{Đồ án} tìm hiểu mạng wimax và ứng dụng tại việt nam

MỤC LỤC
Trang
Mục lục
i
Danh sách các hình vẽ, các bảng
iv
Danh sách các thuật ngữ viết tắt
vi
Lời nói đầu
ix
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY
1
1.1 Mạng LAN không dây
1
1.1.1 Sơ lược về mạng LAN không dây
1
1.1.2 Cấu hình cơ bản của một mạng WLAN
4
1.1.3 Lợi ích, ưu điểm của WLAN
5
1.1.4 Nhược điểm của WLAN
6
1.2 Mạng diện rộng không dây WMAN
9
1.2.1 Trạm gốc BS
9
1.2.2 Trạm thuê bao SS
9
1.3 Công nghệ WiMax
10
1.3.1 Các tiêu chuẩn 802.16

11
1.3.1.1 Giới thiệu về chuẩn 802.16
11
1.3.1.2 Các chuẩn IEEE 802.16 tiêu biểu
13
1.3.1.3 So sánh WLAN và WiMax
17
1.3.2 Lớp PHY và MAC của chuẩn IEEE 802.16a
18
1.3.2.1 Lớp vật lý PHY
18
1.3.2.2 Lớp MAC trong chuẩn IEEE 802.16a
23
1.3.2.3 Lớp con bảo mật
31
1.3.3 Lớp con hội tụ truyền
33
1.4 Kết luận
34
Chương 2: KỸ THUẬT CƠ BẢN CHO MẠNG WIMAX
35
2.1 Kỹ thuật OFDM
35
2.1.1 Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật OFDM
35
2.1.2 Khái niệm đa sóng mang
36
2.1.3 Sự trực giao của hai tín hiệu
39
2.1.4 Tín hiệu OFDM

43
2.1.4.1 Tín hiệu OFDM
44
2.1.4.2 Phổ tín hiệu OFDM
45
2.1.5 Khoảng bảo vệ
50
2.1.5.1 Bảo vệ chống lại dịch thời gian
52
2.1.5.2 Bảo vệ chống lại ISI
52
2.1.6 Tiền tố vòng trong tín hiệu OFDM
54
2.1.7 Các ưu và nhược điểm của kỹ thuật OFDM
55
1
2.2 Kỹ thuật MIMO
56
2.2.1 Mô hình kênh MIMO
56
2.2.2 Các phương pháp phân tập
58
2.2.2.1 Phân tập thời gian
59
2.2.2.2 Phân tập tần số
59
2.2.2.3 Phân tập phân cực
60
2.2.2.4 Phân tập không gian
60

2.2.3 Phân tập không gian thu
61
2.2.3.1 Kết hợp chọn lọc
61
2.2.3.2 Kết hợp tỷ lệ tối đa
62
2.2.4 Phân tập không gian phát
63
2.2.4.1 Phân tập phát tỷ lệ tối đa
63
2.2.4.2 Phân tập phát trễ
64
2.2.4.3 Phân tập phát không gian thời gian
65
2.2.5 Các phương pháp truyền dẫn trên kênh MIMO
67
2.2.5.1 Mã khối không gian thời gian
68
2.2.5.2 Phương pháp MIMO – SDM
68
2.3 Kỹ thuật điều chế thích nghi
71
2.3.1 Điều chế M-PSK
72
2.3.2 Điều chế M-QAM
75
2.4 Kết luận
76
Chương 3: TÌNH HÌNH ỨNG DỤNG WIMAX TẠI VIỆT NAM
77

3.1 Tình hình triển khai WiMax tại Việt Nam hiện nay
77
3.2 Mô hình thử nghiệm WiMax của Viettel
78
3.2.1 Quy mô và địa bàn thử nghiệm
78
3.2.2 Tần số và dung lượng
79
3.2.3 Cấu trúc thử nghiệm
79
3.2.4 Tính chất thử nghiệm
82
3.2.5 Các dịch vụ dự kiến thử nghiệm
82
3.2.6 Cách thức đánh giá chất lượng
83
3.2.7 Đối tác cung cấp thiết bị
83
3.3 Kết luận
83
Kết luận chung
84
Tài liệu tham khảo
85
2
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY
1.1 MẠNG LAN KHÔNG DÂY
1.1.1 Sơ lược về mạng LAN không dây
Mạng LAN không dây (WLAN) là một mạng dùng để kết nối hai hay

