Luận văn: KỸ THUẬT XỬ LÝ TÍN HIỆU TRONG WiMAX pot

ĐATN Lời Giới Thiệu


SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 i 1






Luận văn


KỸ THUẬT XỬ LÝ TÍN HIỆU TRONG WiMAX












ĐATN Lời Giới Thiệu


SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 i 2

LỜI GIỚI THIỆU


Sự ra đời của chuẩn 802.16 cho mạng WiMAX (Worldwide Interoperability for
Microwave Access - Khả năng tương tác toàn cầu với truy nhập vi ba) nó đánh dấu
sự bắt đầu cho một kỷ nguyên truy nhập không dây băng rộng cố định đang đến giai
đoạn phát triển. Nó mang đến những thách thức lớn cho mạng hữu tuyến hiện tại vì
nó có một chi phí thấp khi lắp đặt và bảo trì. Chuẩn này cũng áp dụng cho mạng
truyền thông vô tuyến đường dài (lên tới 50km) trong thực tế và có thể sẽ là một sự
bổ sung hoặc thay thế cho mạng 3G. Tất cả những đặc tính đầy hứa hẹn này của
WiMAX sẽ mang lại một thị trường lớn trong tương lai.
Xuất phát từ những vấn đề nêu trên, em đã lựa chọn đề tài “KỸ THUẬT XỬ LÝ
TÍN HIỆU TRONG WiMAX”.
Mục tiêu đầu tiên của đồ án này là nghiên cứu những đặc tính mới của
WiMAX và tập trung chủ yếu vào việc phân tích lớp vật lý và lớp truy nhập.
Mục tiêu thứ hai là tìm hiểu về kỹ thuật điều chế OFDM (Orthogonal
Frequency Division Multiple – Ghép kênh phân tần trực giao) và kỹ thuật OFDMA
(Orthogonal Frequency Division Multiple Access - Đa truy nhập phân tần trực giao)
được sử dụng trong WiMAX
Mục tiêu thứ ba là thực hiện việc mô phỏng quá trình xử lý tín hiệu trong
WiMAX dựa trên kỹ thuật OFDM
Nội dung đồ án gồm 4 chương chính như sau :
Chương 1: Tổng quan về công nghệ WiMAX
Trong chương 1 này sẽ trình bày về những khái niệm cơ bản, về cấu trúc, các
băng tần sử dụng, các ứng dụng thực tế và những ưu nhược điểm của công nghệ
WiMAX.
Chương 2: Kỹ thuật điều chế OFDM
ĐATN Lời Giới Thiệu

SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 i 3
Trong chương 2 sẽ trình bày những khái niệm cơ bản, ưu nhược điểm, nguyên
lý điều chế và giải điều chế của kỹ thuật điều chế OFDM, và những ứng dụng của
kỹ thuật này.
Chương 3: Kỹ thuật OFDMA trong WiMAX
Trong chương này sẽ trình bày về những khái niệm cơ bản, các đặc điểm và
tính chất nổi bật của kỹ thuật đa truy nhập phân tần trực giao OFDMA. Qua đó
chúng ta có thể thấy được những ưu điểm của kỹ thuật này trong việc xử lý truyền
nhận tín hiệu nói chung và ứng dụng trong công nghệ WiMAX nói riêng.
Chương 4: Chương trình mô phỏng hệ thống OFDM
Để hiểu hơn những vấn đề lý thuyết được trình bày trong những chương trước.
Trong chương cuối cùng này, sẽ trình bày chương trình mô phỏng quá trình xử lý
tín hiệu trong WiMAX dựa trên kỹ thuật điều chế OFDM. Đây là chương trình được
viết bằng Matlab, chương trình bao gồm sơ đồ khối mô phỏng sự phát và thu
OFDM, mô phỏng kênh truyền, tính BER so sánh tín hiệu OFDM và QAM, sơ đồ
khối mô phỏng hệ thống OFDM bằng simulink của Matlab.
Trong thời gian làm đồ án, em đã cố gắng rất nhiều song do kiến thức còn hạn
chế, thời gian nghiên cứu đề tài có hạn và nguồn tài liệu chủ yếu là các bộ chuẩn và
các bài báo tiếng Anh trên mạng nên đồ án còn nhiều sai sót trong quá trình dịch
thuật. Em rất mong nhận được sự phê bình, các ý kiến đóng góp chân thành của các
thầy cô và các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn.

Đà Nẵng, năm 2008
Sinh viên thực hiện
Trần Văn Xang

ĐATN Lời Giới Thiệu


SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 i 4





CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WiMAX


 Giới thiệu chương: Trong chương 1 này sẽ tìm hiểu về những khái niệm cơ
bản, về cấu trúc, các băng tần sử dụng trong hệ thống mạng WiMAX. Qua
đó chúng ta có thể thấy được các ứng dụng thực tế và những ưu nhược điểm
của công nghệ WiMAX so với các phương thức truyền thông khác.

1.1 Giới thiệu về wimax
WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access - Khả năng tương
tác toàn cầu với truy nhập vi ba) là một công nghệ ra đời dựa trên chuẩn 802.16 của
IEEE cho phép truy cập vô tuyến đầu cuối (last mile) như một phương thức thay thế
cho cáp, DSL và WLAN.
Họ tiêu chuẩn IEEE 802.16 định nghĩa các giao diện vô tuyến trong mạng vô

tuyến nội thị (WiMAX) cho việc truy nhập vô tuyến băng rộng cố định (BWA), nó
cung cấp “chặng cuối” cho công nghệ truy nhập tới các hotpot với thoại, video và
những dịch vụ dữ liệu tốc độ cao. Ưu điểm nổi bật nhất của BWA là nó có chi phí
thấp cho sự lắp đặt và bảo trì so với những mạng hữu tuyến truyền thống hoặc so
với mạng truy nhập quang, đặc biệt là cho những vùng xa xôi hoặc những vùng có
địa hình khó khăn.WiMAX chính là một giải pháp cho việc mở rộng mạng truyền
dẫn quang và nó có thể cung cấp một dung lượng lớn hơn so với các mạng cáp hoặc
các đường thuê bao số (DSL). Các mạng WiMAX có thể được xây dựng dễ dàng
trong một thời gian ngắn bằng cách triển khai một số lượng nhỏ các trạm gốc (BS)
trên các toà nhà hoặc trên các cột điện để tạo ra những hệ thống truy nhập vô tuyến
dung lượng lớn.
ĐATN Lời Giới Thiệu


SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 i 5
Hệ thống WiMAX cho phép kết nối băng rộng vô tuyến cố định (người sử
dụng có thể di chuyển nhưng cố định trong lúc kết nối), mang xách được (người sử
dụng có thể di chuyển ở tốc độ đi bộ), di động với khả năng phủ sóng của một trạm
anten phát lên đến 50km dưới các điều kiện tầm nhìn thẳng (LOS) và bán kính lên
tới 8km không theo tầm nhìn thẳng (NLOS).
1.2 Mô hình hệ thống
Mô hình phủ sóng mạng WiMAX tương tự như một mạng điện thoại di động :



Hình 1.1 Mô hình hệ thống WiMAX

Một hệ thống WiMAX được mô tả như hình gồm có 2 phần :
 Trạm phát: giống như các trạm BTS trong mạng thông tin di động với công
suất lớn, có thể phủ sóng khu vực rộng tới 8000km

2
.
 Trạm thu: có thể là các anten nhỏ như các loại card mạng tích hợp (hay gắn
thêm) trên các mainboard của máy tính như WLAN.
ĐATN Lời Giới Thiệu


SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 i 6
Các trạm phát được kết nối tới mạng Internet thông qua các đuờng truyền
Internet tốc độ cao hay kết nối tới các trạm khác như là trạm trung chuyển theo
đường truyền trực xạ (line of sight) nên WiMAX có thể phủ sóng đến những khu
vực xa.
Các anten thu phát có thể trao đổi thông tin qua qua các đường truyền LOS hay
NLOS.Trong trường hợp truyền thẳng LOS, các anten được đặt cố định tại các điểm
trên cao, tín hiệu trong trường hợp này ổn định và đạt tốc độ truyền tối đa. Băng tần
sử dụng có thể ở tần số cao, khoảng 66GHz, vì ở tần số này ít bị giao thoa với các
kênh tín hiệu khác và băng thông sử dụng lớn. Một đường truyền LOS yêu cầu phải
có đặc tính là toàn bộ miền Fresnel thứ nhất không hề có chướng ngại vật, nếu đặc
tính này không được bảo đảm thì cường độ tín hiệu sẽ suy giảm đáng kể. Không
gian miền Fresnel phụ thuộc vào tần số hoạt động và khoảng cách giữa trạm phát và
trạm thu.

Hình 1.2 Miền Fresnel trong trường hợp LOS

Trong trường hợp truyền NLOS, hệ thống sử dụng băng tần thấp hơn 2-
11GHz, tương tự như WLAN, tín hiệu có thể vượt các vật chắn thông qua đường

Mi
ền Fresnel thứ nhất

ĐATN Lời Giới Thiệu


SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 i 7
phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ ….để đến đích. Các tín hiệu nhận được ở phía thu bao
gồm sự tổng hợp các thành phần nhận được từ đường đi trực tiếp, các đường phản
xạ, năng lượng tán xạ và các thành phần nhiễu xạ. Những tín hiệu này có những
khoảng trễ, sự suy giảm, sự phân cực và trạng thái ổn định liên quan tới đường
truyền trực tiếp là khác nhau.

Hình 1.3 Truyền sóng trong trường hợp NLOS

Hiện tượng truyền sóng đa đường cũng là nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi
phân cực tín hiệu. Do đó sử dụng phân cực cũng như tái sử dụng tần số mà được
thực hiện bình thường trong triển khai LOS lại khó khăn trong các ứng dụng NLOS.
Nếu chỉ đơn thuần tăng công suất phát để “vượt qua” các chướng ngại vật không
phải là công nghệ NLOS. Điều kiện phủ sóng của cả LOS và NLOS bị chi phối bởi
các đặc tính truyền sóng của môi trường, tổn hao trên đường truyền (path loss) và
quỹ công suất của đường truyền vô tuyến.
1.3 Các ưu và nhược điểm của công nghệ WiMAX
1.3.1 Một số ưu điểm chính của công nghệ WiMAX
1.3.1.1 Lớp vật lí của WiMAX dựa trên nền kĩ thuật OFDM (ghép kênh phân
tần trực giao)
Kỹ thuật này giúp hạn chế hiệu ứng phân tập đa đường, cho phép WiMAX hoạt
động tốt trong môi truờng NLOS nên độ bao phủ rộng hơn, do đó khoảng cách giữa
trạm thu và trạm phát có thể lên đến 50km.

