phủ trong toàn thành phố. Tương tự như điện thoại di động, kết nối WiMAX cũng sẽ ổn định ngay cả khi người dùng (hoặc thiết bị) di động. Dự kiến, WiMAX sẽ phổ biến trong những năm cuối của thập kỷ này. Intel, một trong những công ty tiên phong về WiMAX, đã lên kế hoạch tích hợp công nghệ này trực tiếp trên các chip Centrino dành cho máy tính xách tay. Hiện tại, việc triển khai WiMAX vẫn đang diễn ra ở các thành phố lớn. Seatle (Mỹ) là một ví dụ điển hình. Do điều kiện địa lý, việc triển khai kết nối Internet băng rộng thông qua các kênh thuê bao kỹ thuật số (DSL) hoặc cáp là một giải pháp tốn kém, ít khả thi. Trong bối cảnh đó, Seatle đã mạnh dạn triển khai WiMAX . Dự kiến vào cuối thập kỹ này, kết nối băng rộng không dây sẽ hiện diện ở hầu hết các khu vực trên nước Mỹ. 10 1.5. LỢI ÍCH CỦA CÔNG NGHỆ 802.16 • Bảo vệ về giá thành và đầu tư: Các nhà cung cấp dịch vụ có thể sử dụng thiết bị của nhiều nhà cung cấp khác nhau mà thiết bị đó đã được cấp chứng nhận WiMAX Certified™ . • Tầm hoạt động xa hơn (Tới 50 km) Hiệu suất phổ Bits/second/Hz cao hơn ở khoảng cách xa hơn. Dễ dàng thêm vào một giải quạt mới tăng dung lượng kênh trên vùng phủ sóng một cách linh động, cho phép các nhà điều hành ổn định mạng khi số lượng khách hàng tăng đột biến. Độ rộng kênh linh hoạt dựa trên việc định vị dải phổ cho cả dải phổ có cấp phép và dải phổ không giấy phép. • Độ bao phủ: Các kĩ thuật hiện đại (tạo lưới, tạo chùm, MIMO) làm cho khả năng NLOS càng hoàn hảo hơn. Giám sát hệ thống tăng lên cho phép qua trình thâm nhập tốt hơn ở khoảng cách xa. • Chất lượng phục vụ: TDMA động (Grant/Request) MAC hỗ trợ cảm nhận các dịch vụ tiềm tàng mới như voice và video. Nhiều mức dịch vụ khác nhau cho phép định vị băng thông theo yêu cầu của dịch vụ: Ví dụ T1/E1 cho thuê; Hiệu suất tốt nhất cho khu dân cư. • Cho phép triển khai dịch vụ kết cuối thuê bao băng rộng không dây trong khi vẫn hoàn toàn tương thích với công nghệ Wi-Fi 802.11. Các nhà cung cấp dịch vụ có thể sử dụng thiết bị 802.16 để kết nối tin cậy các luồng tốc độ T1/E1 hoặc cao hơn tới điểm truy nhập Wi- Fi 802.11. Hiện nay, cần nhiều thời gian để nhà cung cấp dịch vụ cấp một đường truyền T1/E1 cho khách hàng. Với công nghệ không dây băng thông rộng, nhà cung cấp dịch vụ có thể cung cấp dịch vụ với chất lượng tương tự hoặc tốt hơn chỉ với vài ngày và chi phí lại rẻ hơn. Trong cùng điều kiện, một nhà cung cấp dịch vụ có thể đáp ứng cung cấp băng thông theo yêu cầu dịch vụ cho các sự kiện chẳng hạn như: hội chợ, triển lãm, hoặc cho các khách hàng không cố định vị trí chẳng hạn công trường đều cần kết nối không thường xuyên. 11 1.6. MỘT SỐ ỨNG DỤNG ĐIỂN HÌNH [5] Phủ sóng trong phạm vi rộng, tốc độ truyền tin lớn, hổ trợ đồng thời nhiều thuê bao và cung cấp các dịch vụ như: VoIP, Video mà ngay cả ADSL hiện tại cũng chưa đáp ứng được những đặc tính ưu việt cơ bản của WiMAX. Các đường ADSL ở những khu vực mà trước đây đường dây chưa tới được thì nay đã có thể truy nhập được Internet. Các công ty với nhiều chi nhánh trong thành phố có thể không cần lắp đặt mạng LAN của riêng mình mà chỉ cần đặt một trạm phát BTS phủ sóng trong cả khu vực hoặc đăng ký thuê bao hàng tháng với công ty cung cấp dịch vụ. Để truy nhập tới mạng, mỗi thuê bao được cung cấp một mã số riêng và được hạn chế bởi quyền truy nhập theo tháng hay theo khối lượng thông tin mà bạn nhận được từ mạng. Bên cạnh đó hệ thống WiMAX sẽ giúp cho các nhà khai thác di động không còn phải phụ thuộc vào các đường truyền phải đi thuê của các nhà khai thác mạng hữu tuyến, cũng là đối thủ cạnh tranh của họ. Hầu hết hiện nay đường truyền dẫn giữa BSC và MSC hay giữa các MSC chủ yếu được thực hiện bằng các đường truyền dẫn cáp quang hoặc các tuyến viba điểm-điểm. Phương pháp thay thế này có thể giúp các nhà khai thác dịch vụ thông tin di động tăng dung lượng để triển khai các dịch vụ mới với phạm vi phủ sóng rộng mà không làm ảnh hưởng đến mạng hiện tại. Ngoài ra, WiMAX với khả năng phủ sóng rộng, khắp mọi ngõ ngách của thành thị cũng như nông thôn sẽ là một công cụ hổ trợ đắc lực trong các lực lượng công an, lực lượng cứu hỏa hay các tổ chức cứu hộ khác có thể duy trì thông tin lien lạc trong nhiều điều kiện thời tiết, địa hình khác nhau. Hiện tại có nhiều thành phố trên thế giới ở Mỹ, Nhật, Trung Quốc, Hàn Quốc… đã có kế hoạch triển khai WiMAX. Ngay cả Microsoft cũng quan tâm và coi trọng WiMAX như là một tiêu chuẩn và sẽ tích hợp trong các phân mềm của mình vào mạng. Dự đoán các sản phẩm tích hợp WiMAX với máy tính cũng sẽ được cho ra mắt thị trường vào cuối 2006. 12 - Mạng trục tế bào (Cellular Backhaul) Băng thông của 802.16 là sự lựa chọn hoàn hảo cho mạng trục triển khai cho mạng doanh nghiệp như thiết lập các điểm truy cập hotspot cũng như các ứng dụng mạng trục điểm-điểm - Mạng băng thông rộng theo yêu cầu Với đặc tính kỹ thuật của băng thông rộng và triển khai dễ dàng, 802.16 kết hợp với 802.11 cung cấp cho người sử dụng các dịch vụ kết nối vô cùng linh hoạt về tốc độ và lắp đặt thiết bị. Khả năng đáp ứng theo yêu cầu cho phép cung cấp kết nối tốc độ cao tức thời ngay khi có yêu cầu. - Cung cấp dịch vụ cho các thuê bao băng rộng cố định Việc triển khai mạng cáp gặp rất nhiều khó khăn và chi phí lớn khi thực hiện trong đô thị. Ví dụ mạng DSL truyền thống chỉ có khả năng cấp tới thuê bao cách Trung tâm tối đa 4-5km. 802.16 hoàn toàn khắc phục điều đó. - Dịch vụ kết nối không dây hoàn hảo Hiện nay, rất nhiều điểm truy cập 802.11 đã được lắp đặt. Người sử dụng luôn muốn họ duy trì kết nối ngay cả khi ngoài vùng hoạt động của các điểm truy cập này. Phiên bản 802.16e cung cấp khả năng kết nối di động cho phép người dùng truy nhập mạng ngay cả khi ở bên ngoài khu vực làm việc. 13 Hình 1.6 – Mô hình triển khai WiMAX Hình 1.7 – 802.16 cho phép truyền thông điểm đa điểm NLOS và truyền mạng trục LOS 14 CHƯƠNG 2 – KỸ THUẬT OFDM 2.1. GIỚI THIỆU Một trong những yêu cầu chính trong hệ thống vô tuyến băng rộng thế hệ thứ 2 là khả năng hoạt động trong các điều kiện tầm nhìn thẳng bị che chắn (OLOS) và điều kiện không có tầm nhìn thẳng (NLOS). Hoạt động trong các điều kiện như vậy gây ra nhiều khó khăn và hạn chế đối với các nhà khai thác viễn thông khi cung cấp các dịch vụ cho các khách hàng tiềm năng. Do các vấn đề về nhiễu về đa đường, một số công nghệ trước đây đưa ra giải pháp điều chế sóng mang đơn dùng cho các ứng dụng NLOS nhưng cũng chưa mang lại hiệu quả cao. Sự ra đời của kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao – OFDM là một bước đột phá trong thị trường truy cập vô tuyến băng rộng. OFDM là nằm trong một lớp các kỹ thuật điều chế đa sóng mang trong thông tin vô tuyến. Còn trong các hệ thống thông tin hữu tuyến chẳng hạn như trong hệ thống ASDL, các kỹ thuật này thường được nhắc đến dưới cái tên: đa tần (DMT). Kỹ thuật OFDM lần đầu tiên được giới thiệu trong bài báo của R.W.Chang năm 1966 về vấn đề tổng hợp các tín hiệu có dải tần hạn chế khi thực hiện truyền tín hiệu qua nhiều kênh con. Tuy nhiên, cho tới gần đây, kỹ thuật OFDM mới được quan tầm nhờ có những tiến bộ vượt bậc trong lĩnh vực xử lý tín hiệu và vi điện tử. Ý tưởng chính trong kỹ thuật OFDM là chia luồng dữ liệu trước khi phát đi thành N luồng dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dự liệu đó trên một sóng mang con khác nhau. Các sóng mang này trực giao với nhau, thực hiện bằng cách chọn chế độ dãn cách tần số giữa chúng một cách hợp lý. 15 2.2. ĐA ĐƯỜNG VÀ HIỆU SUẤT PHỔ TRONG OFDM [6] Công nghệ OFDM thiết kế trong các hệ thống để hoạt động trong các điều kiện môi trường kết nối đa dạng từ Có tầm nhìn thẳng LOS đến tầm nhìn thẳng bị che chắn OLOS và không có tầm nhìn thẳng NLOS. Đây chính là ưu điểm của OFDM. Trong môi trường không có tầm nhìn thẳng, tín hiệu đa đường là tổ hợp của tín hiệu gốc và các tín hiệu phản xạ bởi các vật cản giữa tram phát và trạm thu. Các tín hiệu phản xạ thường đến trạm thu không cùng một thời điểm phụ thuộc vào khoảng cách đường đi và đều đến sau so với tín hiệu gốc ( dẫn thẳng) . Hình 2.1 – Đa đường trong các điều kiện kết nối NLOS Do không đến cùng một thời điểm, các tín hiệu phản xạ gây ra nhiễu. Tác động của hiện tượng đa đường trên hệ thống kết nối vô tuyến là giao thoa ký hiệu ISI. Các tiếng vọng từ một ký hiệu nhất định (gọi là vọng symbol N) sẽ ảnh hưởng đến ký hiệu tiếp theo (gọi là symbol N+ 1). Công nghệ OFDM đã khắc phục được vấn đề ISI bằng cách sử dụng khoảng bảo vệ GI tại đoạn bắt đầu của ký hiệu. Khoảng thời gian bảo vệ chính là phần ký hiệu bị ảnh hưởng bởi ISI còn khoảng dữ liệu tiếp theo khoảng bảo vệ chính là khoảng tải tin. 16 Hình 2.2 - Cấu trúc ký hiệu OFDM, ISI và khoảng bảo vệ Công nghệ OFDM hỗ trợ truyền số liệu tốc độ cao và tăng hiệu quả dải tần. Điều này đạt được là do sự truyền dẫn song song của nhiều sóng mang con qua không trung, mỗi sóng mang con có khả năng mang số liệu điều biến. Các sóng mang con được đặt vào các tần số trực giao. Trực giao có nghĩa là tần số trung tâm của một sóng mang con nhất định sẽ rơi đúng vào các điểm bằng 0 (null) của các sóng mang con khác. Sử dụng các tần số trực giao sẽ tránh được sự ảnh hưởng lẫn nhau giữa các sóng mang con khác nhau khi sắp xếp vị trí các sóng mang con với mật độ lớn trong miền tần số, do đó sẽ đạt được hiệu suất phổ cao. Hình 2.3 - Đồ thị ký hiệu OFDM 17 2.3. CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CƠ BẢN CỦA OFDM [11] Sử dụng dải tần rất hiệu quả do cho phép chồng phổ giữa các sóng mang con. Hạn chế được ảnh hưởng của fading và hiệu ứng nhiều đường bằng cách chia kênh fading chọn lọc tần số thành các kênh con fading phẳng tương ứng với các tần số sóng mang OFDM khác nhau. Phương pháp này có ưu điểm quan trọng là loại bỏ được hầu hết giao thoa giữa các