5.2.1. Định nghĩa WIMAX
WIMAX (Worldwide Interoperability For Microwave Access) là khả năng kết nối không dây trên diện rộng với truy nhập vi ba. Nó cho phép truy nhập băng thông rộng vô tuyến đến đầu cuối (last mile) như một phương thức thay thế cho cáp là DSL.
WIMAX cho phép kết nối băng rộng vô tuyến cố định, mang xách tay được, di động mà không cần thiết ở trong tầm nhìn thẳng (line of sight) trực tiếp đến một trạm.
WIMAX có 2 phiên chính: WIMAX cố định (Fixed WIMAX) WIMAX di động (Mobile WIMAX)
WiMax đã được tiêu chuẩn hoá 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 (Line of Sight) và đường truyền che khuất NLOS (Non line of sight).
- Dải tần làm việc 2-11GHz và từ 10-66GHz hiện đã và đang được tiêu chuẩn hoá. Trong WiMax hướng truyền tin được chia thành hai đường lên và xuống. Đường lên có tần số thấp hơn đường xuống và đều sử dụng công nghệ OFDM để truyền. OFDM 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. WiMax sử dụng điều chế nhiều mức thích ứng từ BPSK, QPSK đến 256-QAM kết hợp các phương pháp sửa lỗi dữ liệu như ngẫu nhiên hoá, với mã hoá sửa lỗi Reed Solomon, mã xoắn tỷ lệ mã từ 1/2 đến 7/8.
- Độ rộng băng tần của WiMax từ 5MHz đến trên 20MHz được chia thành nhiều băng con 1,75MHz. 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 (OFDM access).
- Cho phép sử dụng cả hai công nghệ TDD (time division duplexing) và FDD (frequency division duplexing) cho việc phân chia truyền dẫn của hướng lên (uplink) và hướng xuống (downlink).
- Về cấu trúc phân lớp, hệ thống WiMax được phân chia thành 4 lớp: Lớp con tiếp ứng (Convergence) làm nhiệp vụ giao diện giữa lớp đa truy nhập
và lớp vật lý (Physical). Các lớp này tương đương với hai lớp dưới của mô hình OSI và được tiêu chuẩn hoá để có thể giao tiếp với nhiều ứng dụng lớp trên như mô tả ở hình dưới đây.
Hình 5.12. Mô hình phân lớp trong hệ thống WiMax so sánh với OSI
5.2.3. Các chuẩn của WIMAX
Chuẩn cơ bản 802.16
Chuẩn 802.16 được tạo ra với mục đích là tạo ra những giao diện (Interface) không dây dựa trên một giao thức MAC (Media Access Control) chung. Kiến trúc mạng cơ bản của 802.16 bao gồm một trạm phát BS (Base Station) và người sử dụng (SS-Subcribe Station ). Trong một vùng phủ sóng, trạm BS sẽ điều khiển toàn bộ sự truyền dữ liệu (Traffic). Điều đó có nghĩa là sẽ không có sự trao đổi truyền thông giữa 2 SS với nhau. Nối kết giữa BS và SS sẽ gồm một kênh Downlink và Uplink. Kênh Uplink sẽ chia sẽ cho nhiều SS trong khi kênh Downlink có đặc điểm Broadcast. Trong trường hợp không có vật cản giữa BS và SS (Line of sight ), thông tin sẽ được trao đổi trên băng tần cao. Ngược lại, thông tin sẽ được trao đổi ở băng tần thấp để chống lại nhiễu.
Các chuẩn bổ sung của WIMAX
Chuẩn 802.16a: Chuẩn này sử dụng băng tần có bản quyền từ 2-11 Ghz. Đây là băng tần thu hút được nhiều quan tâm nhất vì tín hiệu truyền có thể vượt được các chướng ngại trên đường truyền. 802.16a còn thích ứng cho việc triển khai mạng Mesh mà trong đó một thiết bị cuối (Terminal) có thể
liên lạc với BS thông qua một thiết bị cuối khác. Với đặc tính này, vùng phủ sóng của 802.16a BS sẽ được nới rộng.
Chuẩn 802.16b: Chuẩn này hoạt động trên băng tần 5-6Ghz với mục đích cung ứng dịch vụ với chất lượng cao (QoS). Cụ thể chuẩn ưu tiên truyền thông tin của những ứng dụng Video, thoại, Real-time thông qua những lớp dịch vụ khác nhau (Class of Service).
Chuẩn 802.16c: Chuẩn này định nghĩa sóng các Profile mới cho dải băng tần từ 10-66 Ghz với mục đích cải tiến Interoperability.
Chuẩn 802.16d: Có một số cải tiến nhỏ so với 802.16a. Chuẩn này được chuẩn hoá 2004. Các thiết bị Pre-WIMAX có trên thị trường là dựa vào chuẩn này.