ĐATN Lời Giới Thiệu


SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 i 8
Cũng nhờ kĩ thuật OFDM, phổ các sóng mang con có thể chồng lấn lên nhau
nên sẽ tiết kiệm, sử dụng hiệu quả băng thông và cho phép truyền dữ liệu với tốc độ
cao: phổ tín hiệu 10MHz hoạt động ở chế độ TDD (song công phân thời) với tỉ số
đường xuống/đường lên (downlink-to-uplink ratio) là 3:1 thì tốc độ đỉnh tương ứng
sẽ là 25Mbps và 6.7Mbps.
1.3.1.2 Hệ thống WiMAX có công suất cao
Trong WiMAX hướng truyền tin chia thành hai đường : hướng lên( uplink) và
hướng xuống (downlink), hướng lên có tần số thấp hơn hướng xuống và đều sử
dụng kĩ thuật OFDM. OFDM sử dụng tối đa 2048 sóng mang, trong đó 1536 sóng
mang dành cho thông tin được chia thành 32 kênh con, mỗi kênh con tương đương
48 sóng mang. WiMAX còn sử dụng thêm điều chế nhiều mức thích ứng từ BPSK,
QPSK đến 256 - QAM kết hợp các phương pháp sửa lỗi như ngẫu nhiên hoá, mã
hoá sửa lỗi Reed Solomon,mã xoắn tỉ lệ mã từ 1/2 đến 7/8, làm tăng độ tin cậy kết
nối với hoạt động phân loại sóng mang và tăng công suất qua khoảng cách xa hơn.
Ngoài ra WiMAX còn cho phép sử dụng công nghệ TDD và FDD cho việc
phân chia truyền dẫn hướng lên và hướng xuống.
1.3.1.3 Lớp MAC dựa trên nền OFDMA (Orthogonal Frequency Division
Multiple Access- truy nhập OFDM)
Độ rộng băng tần của WiMAX từ 5MHZ đến trên 20MHz được chia nhỏ thành
nhiều băng con 1.75Mhz, mỗi băng con này được chia nhỏ hơn nhờ kĩ thuật OFDM,
cho phép nhiều thuê bao truy cập đồng thời một hay nhiều kênh một cách linh hoạt,
đảm bảo hiệu quả sử dụng băng thông.OFDMA cho phép thay đổi tốc độ dữ liệu để
phù hợp với băng thông tương ứng nhờ thay đổi số mức FFT ở lớp vật lí; ví dụ một
hệ thống WiMAX dùng biến đổi FFT lần lượt là: 128 bit, 512 bit, 1048 bit tương
ứng với băng thông kênh truyền là: 1.25MHz, 5MHz, 10MHz; nhờ vậy sẽ dễ dàng
hơn cho user kết nối giữa các mạng có băng thông kênh truyền khác nhau.

1.3.1.4 Chuẩn cho truy cập vô tuyến cố định và di động tương lai
 WiMAX do diễn đàn WiMAX đề xuất và phát triển dựa trên nền 802.16, tập
chuẩn về hệ thống truy nhập vô tuyến băng rộng cho di động và cố định của
ĐATN Lời Giới Thiệu


SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 i 9
IEEE, nên các sản phẩm, thiết bị phần cứng sẽ do diễn đàn WiMAX chứng
nhận phù hợp, tương thích ngược với HiperLAN của ETSI cũng như Wi-Fi.
 Hỗ trợ các kĩ thuật anten: phân tập thu phát, mã hoá không gian, mã hoá thời
gian.
 Hỗ trợ kĩ thuật hạ tầng mạng trên nền IP : QoS (trong các dịch vụ đa phương
tiện, thoại), ARQ (giúp bảo đảm độ tin cậy kết nối), ….
1.3.1.5 Chi phí thấp
 Thiết lập, cài đặt dịch vụ WiMAX dễ dàng sẽ giảm chi phí cho nhà cung dịch
vụ cũng như khách hàng.
 Tạo điều kiện thuận lợi để phát triển các dịch vụ truyền thông đa phương tiện
ở các vùng sâu, vùng xa, những nơi khó phát triển hạ tầng mạng băng rộng,
khắc phục những giới hạn của đường truyền Internet DSL và cáp.
 CPE vô tuyến cố định có thể sử dụng cùng loại chipset modem được sử dụng
trong máy tính cá nhân (PC) và PDA, vì ở khoảng cách gần các modem có
thể tự lắp đặt trong nhà CPE sẽ tương tự như cáp, DSL và các trạm gốc có
thể sử dụng cùng loại chipset chung được thiết kế cho các điểm truy cập
WiMAX chi phí thấp và cuối cùng là số lượng tăng cũng thỏa mãn cho việc
đầu tư vào việc tích hợp mức độ cao hơn các chipset tần số vô tuyến (RF),
làm chi phí giảm hơn nữa.
1.3.2 Một số nhược điểm của công nghệ WiMAX
 Dải tần WiMAX sử dụng không tương thích tại nhiều quốc gia, làm hạn chế
sự phổ biến công nghệ rông rãi.
 Do công nghệ mới xuất hiện gần đây nên vẫn còn một số lỗ hổng bảo mật.

 Tuy được gọi là chuẩn công nghệ nhưng thật sự chưa được “chuẩn” do hiện
giờ đang sử dụng gần 10 chuẩn công nghệ khác nhau. Theo diễn dàn
WiMAX chỉ mới có khoảng 12 hãng phát triển chuẩn WiMAX được chứng
nhận bao gồm : Alvarion, Selex Communication, Airspan, Proxim Wilreless,
Redline, Sequnas, Siemens, SR Telecom, Telsim, Wavesat, Aperto,
Axxcelera.
ĐATN Lời Giới Thiệu


SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 i
10
 Về giá thành: Dù các hãng, tập đoàn sản xuất thiết bị đầu cuối (như Intel,
Alcatel, Alvarion, Motorola…) tham gia nghiên cứu phát triển nhưng giá
thành vẫn còn rất cao.
 Công nghệ này khởi xướng từ nước Mỹ, nhưng thực sự chưa có thông tin
chính thức nào đề cập đến việc Mỹ sử dụng WiMAX như thế nào, khắc phục
hậu quả sự cố ra sao. Ngay cả ở Việt Nam,VNPT ( với nhà thầu nước ngoài
là Motorola, Alvarion) cũng đã triển khai ở một số tỉnh miền núi phía Bắc,
cụ thể là ở Lào Cai nhưng cũng chỉ giới hạn là các điểm truy cập Internet tại
Bưu điện tỉnh, huyện chứ chưa có những kết luận chính thức về tính hiệu quả
đáng kể của hệ thống.
1.4 Cấu trúc của WiMAX
Về cấu trúc phân lớp, hệ thống WiMAX được phân chia thành 4 lớp:
 Lớp con tiếp ứng (convergence) làm giữ vai trò giao diện giữa lớp đa truy
nhập và các lớp bên trên.
 Lớp đa truy nhập ( MAC layer).
 Lớp truyền dẫn (transmission).
 Lớp vật lý (physical layer)
Các lớp này tương đương với 2 lớp dưới cùng cùng của mô hình OSI,được
tiêu chuẩn hoá để giao tiếp với nhiều ứng dụng lớp trên.

