WiMAX là một hệ thống được tích hợp nhiều công nghệ mới và tiến bộ bao gồm điều chế, phân tập anten, .. Các công nghệ và thiết kế đổi mới này cần thiết nhu cầu phát triển truy cập Internet băng rộng, yêu cầu kỹ thuật của kênh không dây băng rộng, các yêu cầu thực tế của phần cứng và RF.
Mục tiêu chủ yếu các công nghệ tiến bộ này là để cung cấp vùng phủ tốt trong môi trường tầm nhìn không thẳng (NLOS) (lớn hơn 90% người sử dụng trong một cell), truyền dẫn tin cậy (lớn hơn 99.9 phần trăm độ tin cậy), tốc độ dữ liệu cao (lớn hơn 2 Mbps) và hiệu quả phổ tần cao (lớn hơn 4 bit/s/Hz/sector).
3.6.1 Chế độ khe thời gian động TDMA MAC
Cung cấp băng thông cao 802.16 được tối tưu hoá để chuyển tốc độ dữ liệu cao đến các trạm thuê bao. Điều này có nghĩa là IEEE 802.16 được xác định một cách duy nhất để mở rộng vô tuyến băng rộng ra xa những giới hạn của các hệ thống ngày nay, cả về khoảng cách và khả năng hỗ trợ các ứng dụng. 3.6.2 Chất lượng dịch vụ
Khả năng thoại thì vô cùng quan trọng, đặc biệt ở thị trường quốc tế sâu xa. Chính nguyên nhân này làm cho chuẩn IEEE 802.16a bao gồm các đặc trưng chất lượng dịch vụ để cho phép các dịch vụ bao gồm thoại và video yêu cầu trễ thấp.
3.6.3 Liên kết thích nghi
Cung cấp độ tin cậy cao
Điều chế và mã hoá thích nghi – subscriber-by- subscriber, burst by burst, đường lên và đường xuống. Sự thích nghi truyền dẫn với điều chế phụ thuộc vào điều kiện kênh, cung cấp độ tin cậy cao đến hệ thống.
Giữ cho nhiều người sử dụng hơn được kết nối bởi việc sử dụng độ rộng kênh linh hoạt và điều chế thích nghi của nó. Bởi vì nó sử dụng các kênh hẹp hơn các kênh cố định 20 MHz được sử dụng ở 802.11, chuẩn 802.16-2004 có thể phục vụ các thuê bao tốc độ dữ liệu thấp hơn mà không lãng phí băng thông.
Điều chế thích nghi cho phép trạm gốc điều chỉnh thông lượng. Cho ví dụ, nếu trạm gốc không thể thiết lập một liên kết thiết thực đến một thuê bao xa bằng cách sử dụng kế hoạch điều chế bậc cao nhất, 64 QAM (điều chế biên độ cầu phương), bậc điều chế được giảm đến 16 QAM hoặc QPSK (khoá dịch pha cầu phương), nó cho phép giảm thông lượng và tăng phạm vi khoảng cách hiệu quả.
3.6.4 Hỗ trợ tầm nhìn không thẳng
Cung cấp thị trường rộng hơn và chi phí thấp hơn
ngôi nhà hoặc công ty ở một kết nối không dây cho phép toà tháp có khả năng kết nối mạnh và ổn định khi gửi một lượng lớn dữ liệu với suy hao và lỗi ít. Truyền dẫn LOS sử dụng tần số cao hơn như 60-100 GHz, cho phép nhiễu thấp và băng thông cao.
WiMAX giải quyết và làm nhẹ các vấn đề gây ra từ điều kiện NLOS bằng cách sửdụng: cấp phát nhiều tần số hỗ trợ từ 2-11 GHz – OFDM và OFDMA cho các ứng dụng NLOS (phổ được cấp phép và không được cấp phép), chia kênh, anten định hướng, phân tập phát và thu, điều chế thích nghi, công nghệ sửa lỗi và điều khiển công suất.