Chuẩn 802.16e: Đang trong giai đoạn hoàn thiện và chuẩn hoá. Đặc điểm nổi bật của chuẩn này là khả năng cung cấp các dịch vụ di động (vận tốc di chuyển lớn nhất mà có thể sử dụng dịch vụ này lên đến 100 Km/h ).
Ngoài ra, còn có nhiều chuẩn bổ sung khác đang được triển khai hoặc đang trong giai đoạn chuẩn hoá như 802.16g, 802.16f, 802.16h…
5.2.4. Công nghệ OFDM cho việc truyền dẫn vô tuyến ở mạngWiMax WiMax
WiMax sử dụng công nghệ OFDM ở giao diện vô tuyến để truyền tải dữ liệu và cho phép các thuê bao truy nhập kênh. Cũng có nhiều công nghệ khác nhau ở giao diện này như FDM, CDMA. Tuy nhiên OFDM đã chứng tỏ là nó có những ưu việt hơn rất nhiều về tốc độ truyền, tỷ lệ lỗi bit, cũng như hiệu quả sử dụng phổ tần nên đã được IEEE chọn làm công nghệ truyền dẫn cho truyền thông vô tuyến băng rộng trong chuẩn IEEE 802.16e. Chú ý rằng môi trường truyền thông vô tuyến là một mỗi trường khắc nghiệt nhất trong truyền dẫn thông tin. Nó gây suy hao tín hiệu về biên độ cũng như suy hao lựa chọn tần số, kèm theo các hiệu ứng pha đinh đa đường. Sự suy hao này đặc biệt tăng nhanh theo khoảng cách và ở tần số cao, ngoài ra còn tùy thuộc vào địa
Hình 5.2 và Bảng 1 ở dưới đây là nghiên cứu trên các hệ thống ISM tần số 2,4GHz và UNII tần số 5,4GHz minh hoạ sự suy giảm theo khoảng cách và trên các loại địa hình với các điều kiện truyền dẫn khác nhau.
Hình 5.13. Suy giảm tín hiệu theo khoảng cách
Bảng 5.3. Sự suy giảm tín hiệu trong môi trường vô tuyến
Mô tả Mức độ suy giảm
Khu vực trung tâm thành phố nhiều nhà cao (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
tầng 20dB thay đổi từ phố này tới phố khác
Khu vực ngoại ô ít nhà cao tầng tăng 10dB tín hiệu so với vùng trung tâm
Khu nông thôn tăng 20dB tín hiệu so với vùng ngoại ô
Khu vực địa hình không đều và vùng nhiều
cây cối công suất tín hiệu thay đổi từ 3-12dB
Trong môi trường truyền dẫn đa đường, nhiễu xuyên ký tự (ISI) gây bởi tín hiệu phản xạ có thời gian trễ khác nhau từ các hướng khác nhau từ phát đến thu là điều không thể tránh khỏi. ảnh hưởng này sẽ làm biến dạng hoàn toàn mẫu tín hiệu khiến bên thu không thể khôi phục lại được tín hiệu gốc ban đầu. Các kỹ thuật sử dụng trải phổ trực tiếp DS-CDMA như trong chuẩn 802.11b rất dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu đa đường vì thời gian trễ có thể vượt quá khoảng thời gian của một ký tự. OFDM sử dụng kỹ thuật truyền song song nhiều băng tần con nên kéo dài thời gian truyền một ký tự lên nhiều lần.
Ngoài ra, OFDM còn chèn thêm một khoảng bảo vệ (guard interval - GI), thường lớn hơn thời gian trễ tối đa của kênh truyền, giữa hai ký tự nên nhiễu ISI có thể bị loại bỏ hoàn toàn. Nhiễu lựa chọn tần số cũng là một vấn đề gây ảnh hưởng lớn đến chất lượng truyền thông tín hiệu. Tuy nhiên, OFDM cũng mềm dẻo hơn CDMA khi giải quyết vấn đề này. OFDM có thể khôi phục lại kênh truyền thông qua tín hiệu dẫn đường (Pilot) được truyền đi cùng với dòng tín hiệu thông tin. Ngoài ra, đối với các kênh con suy giảm nghiêm trọng về tần số thì OFDM còn có một lựa chọn nữa để giảm tỷ lệ lỗi bit là giảm bớt số bít mã hoá cho một tín hiệu điều chế tại kênh tần số đó.