1.4.1 Các đặc tính của lớp vật lý ( PHY)
Có 3 kiểu lớp vật lý ( PHY) được đưa ra trong chuẩn 802.16 :
 WirelessMAN PHY SC: Sử dụng điều chế đơn sóng mang.
 WirelessMAN PHY OFDM 256 điểm FFT: Sử dụng ghép kênh phân chia
theo tần số trực giao có 256 điểm biến đổi Fourier nhanh (FFT). Điều này là
bắt buộc cho các băng tần được miễn cấp phép.
 WirelessMAN PHY OFDMA 2048 điểm FFT: Sử dụng đa truy nhập phân
chia theo tần số trực giao có 2048 điểm FFT. Đa truy nhập được sử dụng
bằng cách gửi một tập con nhiều sóng mang cho các máy thu riêng biệt.
ĐATN Lời Giới Thiệu


SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 i
11
Đầu tiên là Wireless Metropolitan Area Network - Single carrier physical layer
(MAN vô tuyến - lớp vật lý đơn sóng mang) dựa trên tập chuẩn 802.16c, hoạt động
ở băng tần 11-66GHz. Trạm gốc (Base Station-BS) chỉ cần một anten đẳng hướng,
truyền dữ liệu hướng xuống các user đã có mã số nhận dạng kết nối (Connection
Identifer - CID). Các máy thu (Subcriber Station - SS) với các anten định hướng,
hướng về phía các BS (máy phát). Tín hiệu xử lí phía máy phát bao gồm: ngẫu
nhiên hoá, mã hoá sửa lỗi, sắp xếp các kí hiệu, sửa dạng xung (pulse shaping) truớc
khi truyền đi. Ngẫu nhiên hoá để bảo đảm khôi phục tín hiệu phía đầu thu vì nếu tín
hiệu không được mã hoá giả ngẫu nhiên thì năng lượng sẽ tập trung tại một số tần
số nào đó như phổ vạch, điều này tạo ra nguy hiểm cho máy thu, bộ dao động VCO
của máy thu có thể khoá pha tại các tần số này thay vì tại tần số sóng mang sẽ dẫn
đến không giải điều chế được và sẽ mất thông tin của luồng dữ liệu. Bộ mã hoá sửa
lỗi FEC bao gồm mã Reed Solomon, mã chập (mã xoắn), có thể có thêm mã kiểm
tra chẳn lẻ hay mã xoắn turbo (Convolution turbo code - CTC). Tỉ lệ mã phụ thuộc
vào điều kiện của kênh truyền và tỉ số bít lỗi (Bit error rate- BER). Các kĩ thuật điều
chế thường là QPSK, 16-QAM, đôi khi sử dụng 64 - QAM. Chuẩn này áp dụng cho

kết nối vi ba điểm - điểm (point to point- PPP) và điểm - đa điểm (point to multi
point- PMP); giúp tiết kiệm thời gian, chi phí hơn so với việc lắp đặt cáp.
Ngoài ra, tập chuẩn 802.16a cũng hỗ trợ WirelessMAN PHY SC nhưng dành
cho băng tần dưới 11GHZ và hoạt động trong NLOS. SS có thể là một máy tính với
vớ modem gắn ngoài nối với một anten đẳng hướng. Tập chuẩn này cũng hỗ trợ
song công TDD và FDD, như 802.16c, sử dụng thêm các kĩ thuật cân bằng và uớc
lượng kênh để khắc phục hiệu ứng đa đường, và để nâng chất lượng tín hiệu vẫn
phải sử dụng TCM( trellis coded modulation), FEC, ghép xen, hệ thống anten thích
ứng (Adaptive Antenna System - AAS), mã hoá không gian thời gian (Space Time
coding - STC).
WirelessMAN 256 sóng mang dựa trên tập chuẩn 802.16d, cung cấp dịch vụ
kết nối băng rộng trong nhà. Các SS là các thiết bị anten dùng trong nhà và có thể di
chuyển với tốc độ thấp (portable). Nhờ sử dụng OFDM nên cho phép kết nối NLOS
dưới 11GHz, và làm bỏ bớt khối cân bằng trong bộ thu.Các kĩ thuật hỗ trợ cũng
ĐATN Lời Giới Thiệu


SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 i
12
gồm: FEC với Reed-Solomon, AAS, STC, ghép xen; thời gian kí hiệu và số điểm
FFT có thể thay đổi cho phù hợp với băng thông tương ứng.
Với WirelessMAN OFDMA 2048 sóng mang: tương tự như WirelessMAN
256 sóng mang nhưng có nhiều ưu điểm hơn. Dựa trên tập chuẩn 802.16e (2005),
với sự hỗ trợ của OFDMA ở lớp vật lý, cho phép các user (SS) di chuyển với tốc độ
cao, khoảng gần 125km/s, sử dụng mã hoá kênh là mã xoắn, mã xoắn turbo, mã
khối, mã kiểm tra chẳn lẻ mật độ thấp (Low Density Parity Check- LDPC); dữ liệu
được ngẫu nhiên hoá, ghép xen để tránh tổn thất khi khôi phục và lỗi cụm.Ngoài kĩ
thuật AAS, STC còn sử dụng thêm phân tập thu phát (Multi In Multi Out –MIMO).
1.4.2 Các đặc tính của lớp truy nhập (MAC)

