Đồ án tốt nghiệp xây dựng mô hình tính toán mạng wireless 802 16

1

Lời nói đầu

Ngày nay với các tiến bộ của kỹ thuật, mạng internet đang dần trở nên phổ
thông và tiện dụng. Người sử dụng có nhiều lựa chọn các dịch vụ internet khác
nhau từ ADSL, v.v… và hướng tới để sử dụng các dịch vụ cao cấp hơn, chất lượng
tốt hơn. Công nghệ WiMax được nghiên cứu và triển khai để từng bước đáp ứng
những yêu cầu đó. Những dịch vụ theo thời gian thực, dịch vụ phục vụ công cộng
như giao thông; giáo dục v.v… đã đưa khả năng sử dụng internet sang một phạm vi
mới.
Trong quá trình thực hiện đề tài “Phân tích và qui hoạch vùng phủ sóng
mạng Internet không dây băng rộng sử dụng công nghệ WiMax” tôi đã được sự
hướng dẫn chỉ bảo và giúp đỡ của thầy giáo hướng dẫn và các kỹ sư của Công ty
Điện toán và truy
ền số liệu khu vực 1 VDC.
Tôi xin gửi lời cảm ơn trân trọng tới: Thầy giáo hướng dẫn TS.Đào Ngọc
Chiến - bộ môn Hệ thống viễn thông Khoa Điện tử Viễn Thông trường Đại học
Bách Khoa Hà Nội; Kỹ sư Nguyễn Thanh Tùng - Trưởng phòng kỹ thuật Công ty
Điện toán và truyền số liệu khu vực 1 VDC; Các bạn trong phòng thí nghiệm anten
và siêu cao tần - tầng 6 thư viện Tạ Quang Bửu – Đạ
i học Bách Khoa Hà Nội và
gia đình đã quan tâm, tạo điều kiện giúp tôi hoàn thành bản đồ án.



Ngày 19 tháng 05 năm 2007
Sinh viên: Nguyễn Việt Khoa

2

Tóm tắt đồ án

WiMax (World Interoperability Microwave Access) là hệ thống truy cập vi
ba có tính tương tác toàn cầu dựa trên tiêu chuẩn kĩ thuật IEEE 802.16 – 2004.
Công nghệ truy nhập không dây đang được triển khai ứng dụng có triển vọng nhằm
bổ sung cho mạng thông tin di động. Mạng Wifi chủ yếu phục vụ cho mạng cục bộ
LAN còn WiMax phục vụ chủ yếu cho mạng đô thị MAN (Metropolitan Area
Network), cung cấp các dịch vụ dữ liệu tốc độ cao chất lượng tốt. WiMax ra
đời
nhằm cung cấp một phương tiện truy cập Internet không dây tổng hợp có thể thay
thế cho ADSL và Wifi. Nội dung đồ án được trình bày trong 4 chương. Trong đó:
- Chương 1: Khái quát chung về hệ thống thông tin vô tuyến đưa ra một cái nhìn
tổng quát về các hệ thống thông tin vô tuyến trước và đang sử dụng ngày nay đồng
thời giới thiệu qua về hệ thống WiMax.
- Chương 2: Giới thiệu tổng quan về công nghệ WiMax – chương này trình bày
những
đặc điểm kỹ thuật chính của hệ thống WiMax.
- Chương 3: Xây dựng mô hình tính toán mạng Wireless 802.16 – đưa các tiêu chí,
phương pháp tính toán, các thông số mô phỏng để áp dụng tính toán xây dựng hệ
thống WiMax.
- Chương 4: Định hướng quy hoạch mạng internet sử dụng công nghệ WiMax – dựa
vào các điều kiện thực tế về kĩ thuật, kinh tế, tính khả thi để định hướng ứng dụng
và lựa chọn phát triển hệ
thống WiMax.



3

Mục lục

Lời nói đầu 1
Tóm tắt đồ án 2
Mục lục 3

Danh sách các hình vẽ 6
Danh sách bảng biểu 8
Danh sách các từ viết tắt 9
CHƯƠNG 1: QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN
VÔ TUYẾN TẾ BÀO 10

1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 1 (1G) 10
1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 (2G) 10
1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2,5 (2,5G) 11
1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G) 12
1.5 Giới thiệu về hệ thống WiMax 12
CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX 17
2.1 Khái niệm chung 17
2.2 Lớp vật lý (PHY) 18
2.2.1 Cở sở OFDMA 18
2.2.2 Cấu trúc ký hiệu OFDMA và kênh con hoá 22
2.2.3 S-OFDMA 24
2.2.4 Cấu trúc khung TDD 25
2.2.5 Các đặc tính lớp PHY cao cấp khác 27
2.3 Mô tả lớp điều khiển truy nhập phương tiện (MAC-Media Access Control) 29
2.3.1 Hỗ trợ chất lượng dịch vụ (QoS) 29
2.3.2 Dịch vụ lập lịch trình MAC (Media Access Control) 32
2.4 Quản lý di động và nguồn năng lượng 32
2.4.1 Quản lý di động 32
2.4.2 Quản lý nguồn năng lượng 32
2.5 Bảo mật trong WiMax 34

2.6 Các đặc tính khác của WiMax di động 34
2.6.1 Sử dụng Anten thông minh 34
2.6.2 Sử dụng lại tần số 37
2.7 Phân tích hiệu suất hệ thống di động WiMax 38
4

2.7.1 Các thông số hệ thống di động WiMax 38
2.7.2 Quỹ đường truyền WiMax di động 43
2.7.3 Hiệu suất hệ thống WiMax 43
2.7.4 Hỗ trợ dịch vụ và ứng dụng 48
2.7.5 Liên mạng và chuyển vùng (roaming) 48
2.8 Các ứng dụng, tiêu chuẩn áp dụng và tương lai của WiMax 51
2.8.1 Các tiêu chuẩn mở của WiMax di động 51
2.8.2 Các ứng dụng WiMax di động 52
2.8.3 Các vấn đề về phổ của WiMax di động 52
2.8.4 Lộ trình cho các sản phẩm WiMax 53
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN MẠNG WIRELESS
802.16 55

3.1 Khái quát về hệ thống được thiết kế 55
3.1.1 Vị trí và cân nhắc vị trí thực 55
3.1.2 Nhận dạng các yêu cầu đối với thiết bị 58
3.1.3 Năm chữ “C” trong thiết kế một hệ thống 61
3.2 Cấu trúc của hệ thống 62
3.2.1 Mô hình khả thi của hệ thống 62
3.2.2 Tái sử dụng tần số và nhiễu giữa các cell lân cận 65
3.2.3 Mô hình kênh truyền dẫn và nhiễu 68
3.2.4 Giả thiết mức mô hình hệ thống chung 72
3.2.5 Các thông số đầu ra 74
3.3 Các mô hình lưu lượng ứng dụng 75

3.3.1 Đặc điểm của mô hình lưu lượng HTTP 75
3.3.2 Đặc tính của mô hình lưu lượng FTP 77
3.3.3 Ứng dụng Video gần thời gian thật (NRTV - near real time video) 78
3.3.4 Quan điểm trừu tượng về lớp PHY trong mô hình hệ thống 78
3.4 Tái sử dụng tần số và giao thoa giữa các cell 79
3.4.1 Tái sử dụng tần số 79
3.4.2 Mô hình kênh truyền và giao thoa cho mô hình hệ thống 79
3.5 Các thông số cho hệ thống 81
3.5.1 Các thông số kênh truyền theo mức 81
3.5.2 Thông số cho BS và MS 84
5

3.5.3 Các thông số định cỡ và thông số tham khảo 85
3.5.4 Mô hình kênh truyền theo mức 86
3.5.5 Suy hao đường truyền trong hệ thống WiMax 94
3.5.6 Tạo ra các thông số của người sử dụng đối với các môi trường: cell lớn môi trường
thành phố và cell lớn môi trường vùng ngoại ô 100
3.5.7 Đề xuất các thông số cho thuê bao trong môi trường cell nhỏ - thành phố 104
3.5.8 Tạo ra các hệ số kênh truyền 106
3.5.9 Định cỡ hệ thống theo mức 108
CHƯƠNG 4: ĐỊNH HƯỚNG QUY HOẠCH MẠNG INTERNET SỬ DỤNG
CÔNG NGHỆ WIMAX 113

4.1 Tính toán đường truyền 113
4.2 Nghiên cứu, khảo sát tổng quát về một site 116
Kết luận 124
Tài liệu tham khảo 125


6

Danh sách các hình vẽ
Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống mạng WiMax 14
Hình 1.2: Dự đoán phát triển của hệ thống mạng và dịch vụ 15
Hình 2.1 Cấu trúc sóng mang con OFDMA 23
Hình 2.2: Tần số DL gồm nhiều kênh con 23
Hình 2.3: Cấu trúc tile cho đường lên UL PUSC 24
Hình 2.4: Cấu trúc khung WiMax OFDMA 26
Hình 2.5: Hỗ trợ QoS WiMax di động 30
Hình 2.6: So sánh WiMax với các dịch vụ khác 31
Hình 2.7: Chuyển mạch thích ứng cho anten thông minh 37
Hình 2.8: Sử dụng lại tần số chia nhỏ 38
Hình 2.9: Cải thiện hiệu suất phổ với WiMax tối ưu 46
Hình 2.10: Mô hình tham chiếu mạng WiMax 49
Hình 2.11: Cấu trúc mạng WiMax trên nền IP 50
Hình 2.12 Cung cấp một cách tiếp cận về các sản phẩm liên quan của WiMax. 54
Hình 2.13: Biểu đồ chỉ dẫn hướng phát triển công nghệ WiMax 54
Hình 3.1: Đưa ra phương án để lựa chọn một site 57
Hình 3.2: Một số tiêu chuẩn để lựa chọn 58
Hình 3.3: Mô hình trạm phát sóng WiMax 60
Hình 3.4: Mô hình trạm phát sóng WiMax 61
Hình 3.5: Hệ thống anten MIMO có thể làm tăng đáng kể dung lượng của hệ thống vô
tuyến 63
Hình 3.6: Các loại góc anten 63
Hình 3.7: Mô tả cell và búp sóng chính của anten 65
Hình 3.8: Chia ô ban đầu thành 3 cell theo mẫu 1:3 67
Hình 3.9: Tín hiệu thu được bị pha-đinh. 69
Hình 3.10 a, b : Nội dung của một gói cuộc gọi 76
Hình 3.11: Mô tả một gói tin trong một phiên FTP 77
Hình 3.12: Mô hình lưu lượng video theo thời gian thực 78

Hình 3.13: Cấu trúc một khe thời gian của tín hiệu OFDM 79
Hình 3.14: Mẫu anten 3 sector 84
Hình 3.15: Sự định hướng góc tới tại MS 85
Hình 3.16: Hệ thống WiMax truyền sóng trong LOS và NLOS 86
Hình 3.17: Vị trí thuê bao LOS và NLOS 88
Hình 3.18: Sóng mang đơn và tín hiệu thu OFDM 89
Hình 3.19: Hiệu ứng kênh con hoá (sub channelization) 90
Hình 3.20: Ứng dụng của hệ thống anten mimo đối với các trường hợp sử dụng khác nhau
91
Hình 3.21: Bán kính cell 92
Hình 3.22: Các thông số góc của trạm gốc và thuê bao 93
Hình 3.23: Hình vẽ mô phỏng mô hình Hata 95
Hình 3.24: Mô phỏng mô hình Walfish-Ikegami 97
Hình 3.25: Mô hình WiMax đối với các môi trường khác nhau 100
7

Hình 3.30: Tôpô Mesh 110
Hình 3.31: Tôpô điểm đến điểm 110
Hình 4.1: Mô hình truyền và phát tín hiệu của một trạm WiMax 113
Hình 4.2: Kết hợp giữa WiMax và Wifi 122


8

Danh sách bảng biểu
Bảng 2.1: Các tham số tỉ lệ OFDMA 25
Bảng 2.2: Các kỹ thuật mã hóa và điều chế được hỗ trợ 27
Bảng 2.3: Tốc độ dữ liệu PHY với các kênh con PUSC trong WiMax di động 28
Bảng 2.4: Các ứng dụng WiMax di động và QoS 31
Bảng 2.5: Các tùy chọn của anten cao cấp 35

Bảng 2.6: Các tốc độ dữ liệu cho các cấu hình SIMO/MIMO 36
Bảng 2.7: Các thông số hệ thống WiMax di động 39
Bảng 2.8: Các thông số OFDMA 40
Bảng 2.9: Phương thức truyền bá 40
Bảng 2.10: Quỹ đường truyền liên kết DL cho WiMax di động 41
Bảng 2.11: Quỹ đường truyền kết nối WiMax di động 43
Bảng 2.12: Các kiểu kênh đa đường cho sự mô phỏng hiệu suất 44
Bảng 2.13: Mô hình kênh người dùng hỗn hợp để mô phỏng hiệu suất 44
Bảng 2.14: Các giả định cấu hình WiMax Di động 46
Bảng 2.15: Hiệu suất hệ thống di động WiMax 46
Bảng 2.16: Các lớp ứng dụng của WiMax 52
Bảng 3.1: Thông số của mô hình đa đường 69
Bảng 3.2: Một số thông số về mô hình kênh truyền 71
Bảng 3.3: Down link của mô hình hệ thống mô phỏng 74
Bảng 3.4: Thông số mô hình lưu lượng HTTP 76
Bảng 3.5: Các thông số của các phiên ứng dụng FTP 77
Bảng 3.6: Thông số lưu lượng NRTV 78
Bảng 3.7: Thông số mô hình kênh truyền mô phỏng 80
Bảng 3.8: Thông số năng lượng cho các mô hình kênh truyền khác nhau 80
Bảng 3.9: Các thông số kênh truyền theo mức [8] 83
Bảng 3.10: Các thông số tham khảo cho trạm gốc và thuê bao 85
Bảng 3.11: Bảng so sánh tổn hao đường truyền từ mô hình Hata và Walfish – Ikegami 98
Bảng 3.12: Độ lệch đường truyền phụ góc lệch và góc tới 105
Bảng 3.13: Dải tần số và sự liên quan đến giới hạn năng lượng 111
Bảng 3.14: Từ điểm đến đa điểm: hoạt động ở băng tần: 2,4 GHz ISM 111
Bảng 3.15: Từ điểm đến điểm: hoạt động ở băng tần: 2,4 GHz ISM 112
Bảng 3.16: Từ điểm đến điểm: hoạt động ở băng tần: 5,8 GHz U_NII 112
Bảng 4.1: Bảng mô tả các thông số suy hao do cáp ở dải tần số từ 2,4 đến 5,8 GHz 115
Bảng 4.2: Thông số suy hao của các vật liệu 116