Mặc dù vậy, OFDM không phải không có nhược điểm, đó là nó đòi hỏi khắt khe về vấn đề đồng bộ vì sự sai lệch về tần số, ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler khi di chuyển và lệch pha sẽ gây ra nhiễu giao thoa tần số (Intercarrier interference - ICI) mà kết quả là phá bỏ sự trực giao giữa các tần số sóng mang và làm tăng tỷ số bít lỗi (BER). Tuy nhiên OFDM cũng có thể giảm bớt sự phức tạp của vấn đề đồng bộ thông qua khoảng bảo vệ (GI). Sử dụng chuỗi bảo vệ (GI) cho phép OFDM có thể điều chỉnh tần số thích hợp mặc dù việc thêm GI cũng đồng nghĩa với việc giảm hiệu quả sử dụng phổ tần số. Ngoài ra OFDM chịu ảnh hưởng của nhiễu xung, có nghĩa là một xung tín hiệu nhiễu có thể tác động xấu đến một chùm tín hiệu thay vì một số ký tự như trong CDMA và điều này làm tăng tỷ lệ lỗi bit của OFDM so với CDMA.
5.2.5. Ứng dụng của WIMAX
WIMAX là chuẩn không dây băng thông rộng hỗ trợ cho cả lĩnh vực máy tính và truyền thông, với hiệu quả chi phí cao. Nó được thiết kế để phục vụ cho nhiều môi trường khác nhau (doanh nghiệp, người sống bình thường, hay dịch vụ công cộng), không kể đến vị trí vật lý (vùng thành thị, ngoại ô, hay nông thôn) hay khoảng cách gần xa.
Về kĩ thuật, chuẩn WIMAX được phát triển với nhiều mục tiêu đề ra, tập trung ở tính đa dụng, hiệu suất cao mà chi phí thấp.
Hình 5.14. Mô tả hệ thống WIMAX
Kiến trúc mềm dẻo
WIMAX hỗ trợ một vài kiến trúc hệ thống bao gồm Point-to-Point, Point-to-MultiPoint và Uniquitous coverage (bao phủ toàn bộ).
WIMAX MAC (Media Access Control) hỗ trợ Point-to-MultiPoint và Ubiquitous bằng cách định một khoảng thời gian cho mỗi Subcriber Station (SS-trạm đăng kí). Nếu chỉ có một SS trong mạng thì WIMAX Base Station (BS-trạm cơ sở) sẽ giao tiếp với SS bằng Point-to-Point.
Bảo mật cao
WIMAX hỗ trợ AES (Advanced Encryption Standard) và 3DES (Triple Data Encryption Standard). Đường truyền giữa SS và BS được mã hoá hoàn toàn, đảm bảo độ tin cậy của dịch vụ. Ngoài ra WIMAX hỗ trợ VLAN, đảm bảo tín riêng tư dữ liệu của mỗi người dùng trong cùng BS.
WIMAX QoS
WIMAX có thể tối ưu truyền các loại dữ liệu khác nhau, dựa trên các loại dịch vụ là: Unsolicited Grant Service (UGS), Real Time Polling Service (rtPS), Non Real Time Polling Service (nrtPS) và Best Effort (BE).
Triển khai nhanh
Triển khai không cần kéo cáp, chỉ cần một dải băng thông, một cột thu phát sóng (antenna) và một thiết bị được cài đặt cùng với nguồn điện, WIMAX có thể sẵn sàng hoạt động. Trong đa số các trường hợp, WIMAX có thể triển khai trong vòng một vài giờ, so sánh với hàng tháng với những giải pháp khác.
Multi-Level - Service
Quản lý băng thông có thể thực hiện xa hơn dựa trên nền tảng Service Level Agreement (SLA-mức độ phục vụ chấp nhận được) giữa nhà cung cấp và người dùng cuối. Và nhà cung cấp có thể đáp ứng SLA khác nhau cho mỗi người dùng thậm chí trên cùng một SS.
Interoperability - tương tác
WIMAX dựa trên nền tảng quốc tế, trung lập với nhà sản xuất. Điều này thuận lợi cho người dùng di chuyển và sử dụng đăng kí của họ ở nhiều vùng khác nhau và hơn nữa là khác nhà cung cấp. Tính tương tác bảo vệ cho nhà điều hành khi sử dụng nhiều thiết bị của các sóng khác nhau trong cùng mạng, chống tính độc quyền và kết quả là giá cả thiết bị giảm đi đáng kể.
Portability-di chuyển được
Như hệ thống cellular hiện nay, một khi WIMAX SS bật lên, nó sẽ tự động kết nối với BS, xác định các đặc tính của đường truyền với BS dựa trên cơ sở dữ liệu SS đã đăng kí và thực hiện truyền dữ liệu.
Mobility-di động
Chuẩn IEEE 802.16e bổ sung sóng đặc tính hỗ trợ di động, cho phép tốc độ di chuyển lên đến 160 km/h.
WIMAX là chuẩn mở mang tính quốc tế, sử dụng các công nghệ chipset chi phí thấp, nên giá thành giảm xuống đáng kể.Và kết quả là người dùng cùng với nhà cung cấp dịch vụ đều tiết kiệm được chi phí. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Bao phủ rộng
WIMAX có khả năng bao phủ một vùng địa lý rộng lớn khi mà con đường giữa BS và SS không có vật cản.