sóng mang (ICI) và giao thoa giữa các ký hiệu (ISI) do sử dụng CP. Nếu sử dụng các biện pháp xen rẽ và mã hoá kênh thích hợp thì sẽ có thể khắc phục được hiện tượng suy giảm xác suất lỗi trên ký hiệu do các hiệu ứng chọn lọc tần số ở kênh gây ra. Có thể sử dụng phương pháp giải mã tối ưu với độ phức tạp giải mã ở mức cho phép. Quá trình cân bằng kênh được thực hiện đơn giản hơn so với việc sử dụng các kỹ thuật cân bằng thích nghi trong các hệ thống đơn tần. Trên thực tế, quá trình thực hiện điều chế và giải điều chế trong OFDM được đảm bảo nhờ sử dụng phép biến đổi FFT. Nếu sử dụng kết hợp với phép điều chế vi sai thì không cần phải thực hiện quá trình ước lượng kênh. Ý tưởng chính trong kỹ thuật OFDM là việc chia luồng dữ liệu trước khi phát đi thành N luồng dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu đó trên một sóng mang con khác nhau. Các sóng mang này là trực giao với nhau, điều này được thực hiện bằng cách chọn độ dãn cách tần số giữa chúng một cách hợp lý. Hình 2.4 mô tả nguyên lý của quá trình tạo một ký hiệu OFDM. Tất cả các thao tác trong miền được đóng khung đều có thể được thay thế bằng phép biến đổi IDFT. 18 φ0(t) x 0,m φ1(t) sm(t) x 1,m φN-1(t) x N-1,m Hình 2.4- Nguyên lý tạo một ký hiệu OFDM Các sóng mang φn(t) là các sóng hình sin có thể được biểu diễn dưới dạng luỹ thừa như sau : φn(t) = 1 T 2π W kt e N t ∈ [0,T] (2-1) 0 t ∉ [0,T] Tần số của các sóng mang hơn kém nhau một khoảng W/N Hz, trong đó W là độ rộng dải tần. Mỗi sóng mang được nhân với một giá trị phức xn,m lấy từ dữ liệu đầu vào; chỉ số dưới n tương ứng với chỉ số của sóng mang, và m là chỉ số của toàn bộ ký hiệu OFDM (còn gọi là symbol OFDM). Mỗi tín hiệu sm(t) tương ứng với một điểm 19 trong không gian Euclid N-chiều gọi là không gian tín hiệu, mỗi điểm được biểu diễn bởi một bộ các giá trị (x0,m, x1,m, ..., xN-1,m). Một tập hợp M điểm trong không gian Nchiều này được gọi là chòm sao. Các điểm nằm trong chòm sao này có thể là đầu ra sau khi thực hiện phép điều chế M-trị bất kỳ. Trong trường hợp thực hiện truyền tín hiệu liên tục, m là một số nguyên m ≈(-∞,∞ ). Các kết quả có được sau khi thực hiện phép nhân sẽ được cộng lại và tín hiệu cuối cùng sẽ là dạng sóng (theo thời gian) được truyền đi qua kênh. sm(t) = N −1 φ (t − mT ) ∑ x n, m n n=0 (2-2) Hình 2.5- Dạng phổ của một ký hiệu OFDM Như vậy, chuỗi vô hạn các ký hiệu OFDM có thể được biểu diễn s(t) = ∞ ∑ s (t ) m m = −∞ = ∞ N −1 φ (t − mT ) ∑ ∑ x n, m n m = −∞ n = 0 (2-3) Do φn(t) là một xung vuông được điều chế tại tần số sóng mang kW/N (Hz), nên kỹ thuật OFDM thường được coi như là có N sóng mang, trên mỗi sóng mang ký hiệu được truyền đi với tốc độ thấp hơn ROFDM = Rs/N. Chú ý rằng tốc độ ký hiệu của mỗi kênh con là tốc độ truyền các ký hiệu OFDM. 2.4. TÍNH TRỰC GIAO VÀ DẢI BẢO VỆ [2] Ðiểm mấu chốt nhằm có được hiệu quả sử dụng dải tần cao là tính trực giao của các sóng mang. Trong các hệ thống ghép kênh phân chia theo tần số thông thường, các 20 sóng mang được phân tách bởi một dải bảo vệ nhằm cho phép thu và giải điều chế các sóng mang đó bằng các thao tác lọc thông thường. Tuy nhiên, các dải bảo vệ này đã làm giảm hiệu quả sử dụng dải tần. Nếu các sóng mang là trực giao với nhau, thì chúng có thể được sắp xếp sao cho các dải băng chồng lên nhau sao cho vẫn có thể thu tốt mà không có giao thoa với các sóng mang lân cận (ICI). Tuy nhiên, các dải bảo vệ là cần thiết để duy trì tính trực giao giữa các sóng mang trong kỹ thuật OFDM, nhưng cách hoạt động của các dải bảo vệ này khác hẳn với kỹ thuật FDM thông thường. Máy thu OFDM có thể được coi là gồm nhiều bộ giải điều chế, mỗi bộ sẽ thực hiện chuyển tín hiệu ở mỗi sóng mang xuống băng gốc và tích phân trên một chu kỳ ký hiệu nhằm khôi phục lại dữ liệu ban đầu. Sơ đồ nguyên lý của quá trình giải điều chế một ký hiệu trong kỹ thuật OFDM được mô tả trong hình 2.6. Chúng ta có thể dễ dàng nhận thấy, nếu các hàm φn(t)với n = 0,1,...,N-1 là trực giao với nhau từng đôi một thì mới khôi phục được bộ (x0,m, x1,m, ..., xN-1,m) ban đầu. φ0(t) ∫T( ) φ1(t) ∫T( ) T x 0,m T x 1,m T x N-1,m sm(t) φN-1(t) ∫T( ) Hình 2.6 - Nguyên lý của quá trình giải điều chế OFDM Về mặt toán học, một bộ các hàm được coi là trực giao nếu: 21 b ∫ψ ψ p * q (t) dt = K p=q 0 p≠q (2-4) a trong đó, ψ* là kí hiệu của liên hợp phức. Có nhiều bộ các hàm trực giao, nổi tiếng nhất là các hàm luỹ thừa phức tạo thành cơ sở của phép biển đổi Fourier : ψ (t ) = e k jw t k với ω = ω + 2π k 0 k t (2-5) Như vậy, nếu p, q là số nguyên thì các hàm này sẽ là trực giao. Tính trực giao này giữa chúng đã gợi ý về việc sử dụng phép biến đổi Fourier rời rạc (DFT) trong kỹ thuật OFDM. Nếu tất cả các sóng mang không phải là sóng mang mong muốn bị trộn xuống các tần số bằng một số nguyên lần 1/τ , trong đó τ là chu kỳ ký hiệu, thì chúng sẽ có tích phân bằng 0 trên một chu kỳ ký hiệu. Như vậy, các sóng mang sẽ trực giao với nhau, nếu độ dãn cách giữa các sóng mang là bội số của 1/τ . Trở ngại duy nhất trong việc sử dụng DFT trong kỹ thuật OFDM là bản chất không tuần hoàn của tín hiệu trong miền thời gian. Ðiều này có thể được giải quyết bằng cách thêm một thời khoảng bảo vệ Tg, đoạn này chính là bản sao của ký hiệu tích cực trong Tg giây trước (như trên hình 2.7). Ðoạn thêm vào này thường được gọi là tiền tố lặp CP bởi vì nó làm cho ký hiệu OFDM như là tuần hoàn đối với máy thu. Tín hiệu tới máy thu thu sau đó sẽ được xấp xỉ bằng phép chập tuần hoàn giữa tín hiệu phát và đáp ứng xung của kênh. Điều này cũng làm cho tránh được nhiễu ICI. Dải bảo vệ Ký hiệu tích cực Tg Ts= N/W T Hình 2.7 - Thêm CP vào ký hiệu OFDM 22 Chiều dài của dải bảo vệ bị hạn chế nhằm đảm bảo hiệu suất sử dụng dải tần, tuy nhiên, nó phải dài hơn đáp ứng xung của kênh nhằm duy trì tính trực giao giữa các sóng mang con và loại bỏ được các loại nhiễu ICI và ISI. Những lợi ích đạt được nhờ chèn thêm dải bảo vệ này thường có giá trị hơn những suy giảm trong hiệu suất sử dụng dải tần và trong tỷ số SNR. Ðể minh hoạ cho điều này, chúng ta có thể thấy rằng năng lượng phát sẽ tăng khi tăng chiều dài Tg của CP, trong khi đó thì năng lượng tín hiệu thu và lấy mẫu vẫn giữ nguyên. Năng lượng phát trên một sóng mang con là : ∫ 2 φ k (t ) dt = T T − Tg (2-6) và suy giảm SNR do loại bỏ CP tại máy thu là : SNRloss = -10log10 ⎛⎜1 − ⎜ ⎝ Tg ⎞ ⎟ T ⎟⎠ (2-7) Như vậy, CP có chiều dài càng lớn thì suy giảm SNR càng nhiều. Thông thường, chiều dài tương đối của CP sẽ được giữ ở mức nhỏ, còn suy giảm SNR sẽ chủ yếu là do yêu cầu loại bỏ giao thoa ICI và ISI (nhỏ hơn 1dB với Tg/T < 0,2). Nguyên lý thu phát tín hiệu OFDM nói trên có thể được thực thi đơn giản nhờ phép biến đổi FFT xem xét sau đây. 2.5. PHÉP BIẾN ĐỔI FOURIER RỜI RẠC Các phương thức để phân tách các sóng mang trong kỹ thuật OFDM đã được tìm hiểu và đánh giá trong suốt quá trình phát triển của nó. Hai phương thức ban đầu sử dụng các bộ lọc để phân tách các dải, và đã gặp phải nhiều khó khăn trong việc thực thi các bộ lọc có dải sườn dốc. Phương thức thứ ba được Weinstein và Ebert [14] giới thiệu, là phương thức sử dụng các biện pháp xử lý ở băng gốc, khi đó, cả máy phát và máy thu đều có thể được thực thi bằng cách sử dụng phép biến đổi Fourier rời rạc (DFT). Mỗi sóng mang trong hệ thống OFDM đều có thể được viết dưới dạng: t sn,m(t) = xn,m e j2π f n 23 (2-8) trong đó, xn,m là modul của số phức tương ứng với sóng mang con thứ n trong ký hiệu OFDM thứ m và khác 0 trên chu kỳ thời gian (m-1)τ < t < mτ , trong đó τ là chu kỳ ký hiệu. Ðiều này cho phép chúng ta có thể viết lại phương trình (2-2) dưới dạng trung bình của các sóng mang phức liên tục theo thời gian, với m cho trước : sm(t) = 1 N N −1 ∑ xn,m e j2π f n t (2-9) n =0 trong đó, fn = f0 + n∆ f với f0 là tần số gốc, và ∆f là khoảng dãn cách giữa các sóng mang. Không mất tính tổng quát, gán f0 = 0. Thay giá trị fn và lấy mẫu biểu thức (2-9) tại tần số 1/T, ta được : 1 N sm(kT) = N −1 ∑ )kT xn,m e j(2π f n (2-10) n =0 Ta chọn N mẫu trên một chu kỳ ký hiệu, sử dụng mối quan hệ τ = NT. So sánh phương trình (2-10) với dạng tổng quát của phép biến đổi IDFT : 1 g(kT) = N N −1 ∑ n =0 ⎛ n ⎞ j2π nk/N ⎟e ⎝ NT ⎠ G⎜ (2-11) chúng ta thấy rằng, hàm phức xn,m theo biến n chính là định nghĩa của tín hiệu được lấy mẫu biểu diễn trong miền tần số và s(kT) là dạng biểu diễn trong miền thời gian. Do mối quan hệ giữa 2 phép biến đổi DFT và IDFT : G[n] = G(ejω)| ω = 2π n (2-12) N nên phương trình (2-11) và (2-12) là tương đương nếu ∆f = 1 1 = NT τ (2-12) Ðiều kiện này cũng giống hệt với yêu cầu về tính trực giao trong biểu thức (25). Như vậy, để duy trì tính trực giao, tín hiệu OFDM có thể được xác định bằng cách sử dụng phép biến đổi Fourier. 