9

Danh sách các từ viết tắt

Số thứ tự
Từ viết tắt
Ý nghĩa
1
WiMax Hệ thống truy nhập vi ba có tính tương tác toàn cầu
2
OFDM Công nghệ ghép kênh phân chia tần số trực giao
3
MIMO Hệ thống anten thông minh (đa đầu vào, đa đầu ra)
4
WISP Nhà cung cấp dịch vụ internet không dây
5
NRTV Dịch vụ video gần tương ứng thời gian thực
6
UE/MS/CPE Thiết bị của người sử dụng
7
SNR Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu
8
AS Góc phương vị
9
AoA Góc tới
10
AoD Góc lệch
11
802.16a Chuẩn WiMax cố định

12
802.16e Chuẩn WiMax di động

10

CHƯƠNG 1: QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ
THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN TẾ BÀO

Kể từ khi được triển khai vào những năm đầu của thập niên 1980 cho đến
nay, thông tin vô tuyến di động đã và đang phát triển với tốc độ hết sức nhanh
chóng trên phạm vi toàn cầu. Kết quả thống kê cho thấy ở một số quốc gia, số lượng
thuê bao di động đã vượt hẳn số lượng thuê bao cố định. Trong tương lai số lượng
thuê bao di động và cố định sẽ tiếp tục tăng lên và song song với nó là sự gia tăng
về nhu cầu của người sử dụng các dịch vụ dữ liệu. Điều này đã khiến các nhà khai
thác cũng như các tổ chức viễn thông không ngừng nghiên cứu, cải tiến và đưa ra
các giải pháp kỹ thuật, để cải tiến và nâng cấp các hệ thống thông tin. Cho đến nay
hệ thống thông tin đã trải qua 3 thế hệ.
1.1 Hệ thống thông tin di động th
ế hệ thứ 1 (1G)
a. Đặc điểm
Hệ thống mạng di động thế hệ thứ nhất (1G) được phát triển vào những năm
cuối thập niên 70, hệ thống này sử dụng kỹ thuật tương tự (analog). Tất cả các hệ
thống 1G sử dụng phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA
(Frequency Division Multiple Access). Các hệ thống mạng di động 1G chỉ được
dùng để sử dụng cho dịch vụ thoại với chất lượng khá thấp nguyên do tình trạng
nghẽn mạch và nhiễu xảy ra thường xuyên.
b. Các hệ thống mạng 1G
Các hệ thống mạng di động 1G bao gồm các hệ thống sau:
• AMPS (Advaced Mobile Phone System)
• ETACTS (Enhanced Total Access Cellular System) - Châu Âu

• NMT (Nordic Mobile Telephone System) - Bắc Âu
1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 (2G)
a. Đặc điểm
Hệ thống mạng 2G được triển khai vào năm 1990 và hiện nay vẫn được sử dụng
rộng rãi, là một mạng thông tin di động số băng hẹp, sử dụng phương pháp chuyển
mạch mạch là chủ yếu. Phương pháp đa truy cập TDMA và CDMA được sử dụng
11

kết hợp với FDMA. Hệ thống mạng di động 2G sử dụng cho dịch vụ thoại và truyền
số liệu là chủ yếu.
b. Các hệ thống mạng di động 2G
Hệ thống mạng 2G bao gồm các hệ thống sau:
• PCS (Personal Communication System): PCS là hệ thống truyền dẫn ở tần số 1900
MHz. Ưu đỉểm của điện thoại PCS là nhỏ, trọng lượng nhẹ, bảo mật tốt và thờ
i gian
Pin chờ lâu.
• TDMA:
Là mạng di động sử dụng kỹ thuật điều chế số phát triển từ mạng 1G AMPS, tăng
dung lượng mạng bằng cách cho phép nhiều người dùng chung một kênh vô tuyến
mà vẫn bảo đảm chất lượng thoại. Điện thoại TDMA có thể hoạt động ở 2 chế độ:
tương tự và số.
• CDMA:
Được triển khai năm 1995. Tương tự như TDMA, mạng CDMA c
ũng phục vụ đồng
thời ở hai chế độ tương tự và số. Điểm khác biệt giữa TDMA và CDMA là các kênh
CDMA rộng hơn khoảng 6 lần và hệ thống cấp cho mỗi thuê bao một mã duy nhất.
• GSM:
Ra đời năm 1988 sử dụng kết hợp hai phương pháp đa truy nhập theo thời gian
TDMA và theo tần số FDMA, nhờ đó tại một thời điểm có 8 thuê bao có thể sử
dụng chung mộ

t kênh. GSM sử dụng cho dịch vụ truyền thoại và fax với tốc độ
9600 bit/s. Điện thoại GSM sử dụng một SIM-Card rời lưu trữ số điện thoại, thông
tin và tài khoản thuê bao.
1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2,5 (2,5G)
a. Đặc điểm
Hệ thống mạng 2,5G là mạng chuyển tiếp giữa hệ thống mạng di động thế hệ thứ 2
(2G) và thứ 3 (3G). H
ệ thống hoàn toàn dựa trên cơ chế chuyển mạch gói. Ưu điểm
của hệ thống di động 2,5G là tiết kiệm được không gian và tăng tốc độ truyền dẫn.
b. Các hệ thống mạng 2,5G
• GPRS:
Là một hệ thống mới, đuợc triển khai trên nền của hệ thống GSM sử dụng phương
thức chuyển mạch gói và nhờ đó cước phí sử dụng được tính d
ựa trên từng gói
12

nhận, gởi đi, khác hẳn và có lợi hơn cho thuê bao so với cách tính cước dựa trên
thời gian kết nối. GPRS có thể được xem như là sự mở rộng của hệ thống di động
thế hệ thứ 2G GSM, có khả năng cung cấp các kết nối ảo, các dịch vụ truyền số liệu
với tốc độ lên đến 171,2 Kbps cho mỗi người sử dụng nhờ vào việc sử dụng đồ
ng
thời nhiều khe thời gian. Bên cạnh mục đích cung cấp những số liệu mới cho các
thuê bao di động, GPRS còn được xem như là bước chuyển tiếp từ thế hệ 2G lên
3G. Với việc xây dựng hệ thống GPRS, các nhà khai thác đã xây dựng một cấu trúc
mạng lõi dựa trên nền IP để hỗ trợ cho các ứng dụng về số liệu, cũng như đã tạo ra
một môi trường để thử
nghiệm và khai thác các dịch vụ tích hợp giữa thoại và số
liệu của thế hệ của thế hệ 3G sau này.
Trong khi hệ thống GSM tập trung hỗ trợ cho các kết nối thoại, thì mục đích chính
của GPRS là cung cấp phương tiện truy cập vào các mạng số liệu chuẩn như