nhiều máy tính với nhau mà không sử dụng dây dẫn. WLAN dùng công nghệ
trải phổ, sử dụng sóng vô tuyến cho phép truyền thông giữa các thiết bị trong
một vùng nào đó. Nó giúp cho người sử dụng có thể di chuyển trong một
vùng bao phủ rộng mà vẫn kết nối được với mạng. WLAN có mọi khả năng
như các mạng LAN có dây truyền thông nhưng không bị hạn chế về cáp, dây
dẫn. Với WLAN, cơ sở hạ tầng mạng như cáp nối, các đường dây là không
cần nữa mà thay vào đó là môi trường truyền sóng vô tuyến.
Mạng cục bộ không dây WLAN chỉ giống mạng LAN truyền thống ở
chỗ chúng đều phụ thuộc vào một môi trường vật lý truyền tín hiệu đi qua.
Thay vì phải dùng một đôi dây xoắn hoặc cáp quang như trong mạng LAN,
mạng cục bộ WLAN sử dụng tia hồng ngoại (Infrared) hoặc các tần số vô
tuyến điện (RF), trong đó việc sử dụng tần số vô tuyến điện RF phổ biến hơn
vì dải thông sóng RF không rộng hơn sóng mang và phủ sóng rộng hơn.
Trong thực tế hiện nay các mạng WLAN sử dụng dải tần 2.4GHz và 5GHz.
WLAN là một hệ thống truyền dữ liệu mềm dẻo, nó được sử dụng
trong những ứng dụng cần sự di động. Sử dụng sóng điện từ, WLAN gửi và
nhận dữ liệu qua không khí mà không cần bất cứ một đường truyền vật lý
3
nào. Công nghệ WLAN hiện nay có thể đạt được tốc độ truyền lên đến
11Mbps.
WLAN dễ dàng kết nối nhanh và hiệu quả với mạng LAN có dây hay
chuẩn LAN. Chỉ cần đơn giản thiết lập một điểm truy cập trong mạng LAN
có dây, các máy tính cá nhân được trang bị các card mạng không dây có thể
nối với mạng LAN có dây với tốc độ cao và có thể cách xấp xỉ 300m so với
điểm truy cập.
Vào tháng 7/1997 IEEE đã đưa ra chuẩn cho WLAN. Chuẩn này có tên
là IEEE 802.11, và vào tháng 9/1999 IEEE đã thông qua chuẩn 802.11b (tốc
độ cao). Vài năm trở lại đây, hầu hết các mạng WLAN đều được triển khai
theo chuẩn 802.11b hoạt động ở tần số trải phổ là 2.4GHz. Chuẩn 802.11b
cho phép tốc độ kết nối lớn hơn 11Mbps, đủ nhanh để nhận các email dung

lượng lớn và chạy các chương trình cần độ rộng băng thông lớn như hội thảo
truyền hình. Trong khi chuẩn 802.11b hiện nay đang chiếm ưu thế trên thị
trường mạng WLAN, thì các chuẩn khác của 802.11 như 802.11a hay
802.11g đang được phát triển để tăng tốc độ kết nối. Các nhà cung cấp dịch
vụ WLAN hiện đang cung cấp các chuẩn khác nhau.
4
Hình 1.1: Mô hình 1 mạng WLAN là mở rộng của mạng LAN
Trước hết phải hiểu rằng, các hệ thống không dây không có nghĩa là
hoàn toàn không sử dụng dây dẫn. Trên đây là một sơ đồ của một mạng
WLAN được xây dựng như một phần của mạng LAN có dây.
Các thiết bị không dây chỉ là một phần của một mạng LAN có dây
truyền thống. Các hệ thống không dây được thiết kế và xây dựng sao cho có
thể kết nối được với các hệ thống LAN có dây truyền thống. Mặt khác, các
thiết bị không dây phải được vận hành với khả năng mã hóa và giải mã, nén
và giải nén, trải phổ và giải trải phổ, phát và thu tín hiệu không dây như đa số
các thiết bị thông tin vô tuyến khác.
Cấu hình của một mạng cục bộ không dây WLAN điển hình bao gồm
có một bộ thu phát hay điểm truy cập (Access Point - AP) nối vào mạng có
dây từ một điểm cố định sử dụng cáp mạng tiêu chuẩn. Điểm truy cập nhận
dữ liệu, lưu trú vào bộ đệm, phát dữ liệu giữa các thiết bị đầu cuối trong
mạng.
Các thiết bị đầu cuối có thể là máy tính xách tay, máy in, các thiết bị
cầm tay hay các thiết bị không dây khác và mạng hữu tuyến. Một điểm truy
cập đơn lẻ có thể hỗ trợ một nhóm nhỏ người sử dụng trao đổi dữ liệu với
mạng nhờ card mạng không dây của máy tính cá nhân hay các thiết bị tương
tự của điện thoại di động, máy hỗ trợ cá nhân số (PDA).
Các thiết bị của một mạng cục bộ không dây WLAN đầu tiên có tốc độ
truyền dữ liệu thấp, thiếu các tiêu chuẩn quốc tế về phát triển công nghệ
không dây nên đã không được sử dụng phổ biến. Sau này, các hệ thống hiện
đại đã được chuẩn hóa quốc tế truyền dữ liệu với tốc độ cao, được chấp nhận

trên toàn thế giới và có tính tương thích giữa các sản phẩm của các nhà sản
xuất khác nhau.
5
Trong những năm gần đây, các tổ chức quốc tế về phát triển công nghệ
mạng không dây như IEEE 802.11 và Liên minh WiFi đã cùng nhau tiến hành
chuẩn hóa các chuẩn về mạng không dây. Công nghệ không dây hiện nay hỗ
trợ cho các tốc độ dữ liệu khác nhau và có các giao thức cần thiết để có thể
cùng hoạt động với các mạng cục bộ không