24 Ðây là một đặc điểm rất quan trọng bởi vì 2 lý do sau. Thứ nhất, DFT là một dạng của phép biến đổi Fourier mà ở đó, tín hiệu được lấy mẫu và nhờ vậy, chúng trở nên tuần hoàn trong cả miền thời gian và tần số. Ðiều này giúp tránh được các vấn đề về lưu trữ, chồng phổ thường xuất hiện ở các tín hiệu có dải tần vô hạn hoặc không đổi theo thời gian. Phép biến đổi này, cùng với việc chèn thêm dải bảo vệ nhằm giúp cho mỗi ký hiệu OFDM gần như tuần hoàn, đã giúp thực hiện phép chập tuần hoàn với hàm truyền đạt của kênh. Ưu điểm thứ hai của việc ứng dụng DFT là phép biến đổi này có thể được thực hiện khá đơn giản và rẻ tiền bằng cách sử dụng FFT. Phần thực Tín hiệu vào Điều chế M trị Khối xen rẽ IFFT CP Phát Phần ảo AWGN Phần thực Tín hiệu ra Giải điều chế M trị Phần ảo Khối giải xen rẽ, giải mã sửa sai FFT CP Thu Hình 2.8 - Sơ đồ khối các quá trình điều chế, giải điều chế OFDM sử dụng FFT Hình 2.8 là sơ đồ khối của một hệ thống OFDM có sử dụng mã sửa sai, phép IFFT được sử dụng để thực hiện các thao tác điều chế như trong hình 2.4. Dữ liệu đầu vào sẽ được ánh xạ thành các bộ N-phần tử bằng cách sử dụng bất cứ phép điều chế Mtrị thông thường nào. Sau đó, các thành phần thực và ảo sẽ được tách ra và được mã hoá chập riêng biệt (thông thường là mã chập có hệ số tỉ lệ 1/2). Bộ xen rẽ khối có 25 chức năng thực hiện xen rẽ các sóng mang (theo tần số), và khối IFFT sẽ tạo ra dạng sóng ở miền thời gian giống như biểu thức (2-9). Sau khi thêm CP vào ký hiệu OFDM thì tín hiệu sẽ được phát đi qua kênh fading nhiều đường, đồng thời nó cũng chịu ảnh hưởng của nhiễu trắng cộng sinh AWGN. Tại máy thu, sau khi loại bỏ CP khỏi ký hiệu OFDM, người ta thực hiện cân bằng và biến đổi FFT. Tín hiệu miền thời gian thu được sau đó sẽ được giải xen rẽ, giải mã sửa sai theo thuật toán Viterbi và cuối cùng được giải điều chế M-trị để trở thành luồng dữ liệu ban đầu. 2.6. CÁC ƯU ĐIỂM CƠ BẢN CỦA KỸ THUẬT OFDM - Rất hiệu quả trong các môi trường đa đường nên thích hợp với các ứng dụng không dây cố định như truyền hình số mặt đất DVB-T. - Sử dụng dải tần hiệu quả do cho phép chồng phổ giữa các sóng mang con. Hạn chế được ảnh hưởng của fading chọn lọc tần số thành các kênh con fading phẳng tương ứng với các tần số sóng mang OFDM khác nhau. - Phương pháp này có ưu điểm quan trọng là loại bỏ được hầu hết nhiễu giữa các sóng mang và nhiễu giữa các tín hiệu nhờ sử dụng CP. - Quá trình thực hiện điều chế và giải điều chế trong OFDM đơn giản nhờ sử dụng phép biến đổi FFT. Mặc dù còn có những khó khăn như PAR cao và dễ mất đồng bộ, nhưng OFDM đang chứng tỏ những ưu điểm mình trong các hệ thống viễn thông trên thực tế đặc biệt là trong các hệ thống vô tuyến đòi hỏi tốc độ cao như thông tin di động và cả trong truyền hình số. 26 CHƯƠNG 3 - LỚP VẬT LÝ IEEE 802.16 Chuẩn IEEE 802.16 đã được thiết kế để mở ra một tập các giao diện không gian dựa trên một giao thức MAC thông thường nhưng với các đặc tả lớp vật lý phụ thuộc vào việc sử dụng và những điều chỉnh phổ có liên quan. Chuẩn hướng vào các tần số từ 10 - 66 GHz, nơi phổ rộng hiện có sẵn để sử dụng trên toàn cầu, nhưng tại đó những bước sóng ngắn được xem như những thách thức trong việc triển khai. Vì lý do đó một dự án sửa đổi có tên IEEE 802.16a đã được hoàn thành vào tháng 11/2002 và được công bố vào tháng 4/2003. Chuẩn này được mở rộng hỗ trợ giao diện không gian cho những tần số trong băng tần 2–11 GHz, bao gồm cả những phổ cấp phép và không cấp phép. So sánh với những tần số cao hơn, những phổ như vậy tạo cơ hội để thu được nhiều khách hàng hơn với chi phí chấp nhận được, mặc dù các tốc độ dữ liệu là không cao. Tuy vậy, các dịch vụ sẽ hướng tới những tòa nhà riêng lẻ hay những xí nghiệp vừa và nhỏ. 3.1. HỆ 10-66 GHZ [3] Các tín hiệu tần số cao trong dải 10-66GHz được dùng trong tiêu chuẩn IEEE 802.16. Tiêu chuẩn này hỗ trợ hoạt động LOS và có khoảng cách ngắn hơn với vài km, khi so với các hệ thống sử dụng tần số thấp hơn. Dải tần này có thể hỗ trợ tới 120Mbps. Không giống những dải tần nhỏ hơn 100MHz, dải tần 20GHz có thể cho băng thông vài trăm MHz. Thêm vào đó, các kênh trong băng này là dải đặc trưng 25 hoặc 28MHz. Trong thiết kế của đặc tả PHY cho 10–66 GHz, sự truyền dẫn trong tầm nhìn không bị vật cản là cần thiết. Do kiến trúc “điểm- điểm”, về cơ bản, BS truyền một tín hiệu TDM với những trạm thuê bao riêng lẻ được định vị những khe thời gian theo chu kỳ. Sự truy cập theo hướng đường lên cho bởi TDMA. Tiếp theo những thảo luận mở rộng về sự truyền song công, một thiết kế cụm được chọn cho phép cả truyền song công phân chia theo khe thời gian (TDD), tại đó đường lên và đường xuống dùng chung một kênh nhưng không truyền cùng lúc và truyền song công phân chia theo tần số (FDD), tại đó đường lên và đường xuống hoạt động trong những kênh riêng biệt. 27 Thiết kế cụm này cho phép cả TDD lẫn FDD được xử lý theo cách tương tự. Những lựa chọn một trong hai TDD và FDD hỗ trợ những cụm thích ứng, trong đó những tùy chọn điều biến và mã hóa có thể được gán động trên cơ sở từng cụm một. 3.2. HỆ 2-11 GHZ Các băng tần 2–11 GHz , đã cấp phép và được miễn đều nằm trong dự án IEEE 802.16a. Chuẩn 802.16a chủ yếu bao gồm sự phát triển những đặc tả lớp vật lý mới cho giao diện không gian và mỗi đặc tả trong chúng đưa ra tính hoạt động cùng nhau. Lớp vật lý 2–11 GHz được thiết kế do nhu cầu theo hướng hoạt động truyền dẫn trong tầm nhìn có vật cản (NLOS). Vì các ứng dụng thường triển khai ở khu vực dân cư, sự truyền phải được thực hiện theo nhiều đường. Hơn nữa, những ăngten gắn ngoài trời thường đắt do cả chi phí phần cứng và cài đặt cao. 3.3. CHI TIẾT LỚP VẬT LÝ IEEE 802.16 3.3.1. Kiểm soát lỗi [1] a. Kiểm soát lỗi hướng thuận FEC Lớp vật lý IEEE 802.16 sử dụng phương pháp kiểm soát lỗi FEC (sửa lỗi hướng thuận). FEC được sử dụng là Reed Solomon GF(256) với khả năng thay đổi kích thước khối và khả năng sửa lỗi. FEC này được liên kết với một mã nhân chập để truyền dữ liệu hữu hạn một cách thông suốt, như các truy nhập điều khiển khung và truy nhập khởi đầu. FEC có các tùy chọn như QPSK, 16-QAM, 64-QAM nhằm xác lập các cơ chế cụm. Nếu khối FEC cuối cùng không được điền đầy thông tin, khối này sẽ bị thiếu. Sự thiếu hụt trong cả đường lên, đường xuống được điều khiển bởi BS và được biểu đạt bên trong UL-MAP và DL-MAP 28 b. Cơ chế kiểm soát lỗi D÷ liÖu tíi tõ MAC D÷ liÖu göi tíi MAC Bé ng·u nhiªn hãa vµ Xö lý c¬ chÕ côm cña d÷ liÖu truyÒn ®i Bé gi¶i ngÉu nhiªn Bé m· hãa Reed Solomon Bé gi¶i m· Reed Solomon Xö lý tr×nh tù byte Xö lý tr×nh tù byte vµ Xö lý c¬ chÕ côm cña d÷ liÖu nhËn vÒ Bé m· hãa chËp Bé chÌn vµ ¸nh x¹ Bé ®iÒu chÕ d÷ liÖu Gi¶i m· Viterbi Bé t¸ch vµ gi¶i ¸nh x¹ Bé gi¶i ®iÒu chÕ d÷ liÖu Hình 3.1- Cơ chế kiểm soát lỗi lớp Vật lý Bộ ngẫu nhiên hóa: khối này thực hiện hàm ngẫu nhiên 1+x14+x15. Thêm nữa, nó điều khiển cơ chế cụm của bộ phát và việc chèn byte 0 theo 802.16a. Bộ mã hóa Reed Solomon: Khối này tạo ra các gói Reed Solomon dựa trên cơ chế cụm được tạo bởi bộ ngẫu nhiên hóa. Xử lý trình tự byte: 802.16a quy định các byte kiểm tra Reed Solomon truyền đi trước phần tải tin theo trật tự byte 0 được chèn bởi bộ trộn sẽ được giữ tại cuối của mỗi gói. Khối này cũng có nhiệm vụ chuyển đổi dãy byte thành dãy bit theo yêu cầu của bộ mã chập. Bộ mã chập: Khối này thực hiện mã chập tuân thủ 802.16a. Bộ chèn và ánh xạ: 802.16a xác định rõ bộ chèn khối tuân theo phép hoán vị 2 bước. Quá trình chèn bổ sung vào ánh xạ chòm sao QAM. Các ký hiệu đầu ra được đưa tới bộ điều chế. Bộ tách và giải ánh xạ: thực hiện giải ánh xạ các mẫu thu được từ bộ giải điều chế. Bộ giải mã Viterbi: thực thi hàm giải mã Viterbi. 29 Bộ Xử lý trình tự byte và Xử lý cơ chế cụm của dữ liệu nhận về: chuyển đổi dãy bit từ bộ giải mã Viterbi thành dãy byte trước khi đảo trật tự byte kiểm tra và tải tin để theo đúng khuôn dạng đưa vào bộ giải mã Reed Solomon. Bên cạnh đó, nó quản lý cơ chế cụm của bộ thu. Thực hiện việc tách mào đầu điều khiển khung FCH khỏi ký hiệu OFDM đầu tiên của một khung đường xuống, và thiết lập tham số cho phần còn lại của chuỗi dữ liệu nhận phù hợp với tỷ lệ mã hóa và trật tự QAM yêu cầu. Bộ giải mã Reed Solomon: giải mã Reed Solomon và sửa lỗi các gói nhận được. Bộ giải ngẫu nhiên hóa: cũng thực hiện tính toán với đa thức tương tự như ở quy trình ngẫu nhiên hóa để khôi phục dữ liệu nhận. Truyền toàn bộ dữ liệu đã xử lý tới MAC. 3.3.2. Định khung [3] Hệ thống sử sụng một khung 0.5, 1 hoặc 2 ms. Khung này được chia ra thành những khe vật lý cho mục đích cấp phát và nhận biết dải thông thuộc các chuyển tiếp PHY. Một khe vật lý được định nghĩa cho 4 ký hiệu QAM. Trong phương án TDD của PHY, khung con của đường lên kế tiếp theo khung con của đường xuống trong cùng một tần số sóng mang. Trong phương án FDD, các khung con của đường lên và đường xuống cuối cùng cũng trùng khớp nhưng chúng được mang trên những tần số riêng biệt. Khung con của đường xuống được mô tả trong hình 3.2. a. Khung con đường xuống 30 Hình 3.2 - Cấu trúc khung con đường xuống Khung con của đường xuống bắt đầu với một đoạn điều khiển khung có chứa DL-MAP cho khung đường xuống hiện hành cũng như UL-MAP cho thời gian định rõ trong tương lai. Khung con đường xuống có chứa một đoạn TDM ngay tiếp theo đoạn điều khiển khung. Dữ liệu đường xuống được truyền tới mỗi SS khi sử dụng một cơ chế cụm thỏa thuận. Mào đầu khởi đầu khung là một dãy 32 ký hiệu được tạo ra bằng lặp một dãy 16 ký hiệu. Khung điều khiển chức năng được sử dụng để chuyển thông tin điều khiển cho kênh tới tất cả các SS, và dữ liệu này không được bảo mật. Trong các hệ thống, sau đoạn TDM là một đoạn TDMA có chứa một đoạn mào đầu phụ tại điểm xuất phát của mỗi cơ chế cụm mới. Đặc tính này cho phép hỗ trợ tốt hơn các SS bán song công. Trong một hệ thống FDD được hoạch định hiệu quả với nhiều SS bán song công, một số có thể truyền sớm hơn trong khung hơn là chúng nhận. Vì bản chất bán song công, các SS này mất sự đồng bộ hóa với đường xuống. Mào đầu TDMA cho phép chúng lấy lại sự đồng bộ hóa đó. 31 Phần DL-MAP của đoạn điều khiển khung cung cấp tới các SS các đặc tuyến của đường xuống. Thông tin này bao gồm: đồng bộ hoá PHY (điều chế và thay đổi FEC), một thông điệp mô tả kênh đường xuống DCD, một bộ nhận dạng BS 48-bit có thể lập trình, và số các phần tử dữ liệu. DCD và bộ nhận dạng BS dùng để nhận dạng kênh, được sử dụng trong tình huống khi SS nằm trên đường bao vùng phủ sóng. Thông điệp DL-MAP được mô tả trong bảng 3.1 [4] . Hình 3.3 – Khuôn dạng thông điệp DL-MAP Trường Kích thước Ý nghĩa Management Message Type =2 8 bits Kiểu thông điệp quản trị PHY Synchronization Field 32 bits Trường đồng bộ PHY DCD Count 8 bits Bộ đếm DCD Base Station ID (low) 32 bits Mã nhận dạng BS (thấp) Base Station ID (high) 16 bits Mã nhận dạng BS (cao) 16 bits Số lượng phần tử DL_MAP