TCP/IP.
• EDGE:
Được xây dựng dựa trên nền tảng của mạng GSM nhưng lại cung cấp gần đạt đến
các chuẩn dành cho 3G tốc độ xấp xỉ 384 Kbps.
1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G)
a. Đặc điểm:
Là thế hệ thông tin di động số cho phép chuyển mạng bất kỳ, có khả năng truyền
thông đa phương tiện chất lượng cao.
Các hệ thống 3G được xây dựng trên cơ sở CDMA hoặc CDMA kết hợp với
TDMA, có khả năng cung cấp một băng tần rộng theo yêu cầ
u, do đó có thể hỗ trợ
các dịch vụ có nhiều tốc độ khác nhau. Ở thế hệ thứ 3, các hệ thống thông tin di
động có xu thế hoà nhập thành một tiêu chuẩn chung duy nhất và phục vụ lên đến
2Mbps. Mặc dù 3G được tính toán sẽ là một chuẩn mang tính toàn cầu nhưng chi
phí xây dựng cơ sở hạ tầng cho hệ thống này rất tốn kém.
b. Các hệ thống mạng 3G
• WCDMA:
WCDMA hay còn gọi là IMT - 2000 là một chuẩn của ITU (International
Telecommunication Union) có nguồn gốc từ chuẩn CDMA. Công nghệ WCDMA
cho phép tốc độ truyền dữ liệu đến các thiết bị di động cao hơn nhiều so với khả
13

năng của mạng di động hiện nay. WCDMA có thể hỗ trợ việc truyền thoại, hình ảnh
dữ liệu video có tốc độ lên đến 2Mbps.
• UMTS:
Là một mạng thế hệ thứ 3 được triển khai ở Châu Âu. Mạng này cung cấp cung cấp
cho người sử dụng các dịch vụ hoạt động ở tần số 2GHz, cho phép hình ảnh âm
thanh, video, truyền hình…hiển thị trên các máy điện thoại di động.
UMTS được xem là m
ột hệ thống mạng cải tiến từ mạng 2G GSM.

1.5 Giới thiệu về hệ thống WiMax
WiMax (World interoperability Microwave Access) là hệ thống truy nhập vi ba có
tính tương tác toàn cầu dựa trên cơ sở tiêu chuẩn kỹ thuật IEEE 802.16-2004. Tiêu
chuẩn này do hai tổ chức quốc tế đưa ra: Tổ công tác 802.16 trong ban tiêu chuẩn
IEEE 802, và Diễn đàn WiMax. Tổ công tác IEEE 802.16 là người chế định ra tiêu
chuẩn còn Diễn đàn WiMax là người triển khai ứng dụng tiêu chuẩn IEEE 802.16.
Diễn đàn WiMax là tổ chức phi lợi nhuận, hỗ trợ và thương mại hóa công nghệ theo
tiêu chuẩn 802.16. Ở đây giới thiệu cơ sở lý luận của WiMax cũng như xem xét các
tiêu chuẩn với các mô hình ứng dụng WiMax như là một trong các giải pháp truy
cập băng rộng không dây. Công nghệ truy nhập không dây đang được triển khai ứng
dụng có triển vọng nhằm bổ sung cho mạng thông tin di động. Mạng Wi-Fi chủ yếu
phụ
c vụ cho mạng cục bộ LAN, còn WiMax phục vụ chủ yếu cho mạng đô thị
MAN (Metropolitan Area Network). Mạng WiMax cũng như mạng đô thị hữu
tuyến (truyền dẫn qua cáp) như mạng DSL đều được sử dụng để phục vụ các thuê
bao trong vùng tới 50km.
• Hai mô hình ứng dụng WiMax
Tiêu chuẩn IEEE 802.16 đề xuất 2 mô hình ứng dụng:
- Mô hình ứng dụng cố định
- Mô hình ứng dụng di động
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 tương tự như
chảo thông tin vệ tinh.
14

Tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004 cũng cho phép đặt anten trong nhà nhưng tất nhiên
tín hiệu thu không khỏe bằng anten ngoài trời. Băng tần công tác (theo quy định và

phân bổ của quốc gia) trong băng 2,5 GHz hoặc 3,5 GHz. Độ rộng băng tầng là 3,5
MHz. Trong mạng cố định, WiMax thực hiện cách tiếp nói không dây đến các
modem cáp, đến các đôi dây thuê bao của mạch 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 người dùng (user) nh
ư: các xí nghiệp, các khu dân cư 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. Về cách phân bố theo địa
lý, các user thì có thể phân tán tại các địa phương như nông thôn và các vùng sâu
vùng xa khó đưa mạng cáp hữu tuyến đến đó. Trong mô hình này bộ phận vô tuyến
gồm các trạm gốc WiMax BS (làm việc với anten đặt trên tháp cao) và các trạm phụ
SS (SubStation). Các trạm WiMax BS nối với mạng đô thị MAN hoặc mạng PSTN

Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống mạng WiMax
Mô hình ứng dụng WiMax di động
Mô hình WiMax di động sử dụng các thiết bị phù hợp với tiêu chuẩn IEEE 802.16e.
Tiêu chuẩn 802.16e bổ sung cho tiêu chuẩn 802.16-2004 hướng tới các user cá nhân
di động, làm việc trong băng tần thấp hơn 6 GHz. Mạng lưới này phối hợp cùng
WLAN, mạng di động cellular 3G có thể tạo thành mạng di động có vùng phủ sóng
r
ộng. Hy vọng các nhà cung cấp viễn thông hiệp đồng cộng tác để thực hiện được
15

mạng viễn thông digital truy nhập không dây có phạm vi phủ sóng rộng thỏa mãn
được các nhu cầu đa dạng của thuê bao. Tiêu chuẩn IEEE 802.16e được thông qua
trong năm 2005. [11]
Chúng ta đã biết đến các công nghệ truy nhập Internet phổ biến hiện nay như quay
số qua Modem thoại, ADSL, hay các đường thuê kênh riêng, hoặc sử dụng các hệ
thống vô tuyến như điện thoại di động, hay mạng WiFi. Mỗi phương pháp truy cập
mạng có đặc điểm riêng. Đối vớ

i Modem thoại thì tốc độ quá thấp, ADSL tốc độ có
thể lên đến 8 Mbit/s nhưng cần có đường dây kết nối, các đường thuê kênh riêng thì
giá thành đắt mà không dễ dàng triển khai đối với các khu vực có địa hình phức tạp.
Hệ thống thông tin di động hiện tại cung cấp tốc độ truyền 9,6 Kbit/s quá thấp so
với nhu cầu người sử dụng, ngay cả các mạng thế hệ sau GSM như GPRS (2,5G)
cho phép truy cập ở tốc độ lên đế
n 171,2 Kbit/s hay EDGE khoảng 300-400 Kbit/s
cũng chưa thể đủ đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng khi sử dụng các dịch vụ mạng
Internet. Ở hệ thống di động thế hệ tiếp theo 3G thì tốc độ truy cập Internet cũng
không vượt quá 2 Mb/s. Với mạng WiFi (chính là mạng LAN không dây) chỉ có thể
áp dụng cho các máy tính trao đổi thông tin với khoảng cách ngắn. Với thực tế như
vậy, WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Access) ra đời nhằm cung
cấp một phương tiệ
n truy cập Internet không dây tổng hợp có thể thay thế cho
ADSL và WiFi.

