Sự thực thi và dung lƣợng của hệ thống truyền dần không dây bị giới hạn bởi ba nguyên nhân suy hao chính: fading, trễ truyền lan và nhiễu. Hệ thống anten nâng cao, bao gồm hệ thống anten đa dạng, hệ thống anten thích ứng, hệ thống anten MIMO, có thể đƣợc sử dụng trong mạng FBWA để làm giảm nhẹ những nguyên nhân gây suy giảm trên.
Hệ thống anten đa dạng đƣợc sử dụng để làm giảm biên độ tín hiệu fading gây ra bởi sự truyền đa đƣờng. Hệ thống sử dụng nhiều anten ở các vị trí khác nhau
trong cùng một khu vực cho cùng một nhiệm vụ thu hoặc phát tín hiệu. Các anten này bố trí cách nhau một khoảng hợp lý để tín hiệu nhận đƣợc từ các anten khác nhau là độc lập với nhau. Các tín hiệu độc lập này đƣợc đƣa vào một bộ cộng tín hiệu, sau một quá trình xỷ lý, sẽ quyết định lựa chọn tín hiệu nào tốt nhất để sử dụng. Kỹ thuật này còn đƣợc gọi là phân tập không gian để chống fading.
Hệ thống anten thích ứng, hay còn gọi là anten thông minh, đƣợc sử dụng để đối phó với nhiẽu đồng kênh. Những hệ thống này sử dụng qua trình xử lý dãy thích ứng (adaptive array processing) để cấu hình (shape) mô hình phát xạ anten (antenna radiation pattern), làm tăng tín hiệu mong muốn nhận đƣợc đồng thời vô hiệu hoá nhiễu. Trình tự truyền động nhận đƣợc sẽ đƣợc so sánh với một mẫu gốc, và dãy anten đƣợc điều chỉnh để làm giảm đến mức tối thiểu sự khác nhau giữa hai tín hiệu nhận đƣợc từ hai anten. Nó nhắm đến sự thu nhận tín hiệu tối ƣu và làm giảm đến mức nhỏ nhất nhiễu đồng kênh.
Hệ thống anten MIMO sử dụng rất nhiều anten tại cả hai phía phát và thu tín hiệu. Ý tƣởng này xuất phát từ sự phản hồi kênh giữa các kênh khác nhau của các anten khác nhau đủ để không tƣơng quan với nhau. Do đó, nhiều chùm dữ liệu có thể truyền đồng thời, làm gia tăng dữ liệu của hệ thống mà không cần tăng thêm băng tần.
Chuẩn IEEE 802.16 ủng hộ hệ thống sử dụng các hệ thống anten tiên tiến. Một số nhà sản xuất cũng quảng cáo các sản phẩm sử dụng hệ thống anten MIMO.
CHƢƠNG 4
XÂY DỰNG CHƢƠNG TRÌNH MATLAB ĐỂ MÔ PHỎNG BER TRONG HỆ THỐNG WIMAX 4.1. GIỚI THIỆU CÔNG CỤ VÀ CHƢƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG [40, 41, 42]
4.1.1. Thiết lập sơ đồ khối mô phỏng WiMax
Chƣơng trình đƣợc xây dựng thành nhiều Modul nhỏ, viết bằng ngôn ngữ mô phỏng Matlab 7.0.4 (R14 SP2). Mỗi Modul xử lý các vấn đề riêng của hệ thống WiMax nhƣ: Xử lý dữ liệu phía phát, ngẫu nhiên hóa, mã hóa (Reed Solomon), xáo trộn, điều chế, kênh truyền, nhiễu, giải điều chế, giải xáo trộn, giải mã, dữ liệu phía thu,… Ta có sơ đồ khối của hệ thống Wimax ở phía phát và thu nhƣ hình vẽ 4.1
4.1.2. Diễn giải các khối và thuật toán
- Random data generator (Tạo dữ liệu ngẫu nhiên): Dùng PRBS tạo ngẫu nhiên (Pseudo Random Binary Sequence) với thanh ghi dịch 15 trạng thái theo công thức 1 + x14 + x15 và cổng XOR nhƣ hình vẽ 4.2
Hình 4.2: Tạo chuỗi nhị phân ngẫu nhiên giả PRBS
- Reed-Solomon Encoder (N=255, K=239, T=8) sử dụng đa thức GF (28).