Element Count Bảng 3.1 – Mô tả trường của thông điệp DL-MAP 32 Hình 3.4 – Khuôn dạng thông điệp DCD Trường Kích thước Ý nghĩa Management Message Type =1 8 bits Kiểu thông điệp quản trị Downlink Channel ID 8 bits Chỉ thị kênh đường xuống CCC 8 bits Bộ đếm thay đổi cấu hình Bảng 3.2 – Mô tả trường của thông điệp DCD UL-MAP được sử dụng để định vị truy nhập kênh đường lên tới SSs. Thông tin được cung cấp trong UL-MAP bao gồm: Bộ nhận dạng kênh đường lên UCI, bộ mô tả kênh đường lên UCD, số của các phần tử UL-MAP, định vị thời gian bắt đầu và thông tin các phần tử UL-MAP. UCD được sử dụng để cung cấp SSs thông tin về yêu cầu của cơ chế cụm đường lên. Thông tin UL-MAP nhận được bằng việc sử dụng bộ nhận dạng kết nối CID. Thông điệp này cũng cung cấp một mã sử dụng xung nhịp đường lên UIUC được SS sử dụng để truyền lên. Thông điệp UL-MAP được mô tả như bảng 3.3 [4] 33 Hình 3.5 – Khuôn dạng thông điệp UL-MAP Trường Kích thước Ý nghĩa Management Message Type = 3 8 bits Kiểu thông điệp quản trị Uplink chanel ID 8 bits Chỉ thị kênh đường lên UCD Count 8 bits Bộ đếm UCD Element Count 16 bits Số lượng phần tử UL_MAP Allocation start time 32 bits Thời điểm bắt đầu phân phối Bảng 3.3 – Mô tả trường của thông điệp UL-MAP Hình 3.6 – Khuôn dạng thông điệp UCD 34 Trường Kích thước Ý nghĩa Management Message Type = 0 8 bits Kiểu thông điệp quản trị Uplink chanel ID 8 bits Chỉ thị kênh đường lên CCC 8 bits Bộ đếm thay đổi cấu hình RngBS 8 bits Điểm bắt đầu sắp xếp RngBE 8 bits Điểm kết thúc sắp xếp ReqBS 8 bits Điểm bắt đầu gửi yêu cầu ReqBE 8 bits Điểm kết thúc gửi yêu cầu Bảng 3.4 – Mô tả trường của thông điệp UCD b. Khung con đường lên Hình 3.7 - Cấu trúc khung con đường lên 35 Một khung con đường lên điển hình cho PHY 10–66 GHz được mô tả trong hình 3.7. Không giống như đường xuống, ở đây UL-MAP dùng để cấp băng thông cho các SS cụ thể. Các SS truyền trong vùng cấp phát được ấn định có sử dụng cơ chế cụm chỉ rõ bởi mã sử dụng xung nhịp đường lên UIUC. Khung con đường lên có thể cũng chứa những cấp phát trên cơ sở tranh chấp cho truy nhập hệ thống lúc ban đầu và các yêu cầu băng thông truyền đa hướng hay quảng bá. Những cơ hội truy cập cho việc truy nhập hệ thống khởi đầu được xác định độ lớn để cho phép bổ sung khoảng thời gian bảo vệ các SS, những cái đã không được giải quyết thời gian truyền cần thiết để bù lại độ trễ toàn chu trình cho BS. Có 3 loại cụm có thể hiện diện trong bất kỳ khung con đường lên: • Tranh chấp dựa trên duy trì ban đầu hoặc các cơ hội truy nhập ban đầu • Tranh chấp dựa trên các cơ hội được mặc định bằng khoảng thời gian yêu cầu để đáp ứng truyền đa hướng hoặc hỏi vòng quảng bá. • Không tranh chấp dựa trên định vị khoảng thời gian được xắp xếp tới SS đặc biệt trong UL-MAP đảm bảo băng thông từ BS. Bất kỳ cụm nào trong 3 lớp cụm trên đều có thể hiện diện trong bất kỳ khung nào, số lượng trên khung được BS xắp xếp trong một thông điệp UL-MAP. Duy trì khởi đầu các khe thời gian truy nhập gồm khoảng thời gian bảo vệ để đếm số SS cố gắng giành được truy nhập ban đầu và thời gian ấn hành liên quan đến khoảng cách hoạt động của BS. Ngoài ra, khi có xung đột các khoảng chuyển tiếp, SS truyền/nhận các khoảng đó và được sử dụng để giảm xung đột nhỏ nhất đến mức có thể. Không giống như đường xuống, UL-MAP cấp băng thông cho các SS cụ thể. Các SS truyền trong vùng cấp phát được ấn định có sử dụng cơ chế cụm chỉ rõ bởi UIUC trong mục vào UL-MAP cấp băng thông cho chúng. Khung con đường lên có thể cũng chứa những định vị trên cơ sở cạnh tranh cho truy nhập hệ thống lúc ban đầu và truyền quảng bá hay truyền đa hướng theo các yêu cầu băng thông. Những cơ hội truy cập cho truy nhập hệ thống lúc ban đầu được xác định độ lớn để cho phép thêm thời gian bảo vệ các SS mà chúng đã không được giải quyết thời gian truyền cần thiết để bù lại độ trễ toàn chu trình cho BS. 36 3.3.3. Lớp con hội tụ truyền dẫn TC Giữa PHY và MAC là một lớp con hội tụ truyền dẫn TC. Lớp này thực hiện sự biến đổi các PDU MAC độ dài có thể thay đổi vào trong các khối FEC độ dài cố định (cộng thêm có thể là một khối được rút ngắn vào đoạn cuối) của mỗi cụm. Lớp TC có một PDU có kích thước khớp với khối FEC hiện thời bị đầy. Nó bắt đầu với một con trỏ chỉ ra vị trí đầu mục PDU MAC tiếp theo bắt đầu bên trong khối FEC. Xem Hình 3.8 P khối PDU khởi đầu trong TC ngay trước Khối PDU đầu tiên khởi đầu trong TC hiện tại Khối PDU thứ hai khởi đầu trong TC hiện tại PDU của lớp con TC P = con trỏ 1 byte Hình 3.8 - Định dạng TC-PDU Khuôn dạng PDU TC cho phép đồng bộ hóa lại PDU MAC tiếp sau trong trường hợp khối FEC trước đó có những lỗi không thể phục hồi được. Không có lớp TC, một SS hay BS nhận sẽ mất toàn bộ phần còn lại của một cụm khi một lỗi không thể sửa chữa xuất hiện. 37 3.4. QUY TRÌNH HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ Ở LỚP VẬT LÝ [10] Khối phát Bộ trộn FEC Bộ điều chế Lắp ráp khung 256IFFT Chèn dải bảo vệ PS Kênh Khối thu Ước lượng kênh miền tần số Bộ cân bằng Gỡ bỏ dải bảo vệ 256IFFT Tháo dỡ khung Giải điều chế PS Giải mã kênh Đồng bộ Giải trộn Hình 3.9 – Quy trình hoạt động của lớp Vật lý ở khối phát và khối thu 3.4.1. Quá trình ngẫu nhiên [1] Khối đầu tiên trong khối phát là bộ trộn. Nó được sử dụng cho quá trình ngẫu nhiên hóa dữ liệu. Sử dụng bộ trộn để ngăn các dãy số 1 hoặc 0 dài liên tiếp, có thể gây định thời và khôi phục sai dữ liệu ở khối thu. Trong tiêu chuẩn IEEE 802.16a, bộ trộn là thanh ghi dịch 15 bits và 2 cổng XOR (hình 3.10) cho khung đường xuống (dữ liệu truyền từ trạm gốc tới các thuê bao). Vectơ khởi đầu cho thanh ghi dịch là 100101010000000 và bộ trộn sẽ tái lập ở thời điểm bắt đầu của mỗi khung. 38 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Dữ liệu xuất Dữliệu nhập Hình 3.10 - Bộ trộn và giải trộn Khối thu sử dụng bộ giải trộn, cơ chế tương tự bộ trộn ở khối phát. 3.4.2. Kiểm soát lỗi hướng thuận FEC a. Bộ mã hoá Reed-Solomon [13] FEC là dữ liệu vf dư thừa được thêm vào khung trước khi dữ liệu được truyền. Dữ liệu dư thừa (còn gọi là các ký hiệu kiểm tra) được truyền với dữ liệu gốc tới khối thu. Khối đầu tiên trong FEC là bộ mã hoá Reed-Solomon, đây là khối mã quan trọng và hiệu quả trong việc sửa các lỗi cụm. Các mã được đề cập trong dạng mã RS (N, K, T) trong đó K là số bit chưa được mã hoá, N là số bit đã được mã hoá, T là số bit có thể được sửa lỗi. Bộ mã hoá RS tạo mã K bit đầu ra đầu tiên từ bộ mã hoá là các bit thông tin và N-K bit từ bộ mã hoá là các bit kiểm tra được thêm vào để sửa lỗi. Trong bộ mã hoá RS tiêu chuẩn được mặc định bằng RS(255, 239, 8) với đa thức sau đây: Đa thức tạo mã: (3-1) g(x) = (x + λ0 )(x + λ1 )(x + λ2) • • • (x +λ2T-1) Đa thức sinh: p(x) = x8 + x4 + x3 + x2 +1 39 (3-2) Cæng ®¬n SRAM D÷ liÖu KiÓm tra §ång bé Xãa D÷ liÖu KiÓm tra §ång bé §Þnh d¹ng tËp hîp Ph©n ®Þnh bé nhí Söa lçi Quy tr×nh c©n b»ng KiÓm so¸t d÷ liÖu ra M· hãa RS D÷ liÖu S½n sµng KiÓm tra §ång bé Lçi D÷ liÖu KiÓm tra §ång bé Hình 3.11 – Sơ đồ khối kiểm soát lỗii FEC Thiết lập các tham số: gal_bps: số bit mỗi ký hiệu (thường là 7 hoặc 8) gal_alpha: giá trị khởi tạo gal_field_gen_poly: đa thức sinh (thường là đa thức sinh GF(256): x8+x4+x3+x2+1) MAX_RS_T: số lượng cực đại các ký hiệu có thể sửa bởi một từ mã. J0: lũy thừa thứ nhất của ỏ dùng trong đa thức sinh: (3-3) G(x) = (1- αJ0) (1- αJ0+1)... (1- αJ0+2*MAX_RS_T-1) b. Bộ mã hoá chập [16] Bộ mã hoá chập như chỉ ra ở hình 3.12 được sử dụng để sửa các lỗi ngẫu nhiên. Tỷ lệ mã hoá cơ bản là 1/2. Với mỗi bit đầu vào, sẽ thu được 2 bit mã hóa. 40 đầu ra X đầu vào Trễ 1bit Trễ 1bit Trễ 1bit Trễ 1bit Trễ 1bit đầu ra Y Hình 3.12 – Nguyên lý bộ mã hoá chập Hình 3.13 – Sơ đồ khối bộ mã chập 41 Trễ 1bit Các tham số: Data Input Điều khiển khung StartBlockIn StartBlockOut Điều khiển dòng dữ liệu InputValid InputRdy OutputRdy OutputValid Xout/ Yout Các bit dữ liệu đầu vào chưa được mã hóa Chỉ thị mẫu đầu vào đầu tiên của khối mã hóa Chỉ thị mẫu đầu ra đầu tiên của khối mã hóa Chỉ thị xung nhịp dữ liệu vào chuẩn Chỉ thị bộ đệm dữ liệu đầu vào đã sẵn sàng cho việc nhận dữ liệu tiếp theo Chỉ thị khối kế tiếp sẵn sàng để nhận dữ liệu đã mã hóa ở đầu ra Chỉ thị xung nhịp dữ liệu đã mã hóa đầu ra chuẩn Đầu ra dữ liệu đã mã hóa c. Bộ giải mã Viterbi [16] Hình 3.14 – Sơ đồ khối bộ giải mã Viterbi Khối đo trạng thái tính toán khả năng đối với mỗi trạng thái bộ mã hóa tương ứng thông qua việc tạo ra các bit trạng thái. Dữ liệu nhánh cung cấp lịch sử các chuyển tiếp trạng thái gần nhất. Điều này cho phép truy nguyên từ bất kỳ trạng thái hiện thời nào tới các trạng thái trước đó. Độ sâu truy nguyên tối thiểu cần thiết phụ thuộc vào các tham số mã hóa và thường thì được đặt bằng chiều dài của khối mã hóa. 42 3.4.3. Bộ điều chế và giải điều chế a. Bộ điều chế [15] Hình 3.15 – Sơ đồ khối bộ điều chế Dữ liệu đầu vào đi qua bộ đệm FIFO tới bộ ánh xạ. Bộ ánh xạ lựa chọn bảng ánh xạ thích hợp (QAM hoặc PSK), điểm chòm sao, ngưỡng phát từ một hoặc nhiều bảng truy vấn lưu trữ trong bộ nhớ. Điểm chòm sao được chọn sẽ được nâng mẫu và làm sắc hoặc nội suy bởi bộ lọc FIR với các hệ số có thể lập trình được. Bộ tái lấy mẫu cấp cho các mẫu I/Q băng gốc một xung nhịp DAC mong muốn. 43 Rate ID Điều chế 0 1 2 3 4 5 QPSK QPSK 16-QAM 16-QAM 64-QAM 64-QAM Kích thước Kích thước khối Tỷ lệ mã hoá khối chưa mã mã hoá(bytes) toàn bộ hóa(bytes) 24 36 48 72 96 108 48 48 96 96 144 144 1/2 3/4 1/2 3/4 2/3 3/4 Mã RS Tỷ lệ mã CC (32,24,4) (40,36,2) (64,48,8) (80,72,4) (108,96,6) (120,108,6) 2/3 5/6 2/3 5/6 3/4 5/6 Bảng 3.5 - Mã hoá kênh bắt buộc trên điều chế Các tham số: Giao tiếp đầu vào Dữ liệu ký hiệu đầu vào Tx Lựa chọn ánh xạ Tx Cho phép điều chế Đồng bộ ký hiệu Giao tiếp đầu ra Dữ liệu ra I Dữ liệu ra Q DAC Clk Cho phép DAC Clock Dữ liệu vào song song (1 đến 8 bit). Đồng bộ bởi tín hiệu đồng bộ Chỉ thị số bit cho mỗi ký hiệu (1 đến 4 bit). Đồng bộ bởi tín hiệu đồng bộ. Giá trị 0 cho biết có một ký hiệu rỗng đi vào Kích hoạt điều chế Điều khiển đồng bộ cho Dữ liệu vào và Lựa chọn ánh xạ Đầu ra kênh I song song với ước số của tần số quy định bởi Clock Đầu ra kênh Q song song với ước số của tần số quy định bởi Clock. Thường dùng nếu đầu ra là IF. Xung nhịp DAC với ước số của tần số quy định bởi Clock Tín hiệu điều khiển công suất DAC Đồng hồ chủ, không thấp hơn 2 lần tốc độ ký hiệu lớn nhất 44 b. Bộ giải điều chế [9] Cân bằng thích nghi Hình 3.16 – Sơ đồ khối bộ giải điều chế Các tham số ADC IF (I): thành phần I của tín hiệu đầu vào QAM lấy mẫu tại tần số Clock ADC Q: thành phần Q của tín hiệu đầu vào QAM lấy mẫu tại tần số Clock Điều khiển AGC PWM: tín hiệu điều khiển PWM, cho phép giao tiếp vô tuyến để điều khiển mức tín hiệu tại đầu vào ADC nhằm giảm thiểu độ méo do việc cắt hay lượng tử hóa gây ra. Module phục hồi định thời ký hiệu: sinh ra các mẫu chòm sao định thời chuẩn của các tín hiệu được lọc và băng gốc bằng việc lọc kênh, dò tìm tốc độ ký hiệu và khôi phục định thời. Bộ cân bằng: sinh ra chòm sao QAM gốc bằng việc phục hồi tần số sóng mang, chiếm kênh, cân bằng và bám, sửa lỗi trôi DC. Bộ giải điều chế cung cấp 3 kiểu đầu ra: - Dữ liệu mềm I & Q: chòm sao QAM giải điều chế không có định thời, trôi tần số và với nhiễu đa đường bị loại bỏ. Những đầu ra này cung cấp một báo hiệu thành công của giải điều chế 45 - Dữ liệu cắt I & Q: các dữ liệu mềm I & Q bị cắt nhỏ. Một giải ánh xạ ký hiệu ngoại vi sử dụng đầu ra này để phục hồi dòng bit. Dữ liệu ký hiệu: là ký hiệu chòm sao giải ánh xạ nội tại. 3.4.4. Đồng chỉnh khung [7] Nhân tố cơ bản trong truyền dẫn dữ liệu của một hệ thống 802.16 là tín hiệu OFDM. Trong tiêu chuẩn IEEE 802.16a mỗi ký hiệu OFDM cấu tạo gồm 192 bit tải tin, 8 bit dẫn đường. Dưới đây chúng ta xem xét cấu trúc khung FDD đường xuống, được chỉ ra trong hình 3.18. Các bit dẫn đường được tạo ra bởi bộ tạo PRBS như hình 3.17. Khởi tạo đường xuống 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Hình 3.17 - PRBS cho điều chế bit dẫn đường Đa thức của bộ tạo PRBS là: 1g(x) = x11 + x9 +1 Các ký hiệu OFDM sẽ được đóng gói thành khung trước khi gửi đi. 46 (3-4) Thời gian Khung n-1 Khung n Khung n+1 Khung n+2 Khung con DL DL PHY PDU Mào đầu FCH DL cụm #1 DCD, UDC, MAPs Đệm bit (Tùy chọn) (Tùy chọn) Tiền tố DL .... DL cụm #m Thông điệp MAC1 ... Thông điệp MAC2 Đệm (MAC PDU-1) (MAC PDU-n) Chỉ số Chiều dài HSC tốc độ khung Hình 3.18- Cấu trúc khung FDD OFDM PHY đường xuống Mào đầu trong khung đường xuống gọi là mào đầu dài. Nó được cấu tạo gồm một tiền tố lặp CP, 4 khối 64 mẫu, một CP tiếp theo và 2 khối 128 mẫu, chỉ ra trong hình 3.14. Mào đầu dài được sử dụng cho đồng bộ và ước lượng kênh. CP Tg 64 64 64 64 Tb CP 128 Tg 128 Tb Hình 3.19 - Mào đầu dài đường xuống Tiếp ngay sau mào đầu dài là cụm FCH. FCH chứa đựng thông tin điều khiển cho khung PHY như chỉ số tốc độ. Chỉ số này mặc định tốc độ điều chế được sử 47 dụng cho khung hiện tại bằng chiều dài khung. Cụm FCH luôn được điều chế với 1/2 QPSK để khắc phục việc giảm cường độ. Theo sau FCH là cụm chứa dữ liệu. 3.4.5. Xử lý IFFT ở khối phát và FFT ở khối thu [12] Như đã trình bày ở chương 2, các sóng mang của hệ thống OFDM là các đường hình sin với nhiều tần số cơ bản khác nhau. Mỗi sóng mang con có một số chu kỳ nguyên trong một giai đoạn. Hình 3.20 đưa ra ví dụ của phổ của tín hiệu OFDM Hình 3.20 - Dạng phổ của tín hiệu OFDM FFT lấy tín hiệu miền thời gian ở đầu vào và đầu ra là tín hiệu miền tần số bằng hàm chu kỳ lấy mẫu và số mẫu được sử dụng. Tần số cơ bản của FFT được mặc định là 1/Ts_ tot (Ts_ tot là tổng số lần mẫu của FFT). IFFT là quá trình ngược lại với FFT bằng khôi phục tín hiệu từ miền tần số trở lại miền thời gian. Thời gian hiệu lực của tín hiệu thời gian IFFT bằng số FFT được ghép trong giai đoạn mẫu. Mỗi luồng phụ sau đó được ghép xen tới một sóng mang con ở một tần số đơn nhất và được kết hợp cùng nhau sử dụng IFFT để dạng sóng miền thời gian được truyền đi. Giá trị tín hiệu ở đầu ra của IFFT là tổng số mẫu của nhiều sóng hình sin. Kể từ một ký hiệu OFDM có thể được mặc định bằng IFFT. Khi tính toán một ký hiệu OFDM được truyền, theo (2-11) ta có: 48 2π . jnk ⎛ 1 ⎞ N −1 N ; N=0,1,2,….N-1 xn = ⎜⎝ N ⎟⎠∑ X ke k =0 (3-5) với Xk là biến đổi Fourier của xn. Các giá trị 0 được thêm vào phương trình ở điểm bắt đầu và kết thúc ký hiệu OFDM tới 256 điểm IFFT ở khối phát. Các sóng mang 0 này cũng được sử dụng như dải tần bảo vệ để tránh nhiều xuyên kênh. Ở khối thu, sau khi thực hiện khôi phục lại FFT, các số 0 được loại bỏ từ các chỗ tương ứng. Cần nhấn mạnh là trong truyền thông vô tuyến, tín hiệu gốc có thể bị méo do tín hiệu vọng gây ra do đa đường. Đây gọi là nhiễu giữa các ký hiệu ISI. Khắc phục vấn đề này, tiền tố lặp CP được chèn vào trước mỗi ký hiệu được truyền. Nếu trễ đa đường nhỏ hơn thời gian tiền tố lặp CP, ISI được khử từ thiết kế. Do đó, sau khi IFFT hoàn thiện, CP cần được thêm vào mỗi ký hiệu OFDM, đó là copy phần dữ liệu cuối cùng trong ký hiệu OFDM tới điểm bắt đầu. Trong tiêu chuẩn IEEE 802.16a, chiều dài CP thích nghi 1/4,1/8,1/16,1/32 có thể được áp dụng cho ký hiệu được truyền. Ở khối thu, hoạt động khôi phục sẽ được hoàn thiện. 3.4.6. Chèn và gỡ bỏ dải bảo vệ Sau mã hoá RS-CC tất cả các bit dữ liệu được mã hoá sẽ bị chèn bằng bộ chèn khối với kích thước khối tương ứng số bit được mã hoá trên vị trí đặc biệt, Ncbps. Do các lược đồ điều chế khác nhau QPSK, 16QAM, 64-QAM, Ncbps bằng giá trị 384, 768, 1152 đã định sẵn. Bộ chèn được mặc định bằng hoán vị 2 bước. Ncpc là số bit được mã hoá trên 1 sóng mang. Ví dụ, 2, 4 hoặc 6 cho QPSK, 16QAM hoặc 64-QAM, đã định sẵn. Yêu cầu các bit mã hoá kề nhau được ghép xen trên các sóng mang không kề nhau. Điều này đảm bảo nếu một bị giảm độ sâu, các bit lân cận sẽ không bị ảnh hưởng do đó hiệu suất truyền bít đúng cao. Hoán vị thứ 2 cho phép các bit mã hoá kề nhau được ghép xen thay đổi trên một hoặc nhiều bit đặc trưng của chòm sao. Cả 2 hoán vị sẽ đảm bảo hiệu suất truyền bit là cao nhất. Bộ giải ghép xen sẽ thực hiện quá trình ngược lại với bộ ghép xen. 49 3.4.7. Chế độ kênh Trong ước lượng hệ thống truyền thông, mô tả chính xác kênh là cần thiết. Một kênh vô tuyến được đặc trưng bởi : - Mất đường (Giống hiệu ứng màn che) - Trải phổ trễ đa đường - Đặc tuyến fading - Trải phổ Doppler - Nhiễu xuyên kênh giữa các kênh lân cận và nhiều đồng kênh Mất đường Mất đường phụ thuộc rất nhiều vào địa hình và cường độ các chướng ngại vật trong tiến trình truyền NLOS. Thông thường cường độ chướng ngại vật lớn và địa hình phức tạp sẽ dẫn đến khả năng mất đường cao . Trải phổ trễ đa đường Tín hiệu được truyền qua đường khác nhau do các môi trường thay đổi. Do vậy nó đến khối thu theo các đường khác nhau ở những thời gian khác nhau. Mỗi tín hiệu khối thu nhận được thực sự là sự kết hợp của nhiều tín hiệu đa đường. Các đặc tuyến fading Fading liên quan tới mức tín hiệu thay đổi, nó được đặc trưng bằng phân phối thống kê. Khi có một số lượng lớn đường dẫn không trực tiếp từ trạm phát tới một người dùng di động và chúng vượt trội so với các đường đến trực tiếp, tín hiệu nhận được có phân phối Rayleigh. Trong khi nếu tín hiệu trực tiếp chiếm ưu thế so với không trực tiếp, tín hiệu nhận được có phân phối Rice. Dịch tần Doppler Dịch tần Doppler gây ra do chuyển động, cho một hệ thống truyền thông vô tuyến. Khối thu được giả thuyết là chuyển động như trải phổ cổ điển của Jakes được sử dụng. Trong khi cho truyền thông vô tuyến cố định, cả hai khối thu và phát là các trạm 50 nhưng thực tế có một số phản xạ trong môi trường. Do đó cần phải xem xét hiệu ứng Doppler. 3.4.8. Bộ cân bằng và bộ ước lượng kênh Các tín hiệu OFDM được truyền sẽ trải qua fading đa đường và hiệu ứng Doppler khi truyền vô tuyến. Với mục tiêu giải điều chế và giải mã đúng ở khối thu, hàm truyền đạt kênh phải được ước lượng bởi khối thu. Ước lượng kênh được kéo theo sau chất lượng kênh, cân bằng kênh, nó chia tất cả các ký hiệu dữ liệu nhận được bằng hàm truyền đạt kênh. Ước lượng kênh có thể được hoàn thiện trong cả miền thời gian và miền tần số. Một hệ thống OFDM FFT cần được hoàn thiện cho tất cả các sóng mang bởi vì việc xử lý miền tần số là dễ dàng, không phức tạp. 51 CHƯƠNG 4 - MÔ PHỎNG LỚP VẬT LÝ 802.16a OFDM VỚI PHẦN MỀM MATLAB 7.0 Trong chương này, chúng ta sẽ tiến hành thực hiện và lấy kết quả mô phỏng với phần mềm Matlab 7.0 dựa trên các thông số và thuật toán cho kênh và 802.16a OFDM PHY. 4.1. MỤC ĐÍCH MÔ PHỎNG Chương trình mô phỏng giúp chúng ta hiểu hơn, làm sáng tỏ hơn các phần đặc điểm kỹ thuật. Để một tiêu chuẩn có giá trị thực và các thiết bị được sản xuất bởi nhiều nhà sản xuất có thể bắt tay làm việc cùng nhau thì các mô phỏng như thế này rất quan trọng. Nó có thể giải quyết được ở từng cấp khối mô phỏng, ít nhất là lớp PHY, và loại bỏ các vấn để có thể làm không tương thích với các tiêu chuẩn khác. Đối với sinh viên, học viên chúng ta sẽ có cái nhìn tổng quan hơn về công nghệ và khả năng hoạt động cũng như đáp ứng của chúng trong đời sống. 4.1.1. Các giới hạn mô phỏng Mô phỏng sẽ tạo ra cụm dữ liệu đơn, được định dạng cho đường xuống hay đường lên trong bất kỳ chế độ hoặc sơ đồ mã hoá nào. Ta có thể lựa chọn mã khối và chế độ mã chập. Bộ điều chế hiện tại được giới hạn để tạo ra cụm dữ liệu đơn hoặc trong trường hợp đường đường xuống, một cụm FCH được theo sau bằng một cụm dữ liệu đơn. Bộ giải điều chế được đơn giản hoá rất nhiều để đồng bộ với các ký hiệu OFDM, cung cấp giản đồ chòm sao và tạo mô phỏng. 