WiMAX cung cấp cả dịch vụ LOS và NLOS. Các trạm truyền dẫn LOS WiMAX gửi dữ liệu đến các máy tính được cho phép WiMAX hoặc các router trong bán kính 30 dặm (có lẽ là 3600 dặm vuông hoặc 9300 km vuông của vùng phủ).
3.6.5 Việc sử dụng phổ hiệu quả cao Cung cấp hiệu suất cao
MAC được thiết kế cho việc sử dụng hiệu quả phổ. Hiệu quả phổ, có thể được xác định như thông tin được chuyển đi trên một đơn vị phổ và được đo bằng bits/s/Herzt/cell, chịu ảnh hưởng bởi các nhân tố khác nhau bao gồm:
• Phương pháp đa truy cập • Phương pháp điều chế • Tổ chức kênh
• Việc sử dụng lại tài nguyên (mã, khe thời gian, sóng mang)
Hiệu quả phổ đóng vai trò quan trọng trong việc quyết định công nghệ, cấu hình, đặc điểm kỹ thuật và các thông số thiết kế khác của mạng không dây băng rộng (thậm chí mạng băng hẹp hoặc không dây thoại khác).
Vài điều quan trọng liên quan đến chi phí, phụ thuộc vào hiệu quả của việc sử dụng phổ là:
• Số lượng lớn phổ được yêu cầu (CapEx)
3.6.6 Băng thông kênh linh hoạt
Cung cấp băng thông theo yêu cầu và tỉ lệ
Khi khoảng cách giữa thuê bao và trạm gốc (hoặc AP) tăng, hoặc khi thuê bao bắt đầu di chuyển bằng đi bộ hoặc khi đang lái xe hơn, nó trở thành một thách thức cho thuê bao để phát thành công trở về trạm gốc với mức công suất đã cho. Với laptop hoặc thiết bị cầm tay, chúng thường không có khả năng phát đến trạm gốc qua khoảng cách dài nếu băng thông kênh rộng.
Chuẩn IEEE 802.16-2004 và 802.16e có các băng thông kênh linh hoạt giữa 1.5 và 20 MHz để thuận tiện cho việc truyền dẫn qua khoảng cách dài hơn và đến các loại khác nhau của thuê bao. Thêm vào đó, sự linh hoạt của băng thông kênh cũng quyết định cho việc lập kế hoạch cell, đặc biệt trong phổ tần được cấp phép.
3.6.7 Hỗ trợ anten thông minh
Cung cấp thông lượng tốt hơn liên quan vùng phủ
Anten thông minh đang được sử dụng để gia tăng mật độ phổ (đó là, số bit nó có thể được thông tin qua kênh đã cho trong thời gian đã cho) và để gia tăng tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) cho cả giải pháp WiMAX (có thể được sử dụng cho công nghệ không dây khác như Wi-Fi). Trong đó, anten thông minh mở rộng khoảng cách, duy trì công suất và cải thiện bảo mật. Anten thông minh cải thiện vùng phủ đáng kể và dung lượng băng thông, thỉnh thoảng mở rộng xa hơn 100 lần so với anten đẳng hướng.
Một anten thông minh bao gồm nhiều phần tử anten. Tín hiệu đến các phần tử này được tính toán và xử lý giúp anten xác định được hướng của nguồn tín hiệu, tập trung bức xạ theo hướng mong muốn và tự điều chỉnh theo sự thay đổi của môi trường tín hiệu.
Công việc tính toán này đòi hỏi thời gian thực để anten thông minh có thể bám theo nguồn tín hiệu khi nó chuyển động. Vì vậy, anten thông minh còn được gọi là anten thích nghi.
anten thường. Thực ra, bản thân các phần tử anten không thông minh, mà sự thông minh được tạo ra do quá trình xử lý số các tín hiệu đến các phần tử anten, quá trình kết hợp tín hiệu và sau đó bức xạ theo một hướng đặt biệt được gọi là beam-forming.