Non-line-of-sight (NLOS )
Khả năng giúp sản phẩm WIMAX có thể phân phối băng thông rộng ở môi trường NLOS, đặc tính mà các thiết bị không dây khác không có.
Công suất lớn
Sử dụng những bộ phát sóng và kênh băng thông lớn, WIMAX có thể cung cấp băng thông đáng kể cho người dùng.
Kĩ thuật WIMAX thực sự sẽ làm được một cuộc cách mạng trong phương tiện liên lạc. Nó sẽ cung cấp đầy đủ tự do cho người dùng yêu cầu khả năng di động cao, cho phép họ sử dụng cả dịch vụ voice, data, và video trên cùng một thiết bị.
Ngoài ra WIMAX cho phép người ta có thể di chuyển địa điểm từ ở nhà, văn phòng, trên đường đi hay tất cả mọi nơi trên thế giới mà dịch vụ được cung cấp vẫn không hề ảnh hưởng gì.
Để hình dung được khả năng của WIMAX có thể đáp ứng nhu cầu của mọi người như thế nào, ta có thể xem xét một số mô hình ứng dụng của WIMAX trong mạng nội bộ cũng như ở các dịch vụ công cộng.
5.3. Kết luận
Hệ thống DVB-T sử dụng kỹ thuật OFDM, thông tin cần phát được phân chia vào một lượng lớn các sóng mang. Các sóng mang này chồng lên nhau trong miền thời gian và tần số và được mã hoá riêng biệt, do đó giao thoa chỉ ảnh hưởng đến vài sóng mang và tối thiểu hoá âm thanh của nhiễu.
Như đã xét ở các chương trước, ta thấy việc ứng dụng OFDM có hiệu quả rất lớn trong truyền hình số mặt đất (DVB-T), nhờ khả năng chống lại
nhiễu ISI,ICI gây ra do hiệu ứng đa đường. Trong chương tiếp trình bày chương trình mô phỏng truyền dẫn tín hiệu trong hệ thống OFDM khi có nhiễu trắng cộng (AWGN).
Có thể nói WIMAX là chuẩn sẽ được mọi người mong đợi nhất vì tính ưu việt của nó trong thiết kế cũng như trong ứng dụng. Hệ thống của WIMAX được tích hợp rất nhiều công nghệ nhanh và hiệu quả.
WIMAX sử dụng các kĩ thuật OFDM nhằm tận dụng tối đa băng thông tiết kiệm được nguồn tài nguyên về tần số, đồng thời nâng cao tốc độ của đường truyền đáp ứng được các nhu cầu của các dịch vụ đòi hỏi các ứng dụng thời gian thực.
Công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao - OFDM là một công nghệ hiện đại cho truyền thông tương lai. Hiện nay việc nghiên cứu và ứng dụng OFDM không ngừng được nghiên cứu và mở rộng phạm vi ứng dụng bởi những ưu điểm trong việc tiết kiệm băng tần và khả năng chống lại fading chọn lọc tần số cũng như xuyên nhiễu băng hẹp. Đồ án đã tìm hiểu, trình bày những vấn đề cơ bản của kỹ thuật OFDM cũng như một số vấn đề kỹ thuật cho công nghệ OFDM, OFDMA và khả năng ứng dụng OFDM vào các công nghệ tương lai này.
Đồng bộ là một vấn đề quan trọng không chỉ trong hệ thống OFDM mà còn cả trong các hệ thống khác cũng vậy. Hệ thống OFDM yêu cầu khắt khe về vấn đề đồng bộ vì sự sai lệch về tần số, ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler khi di chuyển và lệch pha sẽ gây ra nhiễu giao thoa tần số (ICI). Trong bất kỳ một hệ thống OFDM nào, hiệu suất cao phụ thuộc vào tính đồng bộ hóa giữa máy phát và máy thu, làm mất tính chính xác định thời dẫn đến nhiễu ISI và ICI khi mất độ chính xác tần số
Việc tìm hiểu tổng quan về OFDM và giải quyết các vấn đề kỹ thuật trong hệ thống OFDM, chúng ta có thể hướng đến ứng dụng của OFDM trong tương lai như:
Nghiên cứu, tìm hiểu một số hệ thống OFDM nâng cao như VOFDM (Vector OFDM), COFDM (Coded OFDM), WOFDM (Wideband OFDM),...
Kết hợp OFDM với các công nghệ khác như FDMA, TDMA và CDMA để tạo thành các kỹ thuật đa truy cập trong thông tin di động.
Ứng dụng OFDM trong DVB-T, WLAN, OFDMA,... Ứng dụng công nghệ OFDM trong WiMAX.
Do hạn chế về thời gian và năng lực nên nội dung đồ án tốt nghiệp này