4.1.2. Các thông số chính của chương trình mô phỏng • OFDM dựa trên phép toán FFT 256 điểm, sử dụng 200 sóng mang và DC đặt bằng 0. • 8 sóng mang được sử dụng như các dữ liệu dẫn đường. 52 • Tiền tố lặp CP (hoặc khoảng bảo vệ GI) theo 1/32,1/16, 1/8 hoặc 1/4 chu kỳ ký hiệu. • Các kênh con ½, ¼ dải cũng được xác định. • Các sóng mang dữ liệu QPSK, 16QAM hoặc 64QAM • Ghép nối mã Reed-Solomon và FEC cùng với phép xen kẽ. 4.1.3. Mô tả nội dung kịch bản điều chế Với mục đích quan sát cơ chế hoạt động của hệ thống, các khối thư viện được sử dụng cho thiết kế và mô phỏng là vô cùng quan trọng. Trong mô phỏng này, chúng ta chủ yếu sử dụng khối thư viện truyền thông (Communication library) và thư viện DSP. FCH Luồng DL MAC Mã RS Ánh xạ IFFT Mã chập Ghép xen Tiền tố lặp RF Tạo mào đầu FCH Hình 4.1 - Sơ đồ khối bộ điều chế 53 Ảnh hưởng của hệ số SNR tới chất lượng tín hiệu SNR ở đây chính là mức AWGN tính theo dB. Khảo sát, thu thập kết quả dựa trên các đặc điểm chọn lựa như sau: ¾ Các tín hiệu lối vào là tín hiệu ngẫu nhiên ¾ Hiển thị, là hiển thị của các tín hiệu giải điều chế ¾ Các thông số đầu vào có thể thay đổi được. Tín hiệu thu được trên hướng kênh đường xuống với hệ số SNR thấp. Ở đây chúng ta lấy SNR để khảo sát nhiễu có giá trị bằng 20dB. Ở đây chúng ta thấy rõ rằng, khi cần một hệ thống có SNR cao thì các sơ đồ điều chế sẽ là giải pháp tốt nhất. Điều này có được là do, trên giản đồ chòm sao các điểm càng xa gốc thì càng dễ bị nhiễu (do việc dịch điểm so với vị trí gốc). Mà ảnh hưởng chính tới nó là tỷlệ mã hoá như chỉ ra ở các hình bên dưới. Do vậy sử dụng các sơ đồ mã hoá thích hợp sẽ cho tốc độ bit cao nhất với mức BER cho phép khi thiết đặt ngưỡng SNR thích hợp. 4.2. Ý NGHĨA CÁC THÔNG SỐ TRONG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG 4.2.1. Menu Filesname • Random: Lấy ngẫu nhiên dữ liệu với chiều dài được xác định bởi hộp thoại “length” (cực đại 4095 bytes) • File: Dữ liệu được đọc từ file nhập bởi “Input Filename”, đây là file text theo dạng chuẩn. • Test Pattern: sử dụng mẫu thử có độ lớn 35 byte a. Debug Enable Cho phép ghi nhận dữ liệu tức thời sau mỗi tiến trình xử lý. Dữ liệu được ghi ra file xác định bởi “Debug Filename”. Các dữ liệu gồm: • Tín hiệu vào • Ra khỏi bộ xáo trộn 54 • Ra khỏi bộ mã RS • Ra khỏi bộ mã chập • Ra khỏi bộ ghép xen • Ra khỏi bộ ánh xạ b. Input Filename Nhập dữ liệu đầu vào trong file được chọn c. Output Filename Xuất dữ liệu ra file dạng nhị phân BCD d. Debug Filename Ghi dữ liệu tức thời sau mỗi tiến trình xử lý ra file. 4.2.2. Menu Framing a. Uplink/Downlink Đặt hướng của luồng dữ liệu là đường lên hay xuống. b. Subchannel Enable Cho phép kênh con. Dùng trong trường hợp Uplink, thiết lập bởi SubChan 4.2.3. Các tham số trong cửa sổ chính 4.2.3.1. Khối điều chế Modulator a. Rate ID Chuẩn 802.16a định nghĩa 6 kiểu mã hóa Rate ID, trong đó gồm: • Modulation: kiểu điều chế (QPSK, QAM) • CBSize (Coded Block Size): kích thước khối được mã hóa • UBSize (Uncoded Block Size): kích thước khối chưa được mã hóa • OCRate (Overall Code Rate): Tỷ lệ mã hóa toàn bộ • CCRate (Convolution Code Rate): Tỷ lệ mã chập 55 • RS: tham số mã Reed-Solomon b. SubChan Sử dụng cho trường hợp đường lên. Dùng để lựa chọn các kiểu kênh con, từ 1-4 là kênh con dải 1/4 , từ 5-6 là kênh con dải 1/2. c. Guard Chọn khoảng bảo vệ thích hợp: 1/32, 1/16, 1/8, 1/4 . 4.2.3.2. Channel Đặt mức độ nhiễu AWGN theo dB. 4.2.3.3. Khối giải điều chế (Demodulator) Lựa chọn hiển thị: • Constellation: Giản đồ chòm sao của đầu ra kênh I/Q. Các tín hiệu dẫn đường BPSK chỉ thị bởi màu khác với màu của sóng mang dữ liệu. Ở chế độ đường xuống, có thể quan sát FCH QPSK bởi màu đỏ. • Correlator: Hàm tương quan. Hiển thị đầu ra phép tương quan với chuỗi mào đầu dài đã biết. Hai đỉnh tương quan có thể nhận thấy được. • Spectrum: Hiển thị mật độ phổ công suất của đầu ra khối giải điều chế. 56 4.3. PHÂN TÍCH CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG 4.3.1. Các bộ thông số điều chế Ở đây, chương trình sử dụng 6 bộ thông số tạo sẵn: Rate ID QAM CBSize UBSize OCRate CCRate RS 0 4 48 24 1/2 2/3 32,24,4 1 4 48 36 3/4 5/6 40,36,2 2 16 96 48 1/2 2/3 64,48,8 3 16 96 72 3/4 5/6 80,72,4 4 64 144 96 2/3 3/4 108,96,6 5 64 144 108 3/4 5/6 120,108,6 Bộ giá trị (QAM,CBSize,UBSize) được thiết lập sẵn. Tỷ lệ OCRate = UBSize/CBSize Tỷ lệ CCRate được thiết lập sẵn theo OCRate. Mã RS(N,K,T) với N= CBSize*CCRate; K=UBSize; T=(N-K)/2. Chương trình thực hiện OFDM với FFT 256 điểm, 200 sóng mang Nhận xét: • Ảnh hưởng của các phương thức điều chế: QPSK, 16QAM, 64QAM. Điều chế QAM càng cao thì băng thông càng lớn, tức là mã hóa được nhiều tín hiệu hơn. • Ảnh hưởng của các kích thước UB, CB: đây là kích thước các khối dữ liệu chưa mã hóa và mã hóa. Tỷ lệ UB/CB gọi là tỷ lệ mã hóa toàn bộ, quyết định tốc độ xử lý quá trình mã. • Ảnh hưởng của tỷ lệ mã chập CCRate: đây là tỷ lệ giữa số bit mang tin và số bit sau khi mã hóa. CCRate càng lớn thì tỷ lệ mã cả quá trình giảm. • Ảnh hưởng của mã RS: mã RS có dạng (N, K, T) trong đó K là số bit chưa được mã hoá, N là số bit đã được mã hoá, T là số bit có thể được sửa lỗi. Bộ mã hoá RS tạo mã K bit đầu ra đầu tiên từ bộ mã hoá là các bit thông tin và N-K bit từ bộ mã hoá là các bit kiểm tra được thêm vào để sửa lỗi. 57 Hình 4.2 và hình 4.3 cho thấy giản đồ chòm sao của tín hiệu đường xuống sau khi giải điều chế với các bộ thông số điều chế Rate ID = 0 và 4. Đây là giản đồ chòm sao cho biêt quan hệ biên độ-pha, biểu thị số thông tin mà QAM mã hóa được. Trục tung là Quadrature (là biểu diễn độ lớn biên độ theo phương vuông pha), trục hoành là In-phase (là biểu diễn biên độ theo phương cùng pha) Các điểm màu lục biểu diễn các bit dẫn đường tuân theo BPSK. Đối với riêng tín hiệu đường xuống sẽ thấy có các điểm màu đỏ để biểu diễn các bit FCH tuân theo QPSK. Với tín hiệu đường lên sẽ không có các bit này (hình 4.4) 58 Hình 4.2 - Giản đồ chòm sao của tín hiệu giải điều chế đường xuống với Rate ID=0 59 Hình 4.3 - Giản đồ chòm sao của tín hiệu giải điều chế đường xuống với Rate ID=4 60 Hình 4.4 - Giản đồ chòm sao của tín hiệu giải điều chế đường lên với Rate ID=0 61 4.3.2. Ảnh hưởng của nhiễu Trong hệ thống OFDM tạp nhiễu pha gây ra sai pha chung CPE. Ảnh hưởng của CPE trong hệ thống OFDM cũng tương tự như trong các hệ thống sử dụng một sóng mang. CPE làm cho tất cả các sóng mang bị sai pha như nhau và có thể được sửa chữa bằng tín hiệu dẫn đường liên tục. Tạp nhiễu pha còn có thể gây ra nhiễu giữa các sóng mang ICI. Sai pha do ICI có dạng như tạp nhiễu nhiệt và không thể loại trừ. Tạp nhiễu pha làm cho các điểm của giản đồ chòm sao trên mặt phẳng I/Q bị tản ra theo những đường tròn. Hậu quả là mức tạp nhiễu tối đa cho phép trong hệ thống giảm, tỷ lệ lỗi bit BER tăng. Tín hiệu được giải điều chế ở đầu thu bị ảnh hưởng của tạp nhiễu pha gây nên bởi tất cả các mạch dao động có trên đường truyền. Hình 4.5 và 4.6 minh họa sự ảnh hưởng của nhiễu ứng với các giá trị SNR bằng 20dB và 99dB cho tín hiệu giải điều chế đường lên. 62 Hình 4.5 - Giản đồ chòm sao của tín hiệu giải điều chế đường lên với SNR=20dB 63 Hình 4.6 - Giản đồ chòm sao của tín hiệu giải điều chế đường lên với SNR=99dB 64 4.3.3. Đồ thị tương quan Như chúng ta đã biết, lỗi thời gian gây ra sự sai lệch thời gian của thời điểm bắt đầu của ký tự thu được. Nếu lỗi thời gian đủ nhỏ sao cho đáp ứng xung của kênh vẫn còn nằm trong thời khoảng của thành phần CP trong tín hiệu OFDM thì nó sẽ không gây ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống. Trong trường hợp ngược lại, nếu lỗi thời gian lớn hơn thời khoảng của CP, nhiễu ISI sẽ xảy ra. Khi đó, yêu cầu về đồng bộ phải chặt chẽ hơn. Có hai phương pháp chính để thực hiện đồng bộ thời gian. Đó là phương pháp đồng bộ dựa vào tín hiệu dẫn đường và phương pháp dựa vào CP. Đối với phương pháp thứ nhất, thuật toán đồng bộ bao gồm ba bước: nhận biết công suất , “đồng bộ thô” (coarse synchronization) và “đồng bộ tinh” (fine synchronization). Trong bước “đồng bộ thô”, tín hiệu sẽ được đồng bộ bước đầu với độ chính xác khá thấp là một nửa khoảng thời gian lấy mẫu. Mặc dù độ chính xác đồng bộ trong bước này không cao, song, nó sẽ làm đơn giản thuật toán dò tìm đồng bộ trong bước tiếp theo. Để thực hiện “đồng bộ thô”, người ta cho tương quan giữa tín hiệu thu được với bản sao của tín hiệu phát (đã xác định trước) rồi tìm đỉnh tương quan. Tần suất ước lượng các điểm tương quan phải gấp khoảng 4 lần tốc độ tín hiệu để đảm bảo tính chính xác trong việc ước lượng đỉnh tương quan. Như vậy, đồ thị tương quan cho biết các đỉnh tương quan. Các xung trong đỉnh này được dùng để đồng bộ các tín hiệu định thời tại bộ nhận với tín hiệu nhận được. Hình 4.7 và 4.8 là ví dụ về đồ thị tương quan của tín hiệu giải điều chế đường lên và đường xuống. Trục hoành của đồ thị là giá trị trễ, biểu diễn thời gian dịch của phép tương quan. Chúng ta nhận thấy giá trị này ở đồ thị của đường lên nhỏ hơn giá trị ở đồ thị đường xuống. 65 Hình 4.7 - Đồ thị tương quan của tín hiệu giải điều chế đường lên 66 Hình 4.8 - Đồ thị tương quan của tín hiệu giải điều chế đường xuống 67 4.3.4. Đồ thị mật độ phổ công suất Trong chương trình mô phỏng này, luận văn sử dụng độ rộng phổ 200 Hz và với 200 sóng mang. So sánh phổ của tín hiệu đường lên và đường xuống nhận thấy băng thông của kênh đường lên nhỏ hơn nhiều so với đường xuống (hình 4.9 và 4.10). Điều này hoàn toàn đúng với lý thuyết vì tín hiệu đường xuống chứa nhiều thông tin hơn tín hiệu đường lên. Bởi vì bản thân tín hiệu đường xuống chứa các mào đầu dài và cụm FCH. Để xem xét ảnh hưởng của nhiễu lên phổ tín hiệu sau điều chế, chúng ta so sánh hai trường hợp SNR=5dB và 99dB (hình 4.11 và 4.12). Như vậy nhiễu gây ảnh hưởng rõ rệt, chất lượng tín hiệu rất kém, giá trị công suất tín hiệu biến thiên mạnh. Khi tín hiệu đầu vào bộ điều chế là QAM64 (bộ thông số RateID=5) thì phổ thu được sau khi giải điều chế sẽ có công suất lớn hơn nhiều so với khi tín hiệu đầu vào là QAM4 (bộ thông số RateID=0), xem hình 4.13 và 4.14. 