Một
số ư u đi ể m chủ y ế u của anten t hông min h :
• Cải thiện chất lượng tín hiệu của các hệ thống truyền thông vô tuyến bằng cách triệt can nhiễu, loại bỏ hiệu ứng đa đường, và thu phát đúng hướng mong muốn.
• Cải thiện dung lượng hệ thống do tăng khả năng sử dụng lại tần số trong cùng một cell.
• Công suất phát thấp, cho phép thời gian sử dụng năng lượng lâu hơn, và do đó có thể giảm kích thước và khối lượng của các thiết bị đầu cuối. Hơn nữa, việc phát công suất thấp sẽ làm giảm ảnh hưởng đến các kênh kế cận.
• Anten thông minh thích hợp với hầu hết các hệ thống anten vô tuyến hiện nay.
Hình 3.4 – Làm việc với anten thông minh
3.6.8 Các kỹ thuật phát hiện lỗi Cung cấp hiệu suất tốt hơn
Các kỹ thuật phát hiện lỗi đã được áp dụng chặt chẽ trong WiMAX để giảm yêu cầu tỉ số tín hiệu trên nhiễu hệ thống. Phát hiện lỗi trước (FEC), mã hoá Convolutional và các thuật toán xen rẽ được sử dụng để tìm và phát hiện lỗi nhằm cải thiện dung lượng. Các kỹ thuật phát hiện lỗi này giúp phục
hồi các khung bị lỗi có thể bị mất do phađing lựa chọn tần số hoặc lỗi cụm. Yêu cầu phát lại tự động (ARQ) được sử dụng để phát hiện lỗi mà không được phát hiện bởi FEC, bằng cách gửi lại thông tin bị lỗi. Điều này cải thiện đáng kể tỉ số lỗi bit (BER).
3.6.9 Điều khiển công suất
Cung cấp hiệu quả công suất tốt hơn
Các thuật toán điều khiển công suất được sử dụng để cải thiện toàn bộ công suất của hệ thống, trạm gốc gửi thông tin điều khiển công suất đến mỗi CPE để điều chỉnh mức công suất phát, đảm bảo mức công suất nhận được ở trạm gốc là xác định trước. Trong môi trường phađing, mức công suất được xác định trước có nghĩa là CPE chỉ phát đủ công suất để có thể kết nối trong điều kiện tệ nhất. Điều khiển công suất giảm toàn bộ công suất tiêu thụ của CPE và nhiễu với các trạm gốc đồng vị trí khác. Với LOS, công suất phát của CPE phụ thuộc vào khoảng cách của nó tới trạm gốc, với NLOS nó cũng phụ thuộc vào khoảng cách và chướng ngại vật.
3.6.10 Bảo mật dữ liệu
Cung cấp thông tin được bảo mật
WiMAX đảm bảo trao đổi dữ liệu được bảo mật bao gồm: nhận thực bằng cách trao đổi chứng nhận để ngăn chặn các thiết bị xấu, chứng thực người dùng bằng cách sử dụng giao thức nhận thực mở rộng (EAP), mật mã hoá dữ liệu bằng cách sử dụng chuẩn mật mã hoá dữ liệu (DES) hoặc chuẩn mật mã hoá tiến bộ (AES).
3.6.11 Công nghệ ghép kênh
WiMAX sử dụng OFDM (Orthogonal Frenquency Division
Multiplexing –ghép kênh phân chia theo tần số trực giao), một kỹ thuật đa sóng mang cho phép truyền dẫn băng rộng trong môi trường di động với ảnh hưởng đa đường ít hơn tín hiệu đơn với điều chế băng thông rộng.