Hình 1.2: Dự đoán phát triển của hệ thống mạng và dịch vụ
16

Hệ thống WiMax có khả năng cung cấp đường truyền với tốc độ lên đến 70 Mb/s và
với bán kính phủ sóng của một trạm anten phát lên đến 50 km. Mô hình phủ sóng
của mạng WiMax tương tự như mạng điện thoại tế bào. Bên cạnh đó, WiMax cũng
hoạt động mềm dẻo như WiFi khi truy cập mạng. Mỗi khi một máy tính muốn truy
nhập mạng nó sẽ tự động kết nối đến trạm anten WiMax gần nhất.
• WiMax hoạt động như thế nào
Thực tế WiMax hoạt động tương tự WiFi nhưng ở tốc độ cao và khoảng cách lớn
hơn rất nhiều cùng với một số lượng lớn người dùng. Một hệ thống WiMax gồm 2
phần:
- Trạm phát: giống như các trạm BTS trong mạng thông tin di động với công suất
lớn có thể phủ sóng một vùng rộ

ng tới 8000 Km
2
.
- Trạm thu: có thể là các anten nhỏ như các Card mạng cắm vào hoặc được thiết lập
sẵn trên Mainboard bên trong các máy tính, theo cách mà WiFi vẫn dùng. Các trạm
phát BTS được kết nối tới mạng Internet thông qua các đường truyền tốc độ cao
dành riêng hoặc có thể được nối tới một BTS khác như một trạm trung chuyển. Các
anten thu/phát có thể trao đổi thông tin với nhau qua các tia sóng truyền thẳng hoặc
các tia phản xạ. Trong trường hợp truyền thẳng, các anten được đặt cố
định trên các
điểm cao, tín hiệu trong trường hợp này ổn định và tốc độ truyền có thể đạt tối đa.
Băng tần sử dụng có thể dùng ở tần số cao đến 66 GHz vì ở tần số này tín hiệu ít bị
giao thoa với các kênh tín hiệu khác và băng thông sử dụng cũng lớn hơn. Đối với
trường hợp tia phản xạ, WiMax sử dụng băng tần thấp hơn, 2-11GHz, tương tự như
ở WiFi, ở tần số thấp tín hiệu dễ dàng vượt qua các vật cản, có thể phản xạ, nhiễu
xạ, uốn cong, vòng qua các vật thể để đến đích. Và ở chương sau sẽ trình bày kĩ hơn
về tổng quan kĩ thuật của hệ thống WiMax.





17

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ
WIMAX

2.1 Khái niệm chung
WiMax di động (Mobile WiMax) là giải pháp không dây băng rộng cho phép phủ
sóng mạng băng rộng không dây và cố định nhờ công nghệ truy nhập vô tuyến băng

rộng trên diện rộng với kiến trúc mạng linh hoạt. Giao diện WiMax di động sử dụng
kỹ thuật OFDM để cải thiện hiệu suất đa đường trong các môi trường không theo
tầm nhìn thẳng. OFDMA thay đổi tỉ lệ (S-OFDMA) được giới thiệu trong phần b
ổ
sung IEEE 806.16e để hỗ trợ băng thông kênh tỉ lệ từ 1,25 đến 2 MHz. Nhóm kỹ
thuật di động trong diễn đàn WiMax đang phát triển tham số hệ thống cho WiMax
di động, qua đó xác định các đặc tính bắt buộc và tuỳ chọn của chuẩn IEEE - là
chuẩn giao diện vô tuyến tương thích với WiMax di động. [14]
Tham số WiMax di động cho các hệ thống di động được phép cấu hình trên cơ sở
một tập các đặc tính cơ
bản để đảm bảo chức năng cơ bản nhất cho các thiết bị đầu
cuối và các trạm gốc. Đó là các cấu hình được tối ưu về dung lượng hoặc được tối
ưu về phủ sóng. WiMax di động phiên bản 1 sẽ bao gồm các băng thông kênh 5; 7;
8,75 và 10 MHz dành cho các dải tần được cấp phép trên thế giới như: 2,3 GHz, 2,5
GHz, 3,3 GHz và 3,5 GHz.
Các hệ thống WiMax di động cung cấp khả năng mở rộng v
ề cả công nghệ truy
nhập vô tuyến cũng như kiến trúc mạng, do đó cung cấp khả năng linh động cao
trong các lựa chọn phát triển mạng và cung cấp dịch vụ. Một số các đặc điểm chính
mà WiMax di động hỗ trợ là:
Tốc độ dữ liệu cao: Các kỹ thuật anten MIMO cùng với các nguyên lý chia nhỏ
kênh linh hoạt, mã hoá và điều chế nâng cao, tất cả làm cho công nghệ WiMax di
động có khả năng hỗ
trợ tốc độ dữ liệu đường xuống tối đa lên tới 63 Mbps cho một
sector và tốc độ dữ liệu đường lên tối đa lên tới 28 Mbps cho một sector trong một
kênh 10 MHz.
Chất lượng dịch vụ (QoS): Tiền đề cơ bản của kiến trúc MAC trong IEEE 802.16
là QoS. Nó định nghĩa luồng dịch vụ mà có thể ánh xạ đến các điểm mã DiffServ
hoặc các nhãn luồng để cho phép kết nối đầ
u cuối tới đầu cuối theo giao thức IP

18

trên cơ sở QoS. Ngoài ra, các nguyên lý báo hiệu trên cơ sở kênh chia nhỏ kênh và
MAP cung cấp một cơ chế linh động cho việc lập lịch tối ưu tài nguyên không gian,
tần số và thời gian trên giao diện vô tuyến theo khung.
Tính mềm dẻo: Tài nguyên phổ cho băng rộng không dây được cấp phát khác
nhau. Vì vậy công nghệ WiMax di động được thiết kế để có thể linh hoạt để hoạt
động trong các kênh khác nhau từ 1,25 đến 20 MHz thoả mãn các yêu cầu trên toàn
cầu.
Khả năng bảo mật: Các đặc tính khả năng bảo mật trong WiMax di động là tốt
nhất trong lớp với sự xác thực trên theo EAP, mã hoá được xác thực theo AES-
CCM, các nguồn bảo vệ bản tin điều khiển theo CMAC và HMAC. Các xác thực
cho một tập các người dùng đang tồn tại bao gồm: thẻ SIM/USIM, các thẻ thông
minh, các chứng chỉ số, các nguyên lý Username/Password theo các phương pháp
EAP tương ứng cho kiểu nhận thực.
Khả năng di động: WiMax di
động hỗ trợ các nguyên lý chuyển giao tối ưu với trễ
nhỏ hơn 50 ms để đảm bảo các ứng dụng thời gian thực như VoIP với dịch vụ
không bị suy giảm. Các nguyên lý quản lý khoá linh động mà bảo mật được duy trì
trong quá trình chuyển giao.
2.2 Lớp vật lý (PHY)
2.2.1 Cở sở OFDMA
Kỹ thuật ghép kênh phân chia tần số trực giao (OFDM) là một kỹ thuật ghép kênh,
phân chia nhỏ băng thông thành các tần số sóng mang con. Trong một hệ th
ống
OFDM, luồng dữ liệu đầu vào được chia thành các luồng con song song với tốc độ
giảm và như vậy tăng khoảng thời gian của ký hiệu và mỗi luồng con được được
điều chế và truyền trên một sóng mang con trực giao tách biệt. Khoảng thời gian
cho mỗi biểu trưng tăng sẽ cải thiện khả năng chống lại trễ lan truyền của OFDM.
Hơn nữa, tiền tố