68 Hình 4.9 – Phổ của tín hiệu giải điều chế đường xuống 69 Hình 4.10 – Phổ của tín hiệu giải điều chế đường lên 70 Hình 4.11 – Phổ của tín hiệu giải điều chế đường xuống với SNR=99dB 71 Hình 4.12 – Phổ của tín hiệu giải điều chế đường xuống với SNR=5dB 72 Hình 4.13 – Phổ của tín hiệu giải điều chế đường xuống với RateID=0 73 Hình 4.14 – Phổ của tín hiệu giải điều chế đường xuống với RateID=5 74 4.3.5. Các kênh con Trong hệ thống WiMAX di động, phương thức giao tiếp không gian sử dụng kênh “siêu rộng”, được cấu thành bởi một số lượng lớn các sóng mang con hẹp phân chia vào các nhóm kênh con. Khi một người dùng đăng nhập vào mạng, một kênh con sẽ được cấp phát động, sao cho thỏa mãn yêu cầu băng thông của người dùng đó. Cần lưu ý là số lượng sóng mang con chứa trong mỗi kênh con không phải là giá trị cố định mà nó được quyết định tuân theo yêu cầu băng thông của người dùng. Điều đó có nghĩa là số lượng sóng mang con thay đổi tùy theo nội dung truyền tải (xem phim, nghe nhạc hay truyền dữ liệu). Sự phân phối phổ động này sẽ tối ưu hóa số lượng người sử dụng tại bất kỳ thời điểm nào. Chúng ta khảo sát trường hợp có các kênh con đối với tín hiệu đường lên. Luận văn này chỉ xem xét các khả năng 4 kênh con và 7 kênh con. Và yêu cầu băng thông của mỗi người dùng là một giá trị ngẫu nhiên quy định trước. Hình 4.15 và 4.16 minh họa cho luận điểm nêu trên. Do yêu cầu về băng thông không giống nhau nên số sóng mang con của mỗi kênh khác nhau, dẫn tới độ rộng của các kênh cũng khác nhau. Tuy nhiên độ rộng phổ của cả tín hiệu OFDM là không đổi. 75 Hình 4.15 – Phổ của tín hiệu giải điều chế đường lên với 4 kênh con 76 Hình 4.16 – Phổ của tín hiệu giải điều chế đường lên với 7 kênh con 77 KẾT LUẬN WiMAX và các chuẩn IEEE 802.16 ra đời nhằm nâng cao khả năng tương tác toàn cầu bằng truy nhập sóng vô tuyến dải tần cao: 2-11GHz khi tốc độ không đòi hỏi lớn và 10-66 GHz khi yêu cầu tốc độ lớn. WiMAX cung cấp phạm vi phủ sóng lớn tới 70 km, đảm bảo tương thích với các chuẩn hiện có. WIMAX có thể ứng dụng cho các loại dịch vụ điện thoại, dữ liệu, video, internet; thay thế cho mạng cáp tại những khu vực khó triển khai, áp dụng cho các doanh nghiệp triển khai mạng riêng không dây diện rộng, cung cấp các dịch vụ gia tăng tới các hộ gia đình trên nền băng thông rộng với chi phí hợp lý. Hiện nay trên thế giới có một số nước đã áp dụng công nghệ này. Ở Việt Nam, một số công ty trong nước đang hợp tác với các tập đoàn nước ngoài để triển khai thử nghiệm như VDC, VTC, FPT. Để ứng dụng WiMAX thành công đòi hỏi chúng ta phải nắm bắt và hiểu rõ các kỹ thuật như đã trình bày trong luận văn (OFDM, mã sửa lỗi các loại, truyền tín hiệu theo cụm nhờ phân kênh,...). Tuy nhiên WiMAX chỉ có thể đạt hiệu suất cao khi được áp dụng cùng với các công nghệ khác như kỹ thuật anten thông minh, định hướng chùm tia, anten đa chiều (MIMO), điều khiển công suất theo nguyên tắc tiết kiệm năng lượng,... Trong khuôn khổ của một luận văn, với đề tài “Hệ đa sóng mang - đa người dùng: Công nghệ WiMAX và lớp vật lý IEEE 802.16”, tôi đã trình bày tương đối chi tiết về lớp vật lý. Trên cơ sở kết hợp với việc mở rộng nghiên cứu và triển khai các lớp truyền dẫn, lớp điều khiển truy nhập phương tiện và lớp hội tụ, chúng ta sẽ nắm bắt toàn diện công nghệ WiMAX nhằm ứng dụng vào thực tế một cách hiệu quả và thành công. 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO Chỉ mục Tài liệu 1 802.16 FEC, Technical Data Brief, Commsonic UK Ltd., www.commsonic.com 2 Ahmad R. S. Bahai, Burton R. Saltzberg, Mustafa Erge (2004), MultiCarrier Digital Communications: Theory and Applications of OFDM, Kluwer Academic Publishers. 3 Carl Eklund, Roger B. Marks, Kenneth L. Stanwood, Stanley Wang (2004) “IEEE Standard 802.16: A Technical Overview of the WirelessMAN™ Air Interface for Broadband Wireless Access” , www.ieee802.org. 4 Chung Kei (2005), “Interim report”, ELEC4890 Final Year Project, University of Newcastle, Australia. 5 IEEE 802.16 and WiMAX (www.intel.com) 6 Kenneth Welling và Michael Rice (1999), “Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing for the Multipath Fading Channel” , Proceedings of the International Telemetering Conference, Las Vegas, NV. 7 Lei Wang, Brian Gieschen (2002), OFDM Frame Structure, Wi-LAN Inc, www.wi-lan.com 8 Michael Diamond, Wi-Fi Alliance® to Certify Pre-Standard IEEE 802.11n Products, www.wi-fi.org 9 Multi-mode QAM Demodulator, Technical Data Brief, Commsonic UK Ltd.,www.commsonic.com 10 Nishant Kumar (2004), MAC and Physical Layer Design, Virginia Polytechnic Institute and State University. 11 Ove Edfors, Magnus Sandell, Jan-Jaap van de Beek, Daniel Landström, Frank Sjöberg (1996), "An Introduction to Orthogonal Frequency-Division Multiplexing", Research Report TULEA 1996:16, Division of Signal Processing, Luleå University of Technology. 79 12 Radix-4 FFT Engine, Technical Data Brief , Commsonic UK Ltd.,www.commsonic.com 13 Reed Solomon Codec, Technical Data Brief, Commsonic UK Ltd., www.commsonic.com 14 Stephen B. Weinstein và Paul M. Ebert (1971), “Data Transmission by Frequency Division Multiplexing Using the Discrete Fourier Transform”, IEEE Transactions on Communication Technology, vol. COM-19, no. 5. 15 Universal QAM/PSK Modulator, Technical Data Brief , Commsonic UK Ltd.,www.commsonic.com 16 Viterbi Decoder, Technical Data Brief, Commsonic UK Ltd., www.commsonic.com 17 WiMAX Forum (www.wimaxforum.org) 18 WiMAX Forum, WiMAX’s technology for LOS and NLOS environments. 19 WiMAX Overview (www.intel.com) 80 PHỤ LỤC Mà CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG 1. NỘI DUNG FILE DEBUG GHI LẠI DỮ LIỆU SAU TỪNG TIẾN TRÌNH Ví dụ xử lý điều chế và giải điều chế đường xuống với Rate ID = 5 Qam=64 RateID=5 DLUL=0 CCRate=0.833 RS=120,108,6 UBSize=108 CBSize=144 Slot Offset=14 IUC=0 FCH Data 50 0A 3A FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF 00 Reed-Solomon Encoded FCH C2 9E A1 9C 68 0E 30 AC 50 0A 3A FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF 00 Convolutionally Coded FCH EB B3 EC B4 6A 02 BB DF BC 0E 76 4D 05 D6 31 C1 68 A7 FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF F0 A8 Interleaved FCH D8 7F FF E4 FF FF FD FF FF 1D 7F FF F8 FF FE 4E 7F FE B4 7F FE 93 7F FE D3 FF FF 17 7F FE C0 FF FF D2 7F FE 1C 7F FF 5E FF FE BA FF FE 95 FF FE Carrier Mapped FCH (Index: I Q) x 1/sqrt(2) -100:-1.0 -1.0, -99:1.0 -1.0, -98:-1.0 1.0, -97:1.0 1.0, -96:1.0 -1.0, -95:-1.0 -1.0, -94:-1.0 -1.0, 93:-1.0 -1.0, -92:-1.0 -1.0, -91:-1.0 -1.0, -90:-1.0 -1.0, -89:-1.0 -1.0, -88:-1.0 -1.0, -87:-1.0 1.0, -86:1.0 -1.0, -85:1.0 1.0, -84:1.4 0.0, 83:-1.0 -1.0, -82:-1.0 -1.0, -81:-1.0 -1.0, -80:-1.0 -1.0, -79:-1.0 -1.0, -78:-1.0 -1.0, -77:-1.0 -1.0, -76:-1.0 -1.0, -75:-1.0 -1.0, -74:-1.0 1.0, -73:-1.0 -1.0, -72:1.0 -1.0, -71:-1.0 -1.0, -70:-1.0 -1.0, -69:-1.0 -1.0, -68:-1.0 -1.0, -67:-1.0 -1.0, -66:-1.0 -1.0, -65:-1.0 -1.0, -64:-1.0 1.0, -63:1.0 1.0, -62:1.0 -1.0, -61:-1.0 -1.0, 81 -60:-1.4 0.0, -59:1.0 -1.0, -58:1.0 -1.0, -57:-1.0 -1.0, -56:-1.0 -1.0, -55:-1.0 -1.0, -54:-1.0 -1.0, -53:-1.0 -1.0, -52:-1.0 -1.0, -51:-1.0 -1.0, -50:-1.0 -1.0, -49:-1.0 -1.0, -48:-1.0 1.0, -47:1.0 1.0, -46:-1.0 -1.0, -45:-1.0 -1.0, -44:-1.0 -1.0, -43:-1.0 -1.0, -42:-1.0 -1.0, -41:-1.0 -1.0, -40:-1.0 -1.0, -39:-1.0 1.0, -38:1.0 -1.0, -37:1.0 1.0, -36:1.4 0.0, -35:-1.0 -1.0, -34:-1.0 1.0, 33:1.0 -1.0, -32:-1.0 -1.0, -31:-1.0 -1.0, -30:-1.0 -1.0, -29:-1.0 -1.0, -28:-1.0 -1.0, -27:-1.0 -1.0, -26:-1.0 1.0, -25:-1.0 1.0, -24:-1.0 -1.0, -23:1.0 -1.0, -22:1.0 1.0, -21:1.0 -1.0, -20:-1.0 -1.0, -19:-1.0 -1.0, -18:-1.0 -1.0, -17:-1.0 -1.0, -16:-1.0 -1.0, -15:-1.0 -1.0, -14:-1.0 1.0, -13:-1.0 1.0, -12:-1.4 0.0, -11:1.0 -1.0, -10:1.0 1.0, -9:-1.0 -1.0, -8:1.0 -1.0, -7:-1.0 -1.0, -6:-1.0 -1.0, -5:-1.0 -1.0, -4:-1.0 -1.0, -3:-1.0 1.0, -2:-1.0 -1.0, -1:-1.0 1.0, 0:0.0 0.0, 1:-1.0 -1.0, 2:1.0 -1.0, 3:1.0 1.0, 4:-1.0 -1.0, 5:-1.0 -1.0, 6:-1.0 -1.0, 7:-1.0 -1.0, 8:1.0 -1.0, 9:-1.0 -1.0, 10:-1.0 -1.0, 11:-1.0 -1.0, 12:-1.4 0.0, 13:-1.0 -1.0, 14:1.0 1.0, 15:1.0 -1.0, 16:1.0 -1.0, 17:-1.0 -1.0, 18:1.0 -1.0, 19:-1.0 -1.0, 20:-1.0 -1.0, 21:-1.0 -1.0, 22:-1.0 -1.0, 23:-1.0 -1.0, 24:-1.0 -1.0, 25:-1.0 1.0, 26:-1.0 -1.0, 27:1.0 1.0, 28:1.0 1.0, 29:1.0 1.0, 30:-1.0 -1.0, 31:-1.0 -1.0, 32:-1.0 -1.0, 33:-1.0 -1.0, 34:-1.0 -1.0, 35:-1.0 -1.0, 36:-1.4 0.0, 37:1.0 -1.0, 38:-1.0 -1.0, 39:-1.0 -1.0, 40:1.0 -1.0, 41:1.0 1.0, 42:-1.0 1.0, 43:1.0 -1.0, 44:-1.0 -1.0, 45:-1.0 -1.0, 46:-1.0 -1.0, 47:-1.0 -1.0, 48:-1.0 -1.0, 49:-1.0 -1.0, 50:-1.0 1.0, 51:1.0 1.0, 52:1.0 -1.0, 53:-1.0 -1.0, 54:1.0 1.0, 55:1.0 -1.0, 56:-1.0 -1.0, 57:-1.0 1.0, 58:-1.0 -1.0, 59:-1.0 -1.0, 60:1.4 0.0, 61:-1.0 -1.0, 62:-1.0 -1.0, 63:-1.0 -1.0, 64:1.0 -1.0, 65:1.0 -1.0, 66:-1.0 -1.0, 67:-1.0 1.0, 68:-1.0 -1.0, 69:-1.0 -1.0, 70:-1.0 -1.0, 71:-1.0 -1.0, 72:-1.0 -1.0, 73:-1.0 -1.0, 74:-1.0 -1.0, 75:-1.0 1.0, 76:-1.0 1.0, 77:1.0 -1.0, 78:-1.0 1.0, 79:-1.0 1.0, 80:-1.0 -1.0, 81:-1.0 -1.0, 82:-1.0 -1.0, 83:-1.0 -1.0, 84:1.4 0.0, 85:-1.0 -1.0, 86:-1.0 -1.0, 87:1.0 -1.0, 88:-1.0 1.0, 89:-1.0 1.0, 90:1.0 -1.0, 91:1.0 -1.0, 92:1.0 -1.0, 93:-1.0 -1.0, 94:-1.0 -1.0, 95:-1.0 -1.0, 96:-1.0 -1.0, 97:1.0 -1.0, 98:-1.0 -1.0, 99:-1.0 -1.0, 100:-1.0 1.0, Test Data F3 3B 9B 7C E4 C3 74 04 D2 71 9D CA EB BC 2D 67 EF EA 69 E4 0E 5A D0 02 23 33 32 9A 45 32 03 BF 71 EE 77 6B D8 86 33 AC D6 05 AE 61 D4 80 B5 6D 4D 30 31 AE 4D 8A 26 B2 60 DC DA 97 7F E6 D2 A5 D1 A9 57 4A 57 88 BA 4F D6 91 5E B3 8B 71 B1 9F CB F4 85 E1 2C FA 45 40 E0 BC 22 03 E4 32 4C A9 48 78 