Hình 3.5 – Dạng sóng OFDM
OFDM phát dữ liệu theo cách song song bằng cách phân phối nó trên một số lượng lớn sóng mang (tone). Để duy trì sự trực giao giữa các tone, các tone này được phân biệt bởi một tần số chính xác. Một tiền tố tuần hoàn được thêm vào, có độ dài lớn hơn khoảng trễ được mong đợi. Tone với mã thích hợp và tần số xen kẽ, được trực giao với mỗi tone khác qua khoảng ký tự OFDM trong khi đa đường trở thành một hệ thống OFDM, có ưu điểm của việc phân tập tần số.
OFDM có thể được thực thi hiệu quả bằng cách sử dụng biến đổi Fourier nhanh (FFTs) ở đầu phát và đầu nhận. Ở đầu nhận, biến đổi Fourier nhanh giảm đáp ứng kênh trong một hằng số nhân lên trên cơ sở tone-by-tone. Với MIMO, đáp ứng kênh trở thành một ma trận. Kể từ khi mỗi tone có thể được cân bằng một cách độc lập, độ phức tạp của bộ cân bằng không gian-thời gian bị huỷ bỏ. Đa đường vẫn còn một ưu điểm khi việc lựa chọn tần số gây ra bởi đa đường cải thiện việc phân phối hàng ngũ các ma trận kênh xuyên qua các tone tần số, do đó làm tăng dung lượng.
Điều chế/giải điều chế một cách đồng thời của dữ liệu trên các sóng mang này được thực hiện hiệu quả bởi IFFT/FFT, được thực hiện bằng cách sử dụng các bộ xử lý tín hiệu số tốc độ cao (DSP).
Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM)
Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) là một kỹ thuật truyền dẫn đa sóng mang đã được công nhận gần đây như một phương pháp thông minh cho truyền thông dữ liệu không dây hai hướng tốc độ cao.
Đa truy cập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) cho phép sóng mang con được ấn định đến những người sử dụng khác nhau. Các nhóm này của sóng mang con được biết như kênh con. OFDMA tỉ lệ cho phép kích thước FFT nhỏ hơn để cải thiện công suất (hiệu suất) cho các kênh băng thông thấp hơn. Điều này ứng dụng cho IEEE 802.16-2004, hiện nay có thể giảm kích thước FFT từ 2048 đến 128 để xử lý băng thông kênh trong dải từ 1.25-20 MHz. Điều này cho phép khoảng cách sóng mang con vẫn còn là một hằng số độc lập của băng thông, nó làm giảm độ phức tạp trong khi cũng cho phép FFT lớn hơn cho công suất được tăng với các kênh rộng.
OFDM và FDM
OFDM tương tự như FDM. OFDM dựa trên ghép kênh phân chia theo tần số (FDM) nhưng OFDM có hiệu quả phổ hơn. FDM là một công nghệ sử dụng nhiều tần số để truyền đồng thời nhiều tín hiệu song song. Mỗi tín hiệu có dải tần số riêng của nó (sóng mang con), nó sau đó được điều chế bởi dữ liệu. Mỗi sóng mang con được phân biệt bởi một băng tần bảo vệ để đảm bảo chúng không bị trùng lấp. Các sóng mang con này sau đó được giải điều chế ở đầu nhận bằng cách sử dụng bộ lọc để phân biệt các băng tần.
OFDM có hiệu quả phổ hơn FDM được tạo ra bởi khoảng cách của các kênh con có thể chồng lên nhau (cho đến khi chúng thật sự chống lấp lên nhau). Điều này tạo ra bởi việc tìm kiếm các tần số mà ở đó chúng trực giao, điều này có nghĩa là chúng vuông góc theo nghĩa toán học, cho phép phổ của mỗi kênh con chồng lấp lên kênh con khác mà không nhiễu với nó. Điều này làm băng thông được yêu cầu giảm một cách đáng kể bởi việc loại bỏ băng tần bảo vệ và cho phép tín hiệu chồng lên nhau. Để giải điều chế tín hiệu, một biến đổi Fourier rời rạc (DFT) là cần thiết. Cácchip biến đổi Fourier nhanh (FFT) thì có giá trị về mặt thương mại.