vòng CP có thể hoàn toàn loại bỏ nhiễu xuyên ký hiệu (ISI) miễn
là thời lượng CP lâu hơn trễ kênh lan truyền. CP chính là sự lặp lại phần dữ liễu
gồm các mẫu cuối của khối được gắn vào trước một tải tin. Chính CP chống lại
nhiễu liên khối và làm kênh quay vòng và cho phép cân bằng miền tần số với độ
phức tạp thấp. Tuy vậy, một hạn chế của CP là nó được thêm vào trước tải tin làm
giảm hiệu suất sử dụng băng thông. CP không chỉ làm giảm hiệu suất băng thông,
19

ảnh hưởng của CP cũng tương tự như hệ số rolloff trong các hệ thống sóng mang
đơn được lọc cos nâng. Do OFDM có một phổ "tường gạch" (đan xen) rất nhọn,
một tỉ lệ lớn các băng thông kênh cấp phát có thể được sử dụng cho truyền số liệu,
giúp làm giảm suy hao hiệu suất do tiền tố vòng CP.
OFDM khai thác sự phân tập tần số của kênh đa đường bằng cách mã hoá và chèn
thông tin trên các sóng mang con trước khi truyề
n đi. Điều chế OFDM có thể thực
hiện được với biến đổi ngược Fourier nhanh - IFFT, phép biến đổi này cho phép
một số lượng lớn các sóng mang con (lên tới 2048) với độ phức tạp thấp. Trong một
hệ thống OFDM, tài nguyên sẵn có trong miền thời gian chính là các ký hiệu
OFDM và trong miền tần số chính là các sóng mang con. Tài nguyên về thời gian
và tần số có thể được tổ chức thành các kênh con cấp phát cho người dùng.
So sánh truyền OFDM với truyền sóng mang
đơn
BER của hệ thống OFDM phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: sơ đồ điều chế được sử
dụng, giá trị đa đường và mức nhiễu trong tín hiệu. Tuy nhiên nếu chúng ta xem xét
chỉ tiêu kỹ thuật của OFDM với nhiễu Gauss trắng cộng với AWGN thì chỉ tiêu của
OFDM chính xác giống như chỉ tiêu kỹ thuật của hệ thống truyền sóng mang đơn
kết hợp dùng cùng s
ơ đồ điều chế. Nếu ta xem xét một tải phụ OFDM đơn (vì các
tải phụ là trực giao với nhau nên điều này không ảnh hưởng tới chỉ tiêu kỹ thuật) thì
điều này chính xác như truyền sóng mang đơn mà sóng mang này được điều chế

trực giao cầu phương (Quadrature) không có lọc băng thông. Biên độ và pha truyền
đi được duy trì không đổi trong chu kỳ ký hiệu và được cài đặt dựa trên sơ đồ điề
u
chế và dữ liệu truyền. Sau đó vectơ được phát đi này được cập nhật ở đầu của mỗi
ký hiệu. Điều này dẫn đến đáp tuyến tần số sinc là đáp tuyến cần thiết cho OFDM.
Tuy nhiên, hầu hết mọi môi trường truyền sóng bị ảnh hưởng của truyền lan nhiều
đường. Đối với một băng thông truyền dẫn cố định đ
ã cho, tốc độ ký hiệu đối với
truyền sóng mang đơn là rất cao, trong khi đó đối với tín hiệu OFDM tốc độ này
thấp hơn N lần với N là số tải phụ được sử dụng. Tốc độ ký hiệu thấp hơn này cũng
làm ISI thấp đi. Ngoài ra, hệ thống OFDM còn dùng khoảng bảo vệ ở đầu mỗi ký
hiệu, khoảng bảo vệ này loại bỏ ISI bất kỳ thấp hơn chiều dài của nó. Nếu khoảng
bảo vệ là đủ dài thì tất cả ISI có thể bị loại bỏ. Truyền lan đa đường dẫn đến pha-
đinh chọn lọc tần số, làm giảm các tải phụ riêng. Do vậy, hầu hết các hệ thống
20

OFDM dùng sửa lỗi tiến FCC để có thể khôi phục những tải phụ bị suy giảm nhiều,
trong khi đó chỉ tiêu kỹ thuật của truyền sóng mang đơn bị suy giảm nhanh khi có
hiệu ứng đa đường
Các giới hạn điều chế của hệ thống
Hầu hết các hệ thống thông tin di động hiện nay như GSM, IS-95 và các hệ thống
thế hệ thứ ba chỉ dùng các sơ đồ
điều chế có độ dung sai nhiễu cao như BPSK,
QPSK hoặc tương đương. Điều này dẫn đến hiệu quả phổ thấp nhưng hệ thống
khỏe. Các hệ thống này dùng các sơ đồ điều chế cố định do cần đạt SNR cao. Tốc
độ ký hiệu của hệ thống sóng mang đơn phải cao nếu muốn có được tốc độ bit cao.
Kết quả là các hệ thố
ng, ví dụ GSM đòi hỏi cân bằng phức tạp (đến 4 chu kỳ ký
hiệu) để khắc phục truyền lan nhiều đường. Các hệ thống GSM được thiết kế để
khắc phục độ trễ cực đại tới 15μm, tương ứng với độ trễ mẫu được thử nghiệm ở

khoảng cách truyền từ 30-35 km. Tốc độ ký hiệu của GSM là 270KHz tương ứng
với chu kỳ ký hiệu 3,7μs, như vậy ISI được gây ra bởi hiệu ứng đa đường trải dài
trên 4 chu kỳ ký hiệu. Điều này có thể phá hủy hoàn toàn thông tin truyền đi, nhưng
nó được khôi phục trong thực tế nhờ dùng cân bằng thích nghi thức. Mặc dù điều
này làm việc tốt cho các sơ đồ điều chế tốt như GMSK như đã được sử dụng cho
các hệ thống GSM, việc áp dụng nó thành công cho các sơ đồ điều chế cao hơn là
khó khăn vì các lỗi sở tại trong cân bằng sẽ gây tỷ lệ lỗi cao. Trong các hệ thống
DS-CDMA vấn đề không bị giới hạn chủ yếu cho hiệu ứng đa đường, mà bởi can
nhiễu giữa những người sử dụng. Các hệ thống DS-CDMA tận dụng một thực tế là
bằng việc trải rộng thông tin của ng
ười dùng trên một băng thông rộng sẽ cho phép
nhiều người sử dụng truyền tín hiệu ở cùng một tần số. Mỗi một trong các ngưởi sử
dụng này trải rộng thông tin bằng một cách nhân nó với một dãy giả ngẫu nhiên tốc
độ cao nhất PRS. Ở máy thu tín hiệu từ mỗi người sử dụng được trích ra bằng cách
nhân tín hiệu tới với cùng dãy PRS giống hệt vậy và tích phân trên chu kỳ ký hiệu
thông tin. Tuy nhiên quá trình này là không tr
ực giao trong kết nối ngược làm cho
các người sử dụng xuất hiện như nhiễu đối với nhau. Thông lượng kênh của hệ
thống là cực đại khi số người sử dụng là cực đại, dẫn đến mức nhiễu rất cao, điều
này làm cho hệ thống mẫu cần hoạt động với tỷ số năng lượng trong một bit/nhiễu
EBNR (Energy per Bit to Noise Ratio) là khoảng 5-8 dB sau giải điều chế có hiệu
21