- Convolutional Encoder (Mã hóa chập): Đa thức sinh G1 = 171OCT (cho đầu ra X) và G2 = 133OCT (cho đầu ra Y) nhƣ hình vẽ 4.3
Bảng 4.1: Các tham số của mã hóa chập
”1”: Sử dụng đầu ra mã hóa chập. “0”: Không sử dụng đầu ra mã hóa chập
Phía thu sử dụng giải mã Viterbi để giải mã chập
- Interleaver (Xáo trộn khối): Kích thƣớc khối phụ thuộc vào số bit mã hóa trên một kênh con trong một symbol OFDM, Ncbps. Trong chuẩn 802.16, xáo trộn đƣợc thực hiện qua 2 đa thức. Đa thức thứ nhất thực hiện ánh xạ các bít mã hóa liền kề lên các sóng mang con không liền kề. Đa thức thứ 2 thực hiện ánh xạ luân phiên các bít mã hóa liền kề lên các bit MSB hoặc LSB của chòm sao, vì thế tránh đƣợc chuỗi các bít dài không phù hợp (toàn “0” hoặc “1”).
Ở đây s = ceil(Ncpc/2). Trong đó Ncpc = 1, 2, 4, 6 tƣơng ứng với PBSK, QPSK, 16QAM, 64QAM.
Ở phía thu sử dụng 2 đa thức sau:
- Modulator, Insert CP (Điều chế, chèn CP): Sử dụng điều chế PBSK, QPSK, 16QAM, 64QAM. Thực hiện việc chèn CP với G = 1/4, 1/8, 1/16, 1/32.
- OFDM Symbols : Các tham số đƣợc tính toán nhƣ sau: + Kích thƣớc FFT: NFFT = 256
+ Tần số lấy mẫu: Fs = floor(n*BW/8000)*8000 + Khoảng cách giữa các sóng mang f = Fs/ NFFT.
+ Thời gian hữu ích (chỉ tính phần dữ liệu) của symbol, Tb = 1/f
+ Thời gian của tiền tố lặp (CP) Tg = G.Tb. Trong đó G = 1/4, 1/8, 1/16, 1/32. + Thời gian tổng cộng symbol (dữ liệu + khoảng bảo vệ) Ts = Tb + Tg
- Channel Model (Mô hình kênh): Mô hình suy hao đƣờng truyền, nhiễu giao thoa đồng kênh và kênh cạnh nhau, nhiễu Gauss trắng (AWGN), kênh SUI-1 đến SUI-6, trải trễ đa đƣờng, Hiệu ứng Doppler, Kênh đa đƣờng Rician Rayleigh fading, …
Các khối còn lại ở phía thu thực hiện ngược lại với phía phát.
4.1.3. Các tham số khác thiết lập trong mô phỏng
- Bán kính cell: 7 km
- Độ cao anten phát BTS: 30 m
- Độ cao anten thu: 6m
- Góc mở chùm tia anten phát BTS: 1200
- Góc mở chùm tia anten thu: Vô hƣớng (omnidirectional)
- Phân cực: Đứng
- Phủ sóng 90% cell với mức độ tin cậy 99.9%.
4.2. KẾT CẤU CỦA CHƢƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG
Các File code matlab .m đƣợc sắp xếp trong cùng một thƣ mục: “Mo Phong Wimax”. File chính của chƣơng trình là “Wimax.m” sẽ yêu cầu ngƣời dùng nhập vào các tham số nhƣ: phƣơng thức điều chế, khoảng bảo vệ, mô hình kênh mô phỏng, độ rộng băng thông, số symbol mô phỏng,… Đồng thời file chính của chƣơng trình sẽ gọi tới tất cả các hàm con khác để đƣa ra đồ thị biểu diễn BER theo Eb/No dựa trên các tham số đã nhập vào khi chạy chƣơng trình.
Để chạy chương trình mô phỏng, chạy file Wimax.m trong thư mục “Mo phong WiMax” hoặc gõ lệnh “Wimax” trong cửa sổ command.
Sau đó chƣơng trình sẽ hiện ra menu chính để ngƣời dùng có thể lựa chọn mô phỏng BER theo EbNo của hệ thống WiMax nhƣ hình vẽ 4.3 dƣới đây:
Hình 4.4: Giao diện chính của chương trình mô phỏng
1) Mô phỏng với các phương thức điều chế khác nhau (BPSK,QPSK,16QAM và 64QAM).