Hình 3.6 – Kênh OFDM
Sự lựa chọn OFDM như một công nghệ truy cập dựa trên cả những nghiên cứu lớp vật lý và MAC, yêu cầu lớp liên kết và lớp mạng. OFDM cho phép tạo ra kiến trúc hệ thống linh hoạt, nó có thể được sử dụng một cách hiệu quả cho phạm vi rộng của dịch vụ, bao gồm cả thoại và dữ liệu.
OFDM chống lại phađing lựa chọn tần số bằng cách chia kênh thành nhiều kênh con nhỏ hơn. Các băng thông kênh con hẹp làm cho mỗi kênh con này trải qua phading phẳng trong phương tiện truyền dẫn.
Ưu điểm chính của việc sử dụng OFDM là do tính trực giao, hệ thống không chịu nhiễu liên sóng mang (ICI-inter carrier interference) và nhiễu liên ký tự (ISI – Inter symbol interference). OFDM nén một cách hiệu quả nhiều sóng mang được điều chế một cách chặt chẽ với nhau, làm giảm băng thông yêu cầu nhưng giữ tín hiệu điều chế trực giao để chúng không bị nhiễu lẫn nhau. Người sử dụng được phân phát dung lượng trong một hoặc nhiều hơn một nhóm các tone, mỗi người sử dụng có số định rõ các tone.
Ưu điểm khác của OFDM là không bị ảnh hưởng bởi đa đường (nhiều đường tín hiệu bị phản xạ đập vào đầu thu). OFDM lý tưởng trong môi trường vô tuyến di động, trong khi hiệu quả phổ cao của OFDM làm nó là một công
nghệ vô cùng phù hợp để đáp ứng nhu cầu lưu lượng dữ liệu không dây 3.6.12 Công nghệ điều chế
Điều chế là quá trình bằng cách đó sóng mang có thể mang thông điệp hoặc tín hiệu số (chuỗi các bit 1 và 0). Có ba phương pháp điều chế cơ bản: Khoá dịch biên độ (ASK), khoá dịch tần số (FSK), khoá dịch pha (PSK). Bậc điều chế cao hơn cho phép chúng ta mã hoá nhiều bit trên ký tự hơn hoặc chu kỳ (thời gian) lớn hơn.
Trong trường hợp của WiMAX, ASK và PSK có thể được kết hợp để tạo ra QAM, ở đó cả pha và biên độ đều bị thay đổi. Đầu thu nhận tín hiệu được điều chế, dò tìm các sự thay đổi vị trí và giải điều chế tín hiệu trở về luồng dữ liệu ban đầu.
Kế hoạch giải điều chế được thực hiện bởi trạm gốc, phụ thuộc vào khoảng cách đến khách hàng, cũng như thời tiết, nhiễu tín hiệu, và các nhân tố tạm thời khác.
802.16 hỗ trợ “điều chế thích nghi”, điều này cho phép nó tăng vùng phủ ở nơi cần thiết, khi đó dung lượng giảm. Điều chế bậc cao (chẳng hạn 64 QAM hoặc QAM) cung cấp thông lượng cao ở vùng phủ nhỏ, trong khi điều chế bậc thấp hơn (chẳng hạn 16 QAM) cung cấp thông lượng thấphơn ở vùng phủ cao hơn, từ một trạm gốc.
Hình 3.7 - Điều chế thích nghi
Điều chế thích nghi
Điều chế thích nghi và mã hoá, đặc tính chủ yếu của thiết kế lớp vật lý WiMAX cho phép các tốc độ dữ liệu khác nhau được ấn định cho người dùng khác nhau phụ thuộc vào điều kiện kênh của họ. Khi các điều kiện kênh thay đổi theo thời gian, đầu thu chọn một bộ thống kê kênh, nó được sử dụng ở