quả phổ cao vì SNR là quá thấp. OFDM thì lại khác vì nó giảm thiểu cả hai ảnh
hưởng này. Hiệu ứng đa đường bị giảm thiểu bằng cách dùng tốc độ ký hiệu thấp và
dùng khoảng bảo vệ. Cân bằng kênh có thể được thực hiện dễ dàng bằng cách dùng
các ký hiệu pilot hoặc các tone pilot. Dạng cân bằng này là chính xác và dẫn đến lỗi
tại chỗ cực tiểu, như vậy cho phép SNR trung bình cao. Ngoài ra, những người sử
d
ụng trong OFDM được duy trì trực giao với nhau nhờ dùng ghép kênh theo thời

gian hoặc ghép kênh theo tần số đồng bộ, giảm thiểu can nhiễu giữa những người sử
dụng. Cả hai ưu điểm này có nghĩa rằng SNR kênh hiệu quả cao có thể được duy trì
thậm chí trong môi trường nhiều người sử dụng hiệu ứng đa đường. Tiềm năng này
cho SNR cao có nghĩa rằng các sơ đồ điều chế bậ
c cao có thể được sử dụng trong
các hệ thống OFDM, cho phép cải thiện hiệu quả phổ của hệ thống. Hơn nữa mỗi
tải phụ có thể được phân một sơ đồ điều chế khác nhau dựa trên các điều kiện kênh
thực tế đo được. Các phép đo này có thể đạt được dễ dàng như một phần của bước
cân bằng kênh, cho phép các tải phụ được phân phối động các sơ đồ điều chế dựa
trên SNR của mỗi tải phụ. Những sự thay đổi SNR này xuất hiện do can nhiễu,
khoảng cách truyền, pha-đinh chọn lọc tần số v.v…Kỹ thuật này được biết như điều
chế thích nghi. Các tải phụ với SNR thấp có thể được phân phối dùng BPSK
(1b/s/Hz) hoặc để không truyền dữ liệu. Các tải phụ SNR cao có thể truyền các sơ
đồ điều chế cao như 256-QAM (8b/s/Hz), cho phép công suất hệ thống cao hơn.
Việc phân phối điều chế linh hoạt trong OFDM cho phép chúng được tối ưu các
điều kiện thực tế của địa phương, hơn là dùng sơ đồ điều chế thấp để đảm bảo hệ
thống hoạt động trong các điều kiện xấu nhất.
OFDMA là một nguyên lý đ
a truy cập/ghép kênh cung cấp khả năng ghép kênh các
luồng dữ liệu từ nhiều người dùng trên các kênh con hướng xuống và đa truy nhập
hướng lên nhờ các kênh con hướng lên. Trong OFDMA, vấn đề đa truy cập được
thực hiện bằng cách cung cấp cho mỗi người dùng một phần trong số các sóng
mang có sẵn. Bằng cách này, OFDMA tương tự như phương thức đa truy cập phân
chia theo tần số thông thường (FDMA); tuy nhiên nó không cần thiết có dải bảo v
ệ
lân cận rộng như trong FDMA để tách biệt những người dùng khác nhau.
Trong hệ thống OFDMA có 2 phương pháp chuyển vùng mềm cơ bản được
áp dụng cho cả đường lên và đường xuống. Yêu cầu cho cả 2 phương pháp là việc
22

phát từ các trạm gốc đi và việc phát tới các trạm gốc được đồng bộ để sự khác biệt
về trễ tại hai trạm nằm trong phạm vi thời gian phòng vệ của các ký hiệu OFDM.
Kỹ thuật thứ nhất là sử dụng cùng một tập sóng mang và cùng một chuỗi
nhảy như nhau trong 2 tế bào để kết nối tới 2 trạm gốc. Vì thế, trong đường xuống,
máy di động nhận tổng 2 tín hiệu với cùng nội dung số liệu giống hệt như nhau.
Máy di động không thể phân biệt được giữa 2 trạm gốc; hiệu quả chuyển vùng mềm
tương tự thêm vào thành phần đa đường bên ngoài làm tăng độ lợi phân tập. Dạng
chuyển vùng này tương tự như chuyển vùng mềm trong mạng DS-CDMA.
Kỹ thuật thứ 2 cho chuyển vùng mềm là sử dụng các bộ sóng mang phụ khác
nhau trong 2 tế bào. Khác với ph
ương pháp thứ nhất, ở đường xuống, máy di động
lúc này phải phân biệt giữa 2 trạm gốc. Nó phải giải điều chế các tín hiệu từ 2 trạm
gốc một cách riêng biệt, sau đó các tín hiệu này có thể được kết hợp lại, tốt nhất là
bằng cách sử dụng bộ tổ hợp theo tỷ lệ cực đại. Dạng chuyển vùng này tương tự với
loại có thể được dùng trong mạng không CDMA.
Các ưu điểm của phương pháp thứ 2 trội hơn phương pháp thứ nhất trong
đường xuống là tăng ích SNR tăng lên do sự phân tập của máy thu và tự do hơn cho
các trạm gốc trong việc phân bổ các sóng mang có sẵn. Ở phương pháp thứ nhất,
các trạm gốc bắt buộc phải sử dụng cùng các sóng mang. Ưu điểm chính của
phương pháp thứ nhất là việc thực hiện
đơn giản hơn, không cần có thêm phần cứng
bổ trợ, chỉ cần thêm một vài giao thức để kết nối đồng thời với 2 trạm gốc. Phương
pháp thứ 2 đòi hỏi có thêm phần cứng bởi vì nó buộc phải giải điều chế thêm một
bộ sóng mang khác. Hơn nữa nó phải thực hiện xử lý thêm để tổ hợp theo tỷ lệ cực
đại các tín hiệu nh
ận được từ các trạm gốc khác nhau.
2.2.2 Cấu trúc ký hiệu OFDMA và kênh con hoá
Cấu trúc ký hiệu OFDMA gồm 3 loại sóng mang con như Hình 2.1:
- Sóng mang con dữ liệu (data) cho truyền dữ liệu
- Sóng mang con dẫn đường (pilot) cho mục đích ước lượng và đồng bộ

- Sóng mang con vô dụng (null) không để truyền dẫn; được sử dụng cho các băng
bảo vệ và các sóng mang DC.