2) Mô phỏng với các tham số G "Cyclic Prefix - CP" (1/4, 1/8, 1/16, 1/32). 3) Mô phỏng với các mô hình kênh SUI khác nhau (1 đến 6).
4) Mô phỏng với sự khác nhau về độ rộng băng (BW) của hệ thống. 5) Thoát khỏi chương trình.
Tùy theo lựa chọn (1, 2, 3, 4) của ngƣời sử dụng mà chƣơng trình sẽ yêu cầu nhập vào các thông số đầu vào khác nhau nhƣ: Phƣơng thức điều chế, độ dài khoảng bảo vệ CP, kênh mô phỏng, độ rộng băng thông, số symbol OFDM mô phỏng,… Sau đó chƣơng trình sẽ chạy ra kết quả mô phỏng. Chú ý thời gian chạy mô phỏng phụ thuộc vào các tham số mà ngƣời dùng đã nhập và tốc độ xử lý của máy tính (thông thƣờng khoảng vài phút đến vài tiếng).
4.3. MỘT SỐ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
4.3.1. Mô phỏng BER với các phƣơng thức điều chế khác nhau
Lựa chọn menu 1, nhập vào các thông số như sau:
- Tiền tố vòng (Cyclic Prefix): 1/4
- Kênh mô phỏng: SUI-1
- Độ rộng băng thông: 10 MHz
- Số symbol OFDM mô phỏng: 1000
Kết quả mô phỏng như Hình vẽ 4.5 (a, b, c, d).
(a) Điều chế BPSK (b) Điều chế QPSK
(c) Điều chế 16QAM (d) Điều chế 64QAM
Hình 4.5: Kết quả mô phỏng BER với các phương thức điều chế khác nhau (G=1/4, BW = 10MHz, kênh SUI-1)
Lựa chọn menu 1, nhập vào các thông số khác như dưới đây:
- Tiền tố vòng (Cyclic Prefix): 1/4
- Kênh mô phỏng: AWGN
- Độ rộng băng thông: 10 MHz
- Số symbol OFDM mô phỏng: 1000
Kết quả mô phỏng như Hình vẽ 4.6(a, b, c, d).
(a) Điều chế BPSK (b) Điều chế QPSK
(c) Điều chế 16QAM (d) Điều chế 64QAM
Hình 4.6: Kết quả mô phỏng BER với các phương thức điều chế khác nhau (G=1/4, BW = 10MHz, kênh AWGN)
4.3.2. Mô phỏng BER với các tham số CP khác nhau
Lựa chọn menu 2, nhập vào các thông số như sau:
- Phƣơng thức điều chế: 64QAM
- Kênh mô phỏng: SUI-3
- Độ rộng băng thông: 7 MHz
- Số symbol OFDM mô phỏng: 1000
Kết quả mô phỏng như Hình vẽ 4.7
Hình 4.7: Kết quả mô phỏng với khoảng bảo vệ khác nhau (kênh SUI-3) Lựa chọn menu 2, nhập vào các thông số khác như dưới đây:
- Phƣơng thức điều chế: BPSK
- Kênh mô phỏng: AWGN
- Độ rộng băng thông: 7 MHz
- Số symbol OFDM mô phỏng: 1000
Hình 4.8: Kết quả mô phỏng với khoảng bảo vệ khác nhau (kênh AWGN, BPSK) Lựa chọn menu 2, nhập vào các thông số khác như sau:
- Phƣơng thức điều chế: 64QAM
- Kênh mô phỏng: AWGN
- Độ rộng băng thông: 28 MHz
- Số symbol OFDM mô phỏng: 1000
Kết quả mô phỏng như Hình vẽ 4.9
4.3.3. Mô phỏng BER với các kênh SUI khác nhau (từ 1 đến 6)
Nhƣ trong mục 3.6.2 đã đề cập về mô hình kênh SUI (Stanford University Interim), ta có thể phân loại nhƣ sau:
SUI-1, SUI-2: Tƣơng ứng với địa hình bằng phẳng, ít cây cối. SUI-3, SUI-4: Tƣơng ứng với địa hình trung du, cây cối vừa phải. SUI-5, SUI-6: Tƣơng ứng với địa hình đồi núi, nhiều cây cối.