Hình 1.4 Phân lớp của WiMAX so với mô hình OSI
Chuẩn 802.16 của IEEE đưa ra cùng một lớp MAC cho tất cả lớp PHY (đơn
sóng mang, 256 OFDM, 2048 OFDMA). Lớp MAC này là kết nối được định hướng
điểm - đa điểm.Hoạt động truy nhập kênh ở lớp MAC của WiMax hoàn toàn khác
so với WiFi. WiMax hỗ trợ phương pháp truyền song công FDD và TDD sử dụng
kỹ thuật truy nhập TDMA/OFDMA. Ưu điểm của phương pháp này là nó cho phép
linh động thay đổi độ rộng băng tần lên hoặc xuống, dẫn đến có thể thay đổi tốc độ
phát (Upload) hoặc thu (Download) dữ liệu chứ không phải là cố định như trong
ASDL hay CDMA.Trong WiFi tất cả các trạm truy nhập một cách ngẫu nhiên đến
điểm truy cập (Access point - AP), chính vì vậy khoảng cách khác nhau từ mỗi nút

Physical Layer
Tranmission
MAC Layer
Convergence
Physical Layer

MAC Layer
Mô hình OSI Kiến trúc phân lớp
c
ủa WiMAX

ĐATN Lời Giới Thiệu


SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 i
13
đến AP sẽ làm giảm thông lượng mạng. Ngược lại,ở lớp MAC của 802.16, lịch trình
hoạt động cho mỗi thuê bao được định trước, do vậy các trạm chỉ có duy nhất một
lần cạnh tranh kênh truyền dẫn là thời điểm gia nhập mạng. Sau thời điểm này, mỗi

trạm được trạm phát gốc gắn cho một khe thời gian. Khe thời gian có thể mở rộng
hay co hẹp lại trong quá trình truyền dẫn. Ưu điểm của việc đặt lịch trình là chế độ
truyền dẫn vẫn hoạt động ổn định trong trường hợp quá tải và số lượng thuê bao
đăng ký vượt quá cho phép, và nó cũng có thể tăng được hiệu quả sử dụng băng
tần. Việc sử dụng thuật toán lịch trình còn cho phép trạm phát gốc điều khiển chất
lượng dịch vụ (Quality of Service -QoS) bằng việc cân bằng nhu cầu truyền thông
giữa các thuê bao.
1.5 So sánh WiMAX với WiFi
WiMAX và WiFi sẽ cùng tồn tại và trở thành những công nghệ bổ sung ngày
càng lớn cho các ứng dụng riêng.Đặc trưng của WiMAX là không thay thế WiFi.
Hơn thế WiMAX bổ sung cho WiFi bằng cách mở rộng phạm vi của WiFi và mang
lại những thực tế của người sử dụng "kiểu WiFi" trên một quy mô địa lý rộng
hơn.Công nghệ WiFi được thiết kế và tối ưu cho các mạng nội bộ (LAN), trong khi
WiMAX được thiết kế và tối ưu cho các mạng thành phố (MAN).Trong khoảng thời
gian từ 2008 - 2010, hy vọng cả 802.16 và 802.11 sẽ xuất hiện trong các thiết bị
người sử dụng từ laptop tới các PDA, cả hai chuẩn này cho phép kết nối vô tuyến
trực tiếp tới người sử dụng tại gia đình, trong văn phòng và khi đang di chuyển.
Mặc dù có cùng mục đích như nhau nhưng chúng ta thấy công nghệ sử dụng trong
mạng WiMAX có một số ưu điểm so với WiFi:
 Sai số tín hiệu truyền nhận ít hơn
 Khả năng vượt qua vật cản tốt hơn
 Số thiết bị sử dụng kết nối lớn hơn hàng trăm so với hàng chục trong WiFi.
 Lớp vật lý MAC (Medium Access Control) dùng trong WiMAX dựa trên kỹ
thuật phân chia theo khe thời gian cho phép đồng nhất băng tần giữa các thiết
bị (TDMA) hiệu quả hơn sơ với WiFi (sử dụng CSMA-CA rất gần
CSMA-CD sử dụng trong mạng Ethernet).Chính vì vậy phổ sóng vô tuyến sẽ
ĐATN Lời Giới Thiệu


SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 i

14
đạt được tốt hơn.
Mạng WiMAX không thể thay thế được WiFi trong các ứng dụng nhưng nó
góp phần bổ sung để hình thành mạng không dây. Xu hướng chung của mạng không
dây đó là cải thiện phạm vi phủ sóng với hiệu quả tốt nhất. Kỹ thuật nổi bật đó là
chiếm lĩnh về không gian, tích hợp với các kỹ thuật hiện tại và quan tâm đến các
yếu tố cơ bản như công suất tiêu thụ thấp, phạm vi lớn, tốc độ truyền dữ liệu cao.
Trong mạng không dây chất lượng tại lớp thấp nhất để có thể điều khiển trễ trong
quá trình truyền và các dịch vụ như thoại, video.
WiMAX và WiFi ứng dụng trong hai môi trường khác nhau. Mục đích của
WiMAX sẽ hướng tới không chỉ là phạm vi phủ sóng mạng di động mà cả những
mạng công cộng khác. Một trong các hướng phát triển quan trọng khác của
WiMAX đó là giải quyết kết nối cho mạng VoIP trong tương lai không xa.
1.6 Các dải tần áp dụng
1.6.1 Các dải tần cấp phép 11-66 GHz
Dải tần từ 11-66 GHz hoạt động trong các môi trường vật lý có bước sóng
ngắn,tầm nhìn thẳng (LOS) và ảnh hưởng của đa đường là không đáng kể. Thông
thường, độ rộng băng tần của kênh trong dải tần này là 25 MHz hoặc 28 MHz.Ở dải
tần này, giao diện vô tuyến áp dụng kiểu điều chế sóng mang đơn WirelessMAN SC
1.6.2 Các dải tần cấp phép dưới 11 GHz
Các tần số dưới 11 GHz hoạt động trong các môi trường vật lý có bước sóng
lớn hơn,điều kiện LOS là không cần thiết và có thể chấp nhận đa đường lớn hơn.
Nó có khả năng hỗ trợ LOS gần và NLOS.
Giao diện Khả năng
áp dụng
Các tuỳ chọn Phương thức

song công
WirelessMAN-SC
TM

11-66 GHz TDD, FDD
WirelessMAN-SC
a
TM
Các băng tần dưới
11GHz được cấp phép
AAS, ARQ,
STC
TDD, FDD
WirelessMAN-OFDM
TM
Các băng tần dưới
11GHz được cấp phép
AAS, ARQ,
Mesh, STC
TDD, FDD
WirelessMAN-OFDMA Các băng tần dưới AAS, ARQ, TDD, FDD
ĐATN Lời Giới Thiệu


SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 i
15
11GHz được cấp phép STC
WirelessHUMAN
TM
Các băng tần dưới 11
GHz được miễn cấp
phép
AAS, ARQ,
Mesh, STC

TDD
Bảng 1.1 Đặc tính của các giao diện vô tuyến
1.6.3 Các dải tần được miễn cấp phép dưới 11 GHz (chủ yếu từ 5-6 GHz)
Đây là băng tần được nhiều nước cho phép sử dụng không cần cấp phép và với
công suất tới cao hơn so với các đoạn băng tần khác trong dải 5GHz (5125-5250
MHz ), thường được sử dụng trong các ứng dụng trong nhà. Băng tần này thích hợp
để triển khai WiMax cố định, độ rộng kênh là 10 MHz.
1.7 Ứng dụng của WiMAX
Đối với các doanh nghiệp, WiMAX cho phép truy cập băng rộng với chi phí
hợp lý. Vì phần lớn các doanh nghiệp sẽ không được chia thành khu vực để có
đường cáp, lựa chọn duy nhất của họ đối với dịch vụ băng rộng là từ các nhà cung
cấp viễn thông địa phương. Điều này dẫn tới sự độc quyền. Các doanh nghiệp sẽ
được hưởng lợi từ việc triển khai các hệ thống WiMAX, nhờ tạo ra sự cạnh tranh
mới trên thị trường,giảm giá và cho phép các doanh nghiệp thiết lập mạng riêng của
mình. Điều này đặc biệt phù hợp đối với các ngành như khí đốt, mỏ, nông nghiệp,
vận tải, xây dựng và các ngành khác nằm ở những vị trí xa xôi, hẻo lánh.
Đối với người sử dụng là hộ gia đình ở những vùng nông thôn (nơi dịch vụ
DSL và cáp chưa thể vươn tới), WiMAX mang lại khả năng truy cập băng rộng.
Điều này đặc biệt phù hợp ở các nước đang phát triển nơi mà hạ tầng viễn thông
truyền thống vẫn chưa thể tiếp cận.
Công nghệ WiMAX cách mạng hoá phương pháp truyền thông. Nó cung cấp
hoàn toàn tự do cho những người thường xuyên di chuyển, cho phép họ lưu lại kết
nối thoại, dữ liệu và các dịch vụ hình ảnh. WiMAX cho phép ta đi từ nhà ra xe, sau
đó đi đến công sở hoặc bất cứ nơi nào trên thế giới, hoàn toàn không có đường nối.
Để minh hoạ khả năng của WiMAX cho các ứng dụng được phân cấp trong phần
trước, một vài mô hình sử dụng tiêu biểu được nhóm thành hai loại lớn: các mạng
công cộng và riêng.
ĐATN Lời Giới Thiệu

SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 i
16
1.7.1 Các mạng riêng
Các mạng riêng, được dùng dành riêng cho một tổ chức, cơ quan hoặc cơ sở
kinh doanh, cung cấp các liên kết thông tin chuyên dụng đảm bảo chuyển giao tin
cậy thoại, dữ liệu và hình ảnh. Triển khai đơn giản và nhanh thường được ưu tiên
cao, và các cấu hình tiêu biểu là điểm tới điểm hoặc điểm tới đa điểm.
1.7.1.1 Chuyển về các nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến
Các nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến (WSPs) sử dụng thiết bị WiMAX để
chuyển lưu lượng từ trạm gốc về các mạng truy cập của họ, như được minh hoạ ở
hình 1.5

Hình 1.5 Minh hoạ chuyển về nhà cung cấp dịch vụ
Các mạng truy cập dựa trên WiFi, WiMAX hoặc bất kỳ công nghệ truy cập vô
tuyến có đăng ký độc quyền. Nếu mạng truy nhập sử dụng thiết bị WiFi, thì toàn bộ
mạng WSP được xem như một hot zone. Vì các WSP thường cung cấp thoại, dữ
liệu và hình ảnh, nên đặc điểm QoS của WiMAX gắn liền sẽ giúp ưu tiên, tối ưu
hoá dung lượng chuyển về. Thiết bị WiMAX có thể được triển khai nhanh, tạo điều
kiện thuận lợi cho việc giới thiệu nhanh mạng WSP. Như đã được minh hoạ, điều
kiện thuận lợi chuyển về thuê từ công ty điện thoại địa phương sẽ tăng chi phí hoạt
động, và triển khai giải pháp cáp quang có thể rất tốn kém và yêu cầu lượng thời
ĐATN Lời Giới Thiệu


SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 i
17
gian đáng kể, tác động chống lại sự giới thiệu dịch vụ mới.Hơn nữa, cáp quang,

DSL không có lợi nhuận trong các vùng nông thôn, ngoại thành, và hầu hết các
phiên bản của DSL,công nghệ cáp không cung cấp được dung lượng yêu cầu cho
các mạng này.
1.7.1.2 Các mạng giáo dục

Hình 1.6 Minh hoạ về mạng giáo dục
Các ban phụ trách trường học có thể sử dụng mạng WiMAX để kết nối các
trường với trụ sở ban trong một quận (huyện), như được minh hoạ ở dưới. Một số
yêu cầu chính cho hệ thống trường học là NLOS, độ rộng băng tần cao (>15 Mbps),
khả năng điểm tới điểm điểm tới đa điểm, và độ phủ rộng. Các mạng giáo dục dựa
vào WiMAX sử dụng QoS, có thể thực hiện đầy đủ các yêu cầu thông tin liên lạc,
bao gồm hệ thống thoại, hoạt động dữ liệu (như các báo cáo của sinh viên), email,
truy cập internet, intranet (dữ liệu), giáo dục từ xa (hình ảnh) giữa trụ sở ban và tất
cả các trường trong vùng; giữa các trường với nhau.
Giải pháp WiMAX cung cấp vùng phủ rộng, làm cho nó có lợi nhuận, đặc biệt
cho các trường ở nông thôn không có hoặc có ít cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc, bị
ĐATN Lời Giới Thiệu


SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 i
18
phân tán khắp nơi. Khi ban phụ trách trường học sở hữu, vận hành các mạng riêng,
họ có thể đáp ứng lại những thay đổi về vị trí và cách bố trí các tiện nghi của họ.
Điều này giảm đáng kể chi phí vận hành các tuyến thuê hàng năm. Các giải pháp có
dây không thể cung cấp khả năng triển khai nhanh chóng, giá thành thấp, và hầu hết
các phiên bản DSL, công nghệ cáp không có thông lượng được yêu cầu bởi các
mạng giáo dục này.
1.7.1.3 An ninh công cộng
Các cơ quan an ninh công cộng của chính phủ, như: cảnh sát, cứu hoả, tìm
kiếm và cứu hộ, có thể sử dụng các mạng WiMAX để hỗ trợ đáp lại những tình

huống cấp cứu và tình trạng khẩn cấp khác,như được minh hoạ ở hình 1.7.
Ngoài ra còn cung cấp truyền thông thoại hai chiều giữa trung tâm giải quyết
nhanh và các đội đáp lại tình trạng khẩn cấp, mạng tiếp sóng các hình ảnh video, dữ
liệu từ địa điểm vụ tai nạn hoặc thảm họa tới trung tâm điều khiển. Dữ liệu này có
thể được tiếp sóng tới các đội chuyên gia cấp cứu hoặc nhân viên khẩn cấp, là
những người có thể phân tích các tính huống trong thời gian thực, như thể là họ
đang ở đó. WiMAX QoS cho phép mạng xử lý các loại lưu lượng khác nhau. Các
giải pháp WiMAX có khả năng triển khai cao, do đó đội đáp ứng ban đầu có thể
thiết lập một mạng vô tuyến tạm thời tại địa điểm vụ tai nạn, sự kiện, hoặc thảm hoạ
tự nhiên trong khoảng vài phút. Họ cũng có thể tiếp sóng lưu lượng từ mạng này trở
về trung tâm giải quyết nhanh hoặc trung tâm điều khiển, qua mạng WiMAX hiện
hành.
ĐATN Lời Giới Thiệu


SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 i
19

Hình 1.7 Minh hoạ về mạng an ninh công cộng
Các giải pháp có dây không phải là các giải pháp thích hợp, do tính không thể
dự đoán, không ổn định của các vụ tai nạn và các thảm hoạ. Ở đây có lẽ cũng yêu
cầu cả tính di động, ví dụ như: một cảnh sát đang phải truy cập cơ sở dữ liệu từ một
phương tiện chuyển động, hoặc môt lính cứu hoả phải tải thông tin về tuyến đường
tốt nhất tới nơi xảy ra hoả hoạn hoặc kiến trúc của tòa nhà đang bị cháy. Các máy
quay video trong xe cứu thương có thể cung cấp trước thông tin về tình trạng của
bênh nhân, trước khi xe cứu thương đến bênh viện. Trong tất cả các trường hợp đó,
WiMAX hỗ trợ tính di động và độ rộng băng tần cao, mà các hệ thống băng hẹp
không thể chuyển được.
1.7.1.4 Các phương tiện liên lạc xa bờ
Các nhà sản xuất ga, dầu có thể sử dụng thiết bị WiMAX để cung cấp các

tuyến nối thông tin liên lạc từ các phương tiện trên mặt đất tới các giàn khoan dầu,
các bệ khoan, để hỗ trợ các hoạt động từ xa, các phương tiện liên lạc cơ bản và an
ninh, như được minh hoạ ở hình 1.8.
ĐATN Lời Giới Thiệu


SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 i
20
Các hoạt động từ xa bao gồm: việc xử lý sự cố từ xa các vấn đề thiết bị phức
tạp, kiểm tra định hướng địa điểm, và truy cập cơ sở dữ liệu. Ví dụ, các đoạn video
của các thành phần hoặc các cụm lắp ráp gặp sự cố được truyền tới đội chuyên gia
trên mặt đất để phân tích. An ninh gồm: kiểm tra đèn cảnh báo, giám sát video. Các
phương tiện liên lạc cơ bản gồm: điện thoại, email, truy cập internet, trao đổi video.


Hình 1.8 Minh hoạ về mạng liên lạc xa bờ
1.7.2 Các mạng công cộng
Trong mạng công cộng,các tài nguyên được truy cập, chia sẻ với những người
sử dụng khác nhau, gồm cả các hãng kinh doanh và các cá nhân riêng biệt. Nói
chung mạng công cộng yêu cầu lợi nhuận qua việc cung cấp vùng phủ song khắp
nơi, vì vị trí của người sử dụng hoặc là cố định hoặc có thể dự đoán được. Các ứng
dụng chính của mạng công cộng là truyền thông thoại và dữ liệu, mặc dù truyền
thông video đang trở nên phổ biến hơn. An ninh là một yêu cầu then chốt, vì nhiều
người sử dụng cùng chia sẻ một mạng. Hỗ trợ kèm theo VLAN và mã hoá dữ liệu là
ĐATN Lời Giới Thiệu


SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 i
21
giải pháp an ninh được sử dụng. Mạng công cộng bao gồm một số bối cảnh sử dụng

được minh hoạ dưới đây.
1.7.2.1 Nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến truy cập mạng
Các nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến (WSPs) sử dụng mạng WiMAX để cung
cấp kết nối tới cả khu dân cư (thoại, dữ liệu và video) và hãng kinh doanh (chủ yếu
là thoại và internet), được minh hoạ ở hình 1.9.