23


Hình 2.1 Cấu trúc sóng mang con OFDMA
Các kênh con tích cực (dữ liệu và dẫn đường) được nhóm lại thành các tập con các
sóng mang con gọi là các kênh. OFDMA PHY hỗ trợ kênh con hóa ở cả hướng
xuống – DL và hướng lên – UL. Có hai kiểu hoán vị các kiểu sóng mang con cho
kênh con hoá: phân tập và lân cận. Hoán vị phân tập kéo theo các sóng mang con
ngẫu nhiên tạo thành các kênh con. Nó cung cấp phân tập tần số và lấy trung bình
nhiễu liên tế bào. Các hoán vị phân tập gồm đường xuống FUSC sóng mang con sử
dụng hoàn toàn, đường xuống
PUSC sóng mang con sử dụng một phần và đường
lên PUSC và các hoán vị tùy chọn thêm vào. Với đường lên PUSC, mỗi cặp ký hiệu
OFDM, các sóng mang con khả dụng được nhóm lại thành các cluster chứa 14 sóng
mang con lân cận trên mỗi khoảng thời gian của ký hiệu, với cấp phát dữ liệu và
dẫn đường trong mỗi cluster trong các ký hiệu chẵn và lẻ như mô tả trên Hình 2.2:

Hình 2.2: Tần số DL gồm nhiều kênh con
Một nguyên lý sắp xếp l
ại được sử dụng để tạo thành các nhóm cluster chẳng hạn
mỗi nhóm được tạo thành bởi các cluster được phân bố qua không gian các sóng
mang con [2]. Mỗi kênh con trong một nhóm chứa hai cluster và được tạo bởi 48
sóng mang con và 8 sóng mang dẫn đường. Các sóng mang con dữ liệu trong mỗi
nhóm được tiếp tục hoán vị để tạo thành các kênh con trong phạm vi nhóm. Vì vậy,
Các ký hiệu chẵn
Các ký hiệu lẻ
Sóng mang con dữ liệu

Sóng mang con điều khiển
24

chỉ các vị trí dẫn đường trong cluster là được biểu thị trong Hình 2.2. Các sóng
mang con dữ liệu trong cluster được phân bổ cho nhiều kênh con.
Cấu trúc cluster cho DL, một cấu trúc lát (tile) được định nghĩa cho UL PUSC có
định dạng như Hình 2.3

Hình 2.3: Cấu trúc tile cho đường lên UL PUSC
Không gian sóng mang con khả dụng sẽ được phân chia thành các lát (tile) và 6 lát,
được chọn từ toàn bộ phổ theo nguyên lý hoán vị/sắp xếp lại, và được nhóm lại với
nhau tạo thành khe. Một khe gồm 48 sóng mang con dữ liệu và 24 sóng mang con
dẫn đường trong 3 ký hi
ệu OFDM. Hoán vị lân cận nhóm một khối các sóng mang
lân cận tạo thành một kênh con. Các hoán vị lân cận gồm AMC hướng DL và AMC
hướng UL có cùng cấu trúc. Trong một ký hiệu có 9 sóng mang con lân cận (gọi là
bin), với 8 trong số đó được ấn định cho dữ liệu và 1 được ấn định cho dẫn đường
Một khe trong AMC được định nghĩa như một tập các bin của kiểu (NxM = 6),
trong đó N là số các bin lân cận và M là số các ký hiệu cận. Do vậy các tổ h
ợp cho
phép là (6 bins, 1 ký hiệu).
2.2.3 S-OFDMA
Chế độ OFDM cho mạng không dây diện rộng (Wireless MAN) theo chuẩn IEEE
802.16e-2005 dựa trên kỹ thuật S-OFDMA (Scalable OFDMA). S-OFDMA hỗ trợ
nhiều dải băng thông khác nhau để xác định hoạt động nhu cầu cấp phát phổ khác
nhau và các yêu cầu mô hình sử dụng. Khả năng tỉ lệ được hộ trợ nhờ điều chỉnh
kích thước FFT trong khi vẫn giữ nguyên độ rộng băng tần sóng mang con là 10,94
KHz. Do vậy băng thông sóng mang con theo đơ
n vị tài nguyên và độ dài của ký
hiệu là cố định, ảnh hưởng ở các lớp cao hơn cũng được tối thiểu hoá khi lấy tỉ lệ

băng thông. Các tham số S-OFDMA được liệt kê trong Bảng 2.1. Các băng thông
Sóng mang con điều khiển
Ký hiệu 1
Ký hiệu 2
Ký hiệu 0
Sóng mang con dữ liệu
25

hệ thống cho hai hồ sơ mà nhóm kỹ thuật WiMax Forum đưa ra lần đầu (Release-1)
là 5 và 10 MHz.
Tham số Giá trị
Băng thông kênh hệ thống (MHz)
1,25 5 10 20
Tần số lấy mẫu (F
p
ở MHz)
1,4 5,6 11,2 22,4
Kích thước FFT (N
FFT
)
128 512 1024 2048
Số kênh con (Sub-channels)
2 8 16 32
Độ rộng tần số sóng mang con
10,94
Khoảng thời gian lấy mẫu (T
b
=1/f)
91,4
Khoảng thời gian bảo vệ (T

g
=T
b
/8)
11,4
Khoảng biểu trưng OFDMA (T
s
=T
b
+ T
g
)
102,9
Số biểu trưng OFDMA (Khung 5 ms)
48
Bảng 2.1: Các tham số tỉ lệ OFDMA
2.2.4 Cấu trúc khung TDD
Chuẩn 802.16e hỗ trợ TDD và FDD bán song công; tuy nhiên phê chuẩn WiMax di
động đưa ra lần đầu tiên chỉ có TDD. Với những phát hành sắp tới, WiMax Forum
sẽ đề cập đến FDD cho các thị trường xác định, nơi mà các yêu cầu ổn định phổ cục
bộ hoặc sẽ kế thừa TDD hoặc sẽ triển khai FDD. Đối với các vấn đề nhiễu, TDD
không yêu cầu sự đồng bộ
hệ thống ở diện rộng; trái lại TDD sẽ ưu tiên chế độ song
công bởi các lý do:
- TDD cho phép điều chỉnh tỉ lệ DL/UL (đường xuống/đường lên) để hỗ trợ hiệu
quả lưu lượng không đối xứng giữa đường xuống và đường lên (với FDD thì tỉ lệ
đường xuống và lên là không đổi và thường là bằng băng thông của đường xuống
và đường lên).
- TDD đảm bảo sự
trao đổi kênh để: hỗ trợ khả năng điều chỉnh đường truyền,

MIMO và các công nghệ anten vòng kín cao cấp khác.
- Không như FDD yêu cầu một cặp kênh, TDD chỉ yêu cầu một kênh đơn cho cả
đường lên và đường xuống đem lại khả năng điều chỉnh linh động sự cấp phát tần
số toàn cục.
- Các thiết kế bộ thu phát để triển khai TDD cũng ít phức tạp và ít tốn kém hơn.