Lựa chọn menu 3, nhập vào các thông số như sau:
- Tiền tố vòng (Cyclic Prefix): 1/4
- Phƣơng thức điều chế: BPSK
- Độ rộng băng thông: 10 MHz
- Số symbol OFDM mô phỏng: 1000
Kết quả mô phỏng như Hình vẽ 4.10
Hình 4.10: Kết quả mô phỏng với các kênh SUI khác nhau (Từ SUI-1 đến SUI-6)
4.3.4. Mô phỏng BER với các độ rộng băng (BW) khác nhau
Lựa chọn menu 4, nhập vào các thông số như sau:
- Tiền tố vòng (Cyclic Prefix): 1/4
- Phƣơng thức điều chế: QPSK
- Số symbol OFDM mô phỏng: 1000
Kết quả mô phỏng như Hình vẽ 4.11
Hình 4.11: Kết quả mô phỏng với độ rộng băng thông khác nhau (kênh SUI-4) Với các tham số nhập vào khác như dưới đây:
- Tiền tố vòng (Cyclic Prefix): 1/4
- Phƣơng thức điều chế: QPSK
- Kênh mô phỏng: AWGN
- Số symbol OFDM mô phỏng: 1000
Kết quả mô phỏng như hình vẽ 4.12
4.4. NHẬN XÉT KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Qua đồ thị kết quả mô phỏng ở mục 4.3, so sánh tỷ lệ lỗi bít (BER) cho thấy, BER theo mô phỏng cao hơn lý thuyết. Đồng thời khi tỷ số Eb/No càng lớn thì BER sẽ càng nhỏ. Điều này là hoàn toàn đúng bởi vì trong thực tế truyền sóng vô tuyến từ phía phát đến phía thu qua kênh truyền bao giờ cũng bị suy hao, nhiễu xạ, tán xạ, phản xạ, … Do vậy kết quả thu đƣợc trong thực tế sẽ khác một chút so với lý thuyết tính toán.
Tỷ lệ BER trong từng mô phỏng còn phụ thuộc vào các tham số đầu vào: Điều chế, khoảng bảo vệ, băng thông, địa hình (mô hình kênh mô phỏng), nhiễu (AWGN), …
- Đối với phương thức điều chế: Với cùng một giá trị tham số đầu vào (khoảng bảo vệ, băng thông, kênh mô phỏng, số symbol mô phỏng, …) thì tham số BER sẽ thay đổi theo phƣơng thức điều chế nhƣ sau: BERBPSK < BERQPSK < BER16QAM < BER64QAM.
- Đối với khoảng bảo vệ (Guard): Với cùng một giá trị tham số đầu vào (điều chế, băng thông, kênh mô phỏng, số symbol mô phỏng, ...) thì tham số BER sẽ thay đổi theo khoảng bảo vệ nhƣ sau: BERG=1/4 < BERG=1/8 < BER G=1/16 < BER G=1/32.
- Đối với mô hình kênh mô phỏng (địa hình): Với cùng một giá trị tham số đầu vào (khoảng bảo vệ, điều chế, băng thông, số symbol mô phỏng, ...) thì tham số BER sẽ thay đổi theo mô hình kênh (địa hình) nhƣ sau:
BERSUI-1,2 < BER SUI-3,4 < BER SUI-5,6
Nghĩa là: BERđịa hình bằng phẳng, ít cây < BERđịa hình vừa phải < BERđịa hình đồi núi, nhiều cây
- Đối với độ rộng băng thông (BW): Với cùng một giá trị tham số đầu vào (khoảng bảo vệ, điều chế, kênh mô phỏng, số symbol mô phỏng, ...) thì tham số BER sẽ thay đổi theo độ rộng băng thông (BW) nhƣ sau:
CHƢƠNG 5
KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG WIMAX TẠI VIỆT NAM
5.1. CÁC ỨNG DỤNG CỦA WIMAX [35] 5.1.1. Các mô hình ứng dụng 5.1.1. Các mô hình ứng dụng
WiMAX tích hợp hoàn toàn vào các mạng cố định và di động đang tồn tại, bố sung chúng khi cần thiết. Một số ứng dụng WiMAX thƣờng gặp nhƣ:
Truy nhập băng rộng last-mile cố định nhƣ một sự thay thế cho DSL có dây, cable, hoặc các kết nối T1.