Hình 1.9 Minh hoạ về mạng WiMAX của nhà cung cấp dịch vụ
WSP có thể là một CLEC (các nhà cung cấp tổng đài nội hạt cạnh trạnh) mà
bắt đầu việc kinh doanh với ít hoặc không có cơ sở hạ tầng được lắp đặt. Vì
WiMAX rất dễ để triển khai, nên CLEC có thể lắp đặt mạng nhanh chóng và ở vào
thế cạnh tranh với ILEC (nhà cung cấp sóng mang tổng đài nội hạt).
Kỹ thuật QoS gắn liền với WiMAX rất phù hợp với hỗn hợp lưu lượng được
mang bởi CLEC. QoS MAC cũng đưa ra dịch vụ đa mức để cung cấp cho các nhu
cầu dịch vụ khác nhau của khách hàng. Hỗ trợ nhiều loại dịch vụ cho phép các
luồng thu nhập khác nhau, tuy nhiên nó giảm chi phí thu được từ khách hàng, và
ĐATN Lời Giới Thiệu


SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 i
22
tăng ARPU (thu nhập trung bình trên mỗi người sử dụng). WSP chỉ cần một hệ
thống quảng cáo và một cơ sở dữ liệu khách hàng.
Các nhà vận hành tế bào cũng quan tâm tới ứng dụng WiMAX trong mạng của
họ. Các nhà vận hành đã có các cơ sở hạ tầng quảng cáo và khách hàng, nhưng triển
khai giải pháp WiMAX sẽ mở rộng thị trường trong vùng dịch vụ của họ. Tất cả các
giải pháp có dây (bao gồm: cáp quang, DSL, và cáp) yêu cầu các chi phí ban đầu
đáng kể để xây dựng cơ sở hạ tầng. Nói cụ thể, các giải pháp có dây không phù hợp
với các thị trường đang phát triển ở các nước, như các vùng nông thôn, thị trấn nhỏ
hoặc rìa ngoại ô của các trung tâm lớn.
1.7.2.2 Kết nối nông thôn

Các nhà cung cấp dịch vụ sử dụng WiMAX để phát triển dịch vụ cho các thị
trường ít được quan tâm trong các vùng nông thôn, vùng ngoại ô của các thành phố,
như được minh hoạ ở hình 1.10.

Hình 1.10 Minh hoạ về mạng WiMAX cho kết nối ở vùng nông thôn
ĐATN Lời Giới Thiệu


SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 i
23
Sự phân phát kết nối nông thôn là vấn đề then chốt trong các nước đang phát
triển và các vùng ít được quan tâm của những nước phát triển, mà ở đó không có
hoặc có rất ít cơ sở hạ tầng có giá trị. Kết nối thông thôn chủ yếu cung cấp dịch vụ
internet và điện thoại. Vì WiMAX cung cấp vùng phủ rộng nên đây là một giải pháp
mang lại lợi nhuận nhiều nhất.

 Kết Luận chương : Với những nội dụng được trình bày trong chương 1 đã
cho chúng ta một cái nhìn tổng quát về công nghệ WiMAX, chúng ta cơ bản
hiểu được cấu trúc bên trong, ưu nhược điểm của wimax, và những ứng
dụng trong thực tế của nó. Khi đã nắm vững những kiến thức cơ bản đó rồi
thì chúng ta sẽ dễ dàng hơn trong việc tìm hiểu nguyên lý hoạt động cũng
như cách thức xử lý tín hiệu trong WiMAX sẽ được trình bày trong các
chương sau.


CHƯƠNG 2
KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM

 Giới thiệu chương: Trong chương 2 sẽ trình bày những khái niệm cơ bản,
ưu nhược điểm, nguyên lý điều chế và giải điều chế của kỹ thuật điều chế

OFDM. Qua đó chúng ta sẽ thấy được những ưu điểm của kỹ thuật này khi
được ứng dụng trong công nghệ WiMAX nói chung và những kỹ thuật truyền
thông khác.
2.1 Giới thiệu kỹ thuật điều chế OFDM
2.1.1 Khái niệm
Kỹ thuật điều chế OFDM, về cơ bản, là một trường hợp đặc biệt của phương
pháp điều chế FDM, chia luồng dữ liệu thành nhiều đường truyền băng hẹp trong
vùng tần số sử dụng, trong đó các sóng mang con (hay sóng mang phụ, sub-carrier)
ĐATN Lời Giới Thiệu


SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 i
24
trực giao với nhau. Do vậy, phổ tín hiệu của các sóng mang phụ này được phép
chồng lấn lên nhau mà phía đầu thu vẫn khôi phục lại được tín hiệu ban đầu. Sự
chồng lấn phổ tín hiệu này làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn
hơn nhiều so với các kĩ thuật điều chế thông thường.

Hình 2.1: So sánh giữa FDMA và OFDM

Số lượng các sóng mang con phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ rộng kênh và
mức độ nhiễu. Con số này tương ứng với kích thước FFT. Chuẩn giao tiếp vô tuyến
802.16d (2004) xác định 256 sóng mang con tương ứng FFT 256 điểm, hình thành
chuẩn Fixed WiMAX, với độ rộng kênh cố định.Chuẩn giao tiếp 802.16e (2005)
cho phép kích cỡ FFT từ 512 đến 2048 phù hợp với độ rộng kênh 5MHz đến
20MHz, hình thành chuẩn Mobile WiMAX (Scalable OFDMA ), để duy trì tương
đối khoảng thời gian không đổi của các kí hiệu và khoảng dãn cách giữa các sóng
mang với độ rộng kênh.
ĐATN Lời Giới Thiệu

SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 i
25

a) Tín hiệu OFDM

b) Phổ OFDM
Hình 2.2 Tín hiệu và phổ OFDM
2.1.2 Lịch sử phát triển:
Dù thuật ngữ OFDM mới phổ biến rộng rãi gần đây nhưng kĩ thuật này đã được
xuất hiện cách nay hơn 40 năm:
 Năm 1966, R.W. Chang đã phát minh ra kĩ thuật OFDM ở Mỹ.