10 FD 95 6C 83 55 6E 39 94 C2 Scrambled Data F0 CD 93 48 D4 7B D7 97 1B 19 2A B9 58 95 87 92 11 D6 6D 6C 15 6A 8A A3 FC F7 F2 00 C6 6D 08 7D 49 62 E4 40 B2 7D 4D B7 D2 5F B7 BD 80 49 4F D9 52 88 70 3F C8 EF 39 82 EC 23 19 52 0A 4C A8 79 02 28 79 43 AA 2D C9 A7 C9 9B 84 F0 CE 6E 7D EF B6 0F 00 1F DA 70 61 8E 18 5B 6F BA EA B6 45 A1 99 26 D9 77 3A C5 FF 60 3D 25 48 2F E7 Reed-Solomon Encoded Data BE FA 5B 3D CC 2D 9D 25 42 DF 84 E2 F0 CD 93 48 D4 7B D7 97 1B 19 2A B9 58 95 87 92 11 D6 6D 6C 15 6A 8A A3 FC F7 F2 00 C6 6D 08 7D 49 62 E4 40 B2 7D 4D B7 D2 5F B7 BD 80 49 4F D9 52 88 70 3F C8 EF 39 EC 23 19 52 0A 4C A8 79 02 28 79 43 AA 2D C9 A7 C9 9B 84 F0 CE 6E 7D EF B6 0F 00 1F DA 70 61 8E 18 5B 6F BA EA B6 45 A1 99 26 D9 77 3A C5 FF 60 3D 25 48 2F E7 Convolutionally Coded Data C4 63 BE 7A 98 3F EA EA 30 BC 1A 2F 1D CE 0C 62 8D 7A 05 2A C0 53 F2 A7 FE D1 0B 44 FE 4E 85 34 EF 34 7E F5 6A 01 A0 83 D7 26 12 25 A5 86 58 18 E6 C2 17 BA 6F 49 A8 3B 96 CE 6E B2 D2 06 BE FF 30 0B F3 D8 45 1D 7C 15 D0 BC B5 97 85 A2 C7 6A 99 91 BD 6C D0 82 1B EB 41 6F 23 FF ED 42 59 46 0E F2 38 9D C6 45 D5 CD AE 09 DD C2 1C 55 83 3D D0 3E 2B DA 62 2D 54 51 65 04 F6 04 CB 76 BB C9 E0 35 D4 19 C4 96 C0 0E 5E B3 DD 6B D0 71 59 46 Interleaved Data F0 BB 9A 9B 4F E2 3D 87 F6 24 67 9A 68 F2 5E 4D 6F BF 2C 4D 59 DA E3 03 24 36 C0 6E 1A 4D 4B DC F1 56 95 4F CF 8F 8A 4E 21 A6 B8 94 53 63 AD E1 F4 DB 81 DD 47 32 54 1E EC EF 41 14 A9 67 08 01 99 54 C0 5D F7 0E 16 43 0D 45 09 74 AE 5A 78 20 B0 D3 AE 40 A9 41 5F B6 53 07 FF 31 D1 8E 06 F1 23 45 15 A6 15 C4 38 F6 42 63 E9 71 7E C2 01 79 E9 5C 59 E1 54 58 AD D5 12 EA 93 C7 CF 2A FB F8 29 7F 8A BF 52 28 3E A4 38 74 31 B4 9C 7B 31 CE Carrier Mapped Data (Index: I Q) x 1/sqrt(2) -100:-1.5 -0.7, -99:0.2 1.5, -98:-0.2 -1.1, -97:1.5 1.1, -96:-0.7 -1.1, -95:-1.1 -0.7, -94:-1.5 -1.5, -93:-0.7 1.1, -92:0.2 -1.5, -91:1.5 0.7, -90:1.5 -1.5, -89:-1.1 -1.1, -88:0.2 0.2, -87:0.7 -1.1, -86:1.5 -1.1, -85:1.5 1.1, -84:1.4 0.0, 83:1.5 1.1, -82:0.2 -1.5, -81:0.2 0.2, -80:1.5 -1.1, -79:1.1 1.5, -78:1.1 -1.1, -77:-1.5 -1.1, -76:-1.5 -1.5, -75:0.2 1.5, -74:0.7 -0.7, 73:-1.1 -0.2, -72:1.5 0.2, -71:-1.1 -1.1, -70:-0.2 -1.1, -69:0.2 -0.7, -68:0.7 1.5, -67:0.2 0.2, -66:0.7 1.5, -65:1.5 1.5, -64:0.7 0.7, -63:1.5 1.5, -62:-0.7 0.2, -61:-0.2 0.2, -60:-1.4 0.0, -59:0.2 -0.2, -58:1.1 1.1, -57:-1.5 -0.2, -56:-1.1 1.5, -55:-1.1 0.2, -54:1.1 -0.2, 53:-0.2 0.2, -52:1.1 -0.2, -51:0.2 -1.5, -50:-1.1 1.5, -49:-1.5 0.7, -48:-1.5 -1.1, -47:0.2 1.1, -46:1.1 1.5, -45:-0.7 1.1, -44:0.7 -1.1, -43:0.7 -1.1, -42:-0.2 -1.1, -41:0.2 0.2, -40:1.1 0.2, -39:1.1 1.5, -38:1.5 0.7, -37:-1.5 1.1, -36:1.4 0.0, -35:-1.1 -1.5, -34:-0.7 0.2, -33:1.5 -0.2, -32:0.2 -0.2, -31:-0.2 -1.1, -30:0.7 0.2, -29:-1.1 -1.5, -28:1.1 -0.7, -27:1.5 -0.7, -26:-1.1 1.1, -25:1.1 -0.2, -24:0.7 0.2, -23:1.5 1.5, -22:-0.2 -0.7, -21:-1.5 1.5, 83 -20:-1.1 -0.7, -19:0.7 -0.7, -18:1.1 -0.7, -17:-0.2 1.1, -16:1.1 -1.1, -15:1.5 -0.7, -14:0.2 0.7, 13:0.7 0.7, -12:-1.4 0.0, -11:1.5 0.2, -10:-0.7 -0.2, -9:1.1 -0.7, -8:-1.1 0.7, -7:0.7 -0.2, -6:-1.1 -1.5, -5:-1.1 -1.5, -4:0.7 1.5, -3:-0.7 0.2, -2:1.5 0.2, -1:0.7 1.5, 0:0.0 0.0, 1:0.7 1.5, 2:1.1 -0.7, 3:1.1 -0.7, 4:0.2 0.2, 5:1.5 -0.2, 6:0.2 1.1, 7:-1.5 0.2, 8:1.5 1.1, 9:1.5 -1.1, 10:0.7 1.1, 11:0.7 1.1, 12:-1.4 0.0, 13:-1.1 0.7, 14:-1.1 -0.7, 15:-1.5 1.1, 16:-1.5 0.2, 17:0.7 0.7, 18:-0.2 1.1, 19:1.1 -0.7, 20:0.7 -0.2, 21:1.5 -1.5, 22:-0.2 -0.2, 23:-0.7 -0.2, 24:0.2 -0.7, 25:0.7 -1.5, 26:-1.5 -1.5, 27:-1.1 1.5, 28:0.7 -1.5, 29:1.1 0.2, 30:-0.7 1.5, 31:-0.7 0.7, 32:1.5 1.5, 33:-1.1 0.2, 34:0.2 0.7, 35:-1.1 -0.7, 36:-1.4 0.0, 37:1.1 0.7, 38:1.1 -0.2, 39:-0.2 0.2, 40:-0.7 0.2, 41:1.1 -1.5, 42:0.7 -0.7, 43:0.2 -1.1, 44:0.2 -1.5, 45:1.5 0.2, 46:0.7 1.1, 47:1.5 0.7, 48:-1.5 -1.1, 49:-0.7 -0.2, 50:-1.1 0.2, 51:1.5 -1.5, 52:-0.2 -0.7, 53:0.2 0.7, 54:0.7 0.2, 55:1.5 -1.1, 56:1.5 -1.1, 57:-0.7 0.2, 58:1.5 -0.7, 59:1.1 -1.1, 60:1.4 0.0, 61:1.5 -1.1, 62:0.7 -0.2, 63:1.1 -0.7, 64:1.1 -1.1, 65:0.2 1.1, 66:-1.1 -1.5, 67:1.1 0.2, 68:0.7 -0.7, 69:-0.2 -1.1, 70:-0.2 1.1, 71:1.1 1.5, 72:-1.1 0.2, 73:-1.5 -0.7, 74:-1.5 -0.7, 75:-0.2 1.1, 76:-1.5 -1.1, 77:-1.5 -1.5, 78:-0.7 0.7, 79:-0.2 0.2, 80:1.5 -1.5, 81:-1.5 0.7, 82:-0.2 1.1, 83:-1.5 -1.5, 84:1.4 0.0, 85:1.1 -0.7, 86:-0.7 1.1, 87:-0.7 0.7, 88:-1.5 -1.1, 89:-0.2 0.2, 90:0.7 1.5, 91:-0.7 0.2, 92:-1.1 -0.7, 93:0.2 -0.7, 94:1.5 1.5, 95:1.1 1.1, 96:1.5 -0.7, 97:1.5 -1.1, 98:-1.1 1.5, 99:0.7 -1.5, 100:0.2 -1.1, 84 2. Mà CHƯƠNG TRÌNH KHỐI ĐIỀU CHẾ function mod16ofdm(modparams) % mod16ofdm(modparams) % Mo phong 802.16a/ OFDM modulator % modparams: structure of parameters passed in by GUI % Hoang Trung Duong % K9D2 - DH Cong nghe - DH Quoc gia HN % Tel: 093.615.8666 % ----Input source selection switch modparams.input, case 1, % random bytes NumBytes=modparams.length; %max 4095 ? rand('state',0); data=floor(256*rand(1,NumBytes)); case 2, % input data from file infid=fopen(modparams.infile,'r'); if infid[...]... truy cập thì WiMax có thể bao trùm cả một thành phố hoặc nhiều tỉnh thành giống như mạng điện thoại di động Xuất phát từ lý do nắm bắt công nghệ mới, luận văn trình bày tổng quan về WiMAX, công nghệ truyền dẫn OFDM, lớp vật lý IEEE 802.16a và mô phỏng quá trình của lớp vật lý này VII CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN WIMAX 1.1 GIỚI THIỆU 1.1.1 Sự ra đời của WiMAX [17] Chúng ta đã biết đến các công nghệ truy nhập... dụng cả 2 công nghệ TDD và FDD cho việc phân chia truyền dẫn của đường lên và đường xuống - Về cấu trúc phân lớp, hệ thống WiMAX được phân chia thành 4 lớp: Lớp hội tụ (Convergence) làm nhiệm vụ giao diện giữa lớp MAC và các lớp trên, lớp điều khiển truy nhập thiết bị (MAC layer), lớp truyền dẫn (Transmission) và lớp vật lý (Physical) Các lớp này tương đương với hai lớp dưới của mô hình OSI và được tiêu... nhờ công nghệ OFDM, cho phép nhiều thuê bao có thể truy cập đồng thời một hay nhiều kênh một cách linh hoạt để đảm bảo tối ưu hiệu quả sử dụng băng tần Công nghệ này được gọi là công nghệ đa truy nhập OFDMA OFDMA trong WiMAX sử dụng tổng cộng 2048 sóng mang, trong đó có 1536 sóng mang dành cho thông tin được chia thành 32 kênh con, mỗi kênh con tương đương với 48 sóng mang - Cho phép sử dụng cả 2 công. .. ký hiệu OFDM, ISI và khoảng bảo vệ Công nghệ OFDM hỗ trợ truyền số liệu tốc độ cao và tăng hiệu quả dải tần Điều này đạt được là do sự truyền dẫn song song của nhiều sóng mang con qua không trung, mỗi sóng mang con có khả năng mang số liệu điều biến Các sóng mang con được đặt vào các tần số trực giao Trực giao có nghĩa là tần số trung tâm của một sóng mang con nhất định sẽ rơi đúng vào các điểm bằng... thấp hơn và phát mỗi luồng dự liệu đó trên một sóng mang con khác nhau Các sóng mang này trực giao với nhau, thực hiện bằng cách chọn chế độ dãn cách tần số giữa chúng một cách hợp lý 15 2.2 ĐA ĐƯỜNG VÀ HIỆU SUẤT PHỔ TRONG OFDM [6] Công nghệ OFDM thiết kế trong các hệ thống để hoạt động trong các điều kiện môi trường kết nối đa dạng từ Có tầm nhìn thẳng LOS đến tầm nhìn thẳng bị che chắn OLOS và không... WiMAX gần nhất Diễn đàn WiMAX là một tổ chức của các nhà khai thác và các công ty thiết bị và cấu kiện truyền thông hàng đầu Mục tiêu của Diễn đàn WiMAX là thúc đẩy và 1 chứng nhận khả năng tương thích của các thiết bị truy cập vô tuyến băng rộng tuân thủ chuẩn 802.16 của IEEE và các chuẩn HiperMAN của ETSI Diễn đàn WiMAX được thành lập để dỡ bỏ các rào cản tiến tới việc chấp nhận rộng rãi công nghệ. .. được quản lý trung tâm là hoàn toàn có thể 1.3 WIMAX VÀ CÁC CHUẨN 802.16 [5] WiMAX là một lĩnh vực thương mại công nghiệp, đi đầu và phát triển bởi các công ty hàng đầu sản xuất linh kiện và thiết bị truyền thông Tiêu chuẩn được sử dụng cho phép kết nối thiết bị của nhiều hãng khác nhau nếu cùng thoả mãn các điều kiện của việc cấp chứng nhận bởi Diễn đàn WiMAX dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.16 và ETSI... WiMAX đang là lĩnh vực được rất nhiều công ty trên thế gới để ý, nghiên cứu và phát triển Sự phát triển của các chuẩn IEEE 802.16 bắt đầu với 802.16a sử dụng dải tần cấp phép 2-11 GHz Sau đó là các phiên bản 802.16b tăng dải phổ lên tới 5 và 6 GHz, hỗ trợ QoS; 802.16c giới thiệu dải tần 10-66 GHz; 802.16d để xuất các cải tiến cho 802.16a; 802.16e hỗ trợ cho truy nhập di động tốc độ cao Trên thực tế, WiMAX. .. như các hộ gia đình Việc triển khai 802.16 nhằm thỏa mãn yêu cầu này 802.16 hoàn toàn đáp ứng các yêu cầu bảo mật cũng như yêu cầu chất lượng dịch vụ QoS để truyền tải các ứng dụng voice và video Dịch vụ voice của 802.16 tương thích các công nghệ TDM và VoIP Tiêu chuẩn IEEE 802.16e là kế hoạch tiếp theo sau khi cải tiến các tiêu chuẩn IEEE 802.16 trước đó Mục đích của 802.16e là khắc phục hạn chế của... về nhiễu về đa đường, một số công nghệ trước đây đưa ra giải pháp điều chế sóng mang đơn dùng cho các ứng dụng NLOS nhưng cũng chưa mang lại hiệu quả cao Sự ra đời của kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao – OFDM là một bước đột phá trong thị trường truy cập vô tuyến băng rộng OFDM là nằm trong một lớp các kỹ thuật điều chế đa sóng mang trong thông tin vô tuyến Còn trong các hệ thống thông ...Đại học quốc gia Hà nội Trờng đại học công nghệ Hoàng Trùng Dơng Hệ đa sóng mang - đa ngời dùng: công nghệ wimax Và lớp vật lý ieee 802.16 Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành:... QUAN WIMAX 1.1 Gii thiu 1 1.1.1 S i ca WiMAX 1.1.2 C ch hot ng chung ca WiMAX 1.1.3 Cỏc c im chung ca WiMAX 1.2 So sỏnh WiMAX vi WiFi 1.2.1 Cỏc chun 802.11 1.2.2 So sỏnh WiFi v WiMAX 1.3 WiMAX. .. chun IEEE 802.16 bt u vi 802.16a s dng di tn cp phộp 2-11 GHz Sau ú l cỏc phiờn bn 802.16b tng di ph lờn ti v GHz, h tr QoS; 802.16c gii thiu di tn 10-66 GHz; 802.16d xut cỏc ci tin cho 802.16a;