Backhaul chi phí rẻ cho các vị trí cell và các hotspot WiFi Khả năng kết nối tốc độ cao cho các doanh nghiệp.
VoIP, IPTV, VoD, ...
Mô hình ứng dụng WiMax bao gồm 2 loại chính: Wimax cố định (Fixed Wimax) và Wimax di động (Mobile Wimax).
5.1.1.1. Mô hình ứng dụng cố định (Fixed WiMAX)
Mô hình cố định sử dụng các thiết bị theo tiêu chuẩn IEEE 802.16 -2004. Tiêu chuẩn này gọi là “không dây cố định” vì thiết bị thông tin làm việc với các anten đặt cố định tại nhà các thuê bao. Anten đặt trên nóc nhà hoặc trên cột tháp tƣơng tự nhƣ chảo thông tin vệ tinh.
Tiêu chuẩn IEEE 802.16 - 2004 cũng cho phép đặt anten trong nhà nhƣng khả năng thu sóng không đƣợc tốt bằng anten ngoài trời. Băng tần công tác (theo quy định và phân bổ của quốc gia) trong băng 2,3/2,5 GHz hoặc 3,3/3,5 GHz. Trong mạng cố định, WiMAX thực hiện cách tiếp nối không dây đến các modem cáp, đến các đôi dây thuê bao của mạng xDSL hoặc mạch Tx/Ex (truyền phát/chuyển mạch) và mạch OC-x (truyền tải qua sóng quang). WiMAX cố định có thể phục vụ cho các loại ngƣời dùng nhƣ: các xí nghiệp, các khu dân cƣ nhỏ lẻ, mạng cáp truy nhập WLAN công cộng nối tới mạng đô thị, các trạm gốc BS của mạng thông tin di động và các mạch điều khiển trạm BS.
5.1.1.2. Mô hình ứng dụng WiMax di động (Mobile WiMax)
Mô hình WiMAX di động sử dụng các thiết bị phù hợp với tiêu chuẩn 802.16e bổ sung cho tiêu chuẩn IEEE 802.16 - 2004 hƣớng tới các user cá nhân di động, làm việc trong băng tần thấp hơn 6 GHz. Mạng lƣới này phối hợp cùng WLAN, mạng di động cellular 3G có thể tạo thành mạng di động có vùng phủ sóng rộng. Xu hƣớng công nghệ Mobile Wimax sẽ trở thành phổ biến trên toàn bộ các thiết bị: máy tính, điện thoại di động, PDA,...vào những năm tiếp theo.
5.1.2. CPE Wimax [4]
CPE WiMAX, trong hầu hết các trƣờng hợp, một đầu cuối “plug and play” đơn giản, tƣơng tự với modem DSL, cung cấp khả năng kết nối nhƣ hình 5.3 và 5.4. Đối với những khách hàng đƣợc đặt ở vị trí vài km từ trạm gốc WiMAX, một anten bên ngoài tự cài đặt có thể đƣợc yêu cầu để cải thiện chất lƣợng truyền dẫn. Để phục vụ các khách hàng ở biệt lập, một anten chỉ dẫn trỏ đến trạm gốc WiMAX có thể đƣợc yêu cầu. Với các khách hàng yêu cầu thoại thêm vào các dịch vụ băng rộng, CPE cụ thể sẽ cho phép kết nối bình thƣờng hoặc các cuộc gọi điện thoại VoIP. Cuối cùng thì chip WiMAX sẽ đƣợc nhúng trong các thiết bị trung tâm dữ liệu.
Hình 5.3: CPE WiMAX cho truy nhập cố định, card WiMAX PC
5.2. MỘT SỐ HỆ THỐNG WIMAX HIỆN CÓ TRÊN THỊ TRƢỜNG [3, 24]
Nhà sản xuất Avarion Cambridge
Broadband Navini
Redline
Communications Wi-LAN Hệ thống BreezeAccess OFDM
VectaStar
3500 Ripwave AN-100 Libra 3000 Song công FDD FDD TDD TDD/ H-FDD FDD Đa truy nhập CSMA/CA TDMA CDMA đa sóng
mang TDMA TDMA
Điều chế OFDM 64- FFT điểm, BPSK, QPSK,16QA M, 64QAM Đơn sóng