Lớp vật lý vô tuyến của WiMAX dựa theo lớp vật lý vô tuyến MAN-OFDM mô tả trong chuẩn 802.16, trên cơ sở kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM.
1.6.1 Mã hóa kênh
Mã hóa kênh bao gồm 3 quá trình: ngẫu nhiên hóa, mã hóa FEC, cài xen a. Ngẫu nhiên hóa
Ngẫu nhiên hóa dữ liệu được thực hiện trên mỗi burst dữ liệu cả đường lên và đường xuống. Ngẫu nhiên hóa được thực hiện trên từng đường lên hoặc xuống, nghĩa là với một khối dữ liệu (được xác định bởi các kênh con trên miền tần số và các ký hiệu OFDM trên miền thời gian) của mỗi đường sẽ được dùng một cách độc lập.
Mã giả ngẫu nhiên có đa thức sinh 1 + x14 + x15. Mỗi byte dữ liệu được phát sẽ đi vào bộ tạo mã giả ngẫu nhiên một cách tuần tự từ bit già nhất MSB. Ngẫu nhiên hóa chỉ áp dụng cho các bit thông tin, không dùng cho bit tiêu đề. Các bit sau ngẫu nhiên hóa sẽ được đưa vào bộ mã hóa sửa lỗi trước FEC (Forward Error Correction).
Hình 1.7 Bộ tạo mã giả ngẫu nhiên b. Mã hóa sửa lỗi trước FEC (Forward error correction)
Mã hóa sửa lỗi trước FEC bao gồm việc kết hợp mã Reed-Solomon (RS) bên ngoài và mã xoắn Convolutional code với tỉ lệ phù hợp bên trong, hỗ trợ trên cả đường lên và đường xuống. Ngoài ra có thể hỗ trợ mã hóa Turbo khối BTC (Block Turbo Coding) và mã Turbo xoắn CTC (Convolutional Turbo Codes) như các tùy chọn. Mó Reed-Solomon – Convolutional coding tỉ lệ ẵ luụn được dựng làm chế độ mã hóa khi yêu cầu truy nhập mạng (ngoại trừ trong các chế độ tạo kênh con chỉ sử dụng mó xoắn tỉ lệ ẵ) và trong burst tiờu đề điều khiển khung FCH (Frame Control Header).
Mã hóa được thực hiện bằng cách biến đổi dữ liệu theo định dạng khối thông qua mã hóa RS và sau đó đưa qua một mã xoắn tận cùng 0 (zero-terminating).
c. Cài xen
Tất cả các bit dữ liệu sau khi đã mã hóa sẽ được cài xen bởi một bộ cài xen khối với kích thước tương ứng với số bit đã mã hóa trên các kênh con được cung cấp trên mỗi ký tự OFDM. Hàm cài xen được định nghĩa bởi một phép hoán vị 2 bước. Bước đầu tiên đảm bảo các bit đã mã hóa gần nhau được ánh xạ vào một sóng mang phụ không kề nhau. Phép hoán vị thứ hai đảm bảo các bit đã mã hóa gần nhau được ánh xạ luân phiên vào các bit ít hay nhiều ý nghĩa hơn của chùm ký hiệu, do đó tránh được việc xảy ra các bit có độ tin cậy thấp trong thời gian dài.
1.6.2 Điều chế a. Điều chế số
Sau quá trình đan xen bit, các bit dữ liệu được đưa vào theo thứ tự tới bộ tạo ánh xạ chùm. Các kỹ thuật điều chế được hỗ trợ bao gồm BPSK, QPSK ánh xạ
Gray, 16 QAM và 64 QAM. Các chùm ánh xạ sẽ được khôi phục lại bằng cách ghép chùm điểm với hệ số chỉ thị c để đạt được công suất trung bình là như nhau.
Hình 1.8 Chòm sao BPSK, QPSK, 16 QAM và 64 QAM b. Điều chế pilot
Sóng mang phụ chứa pilot (mẫu tin dẫn đường) sẽ được chèn vào mỗi burst (nhóm bit) dữ liệu để cấu thành ký tự và được điều chế theo sóng mang xác định bên trong ký tự OFDM. Pilot được sử dụng để khôi phục hàm truyền kênh vô tuyến và được lấy ra sau khi giải điều chế OFDM.
c. Mã hóa chỉ thị tốc độ
Chỉ thị tốc độ (Rate_ID) được dùng để chỉ thị loại điều chế. Chỉ thị tốc độ được mã hóa ở burts đầu tiên ở đường xuống ngay sau tiêu đề điều khiển khung (Frame Control Header – FCH). Chỉ thị tốc độ được mã hóa cố đinh và không thể thay đổi.
d. Kỹ thuật điều chế thích ứng
Một trong những đặc điểm nổi bật trong công nghệ WiMAX là việc sử dụng kỹ thuật điều chế thích ứng từ BPSK, QPSK đến 64-QAM để tối ưu hóa quá trình truyền dẫn. Mức điều chế phụ thuộc vào chất lượng tín hiệu thông qua tỉ số tí hiệu trên nhiễu SNR. Với kênh truyền tốt (có SNR cao) có thể điều chế 64 QAM, khi SNR giảm thì giảm mức điều chế xuống để duy trì chất lượng kết nối và độ ổn định của liên kết. Mức điều chế càng cao thì hiệu suất sử dụng băng thông (tính theo số bit/s/Hz) càng lớn nhưng đòi hỏi tỉ số công suất sóng mang trên công suất tạp âm CNR lớn hơn do đó đòi hỏi tỉ số SNR cao hơn, nếu không sẽ làm tăng tỉ lệ lỗi bit BER. Với mức điều chế thấp cho phép với tỉ số SNR thấp mà vẫn có thể đảm bảo BER< 10-3 (giới hạn trên cho tỉ lệ lỗi bit).
Để quyết định lựa chọn mức điều chế hệ thống sẽ dựa trên kết quả đo SNR tại đầu cuối thu và trên cơ sở đảm bảo một tỉ lệ lỗi bit BER cho trước. Cụ thể hệ thống sẽ sử dụng lược đồ điều chế thích ứng và đảm bảo BER thấp hơn 10-3 sẽ cho hiệu suất phổ là cao nhất. Với SNR<10dB thì phải sử phương pháp điều chế BPSK.
Với SNR trong khoảng 10dB<SNR<17dB sử dụng phương pháp điều chế BPSK hoặc QPSK, 17dB<SNR<23dB sử dụng điều chế 16 QAM, với SNR>23dB có thể sử dụng mức điều chế 64 QAM.
Hình 1.10 Lược đồ điều chế thích ứng
Các điểm gần trạm gốc BS (trong phạm vi 5km) có tỉ số SNR>23dB nên sẽ sử dụng loại điều chế 64QAM. Nhìn chung càng ra xa trạm gốc tỉ số SNR càng giảm do đó mức điều chế giảm. Tại rìa vùng phủ sóng khi SNR xuống thấp (khoảng 10dB) sẽ phải sử dụng điều chế BPSK. Ngoài ra với các điểm ở gần trạm gốc nhưng bị che khuất bởi nhiều vật cản làm tỉ số SNR giảm cũng có thể sử dụng phương pháp điều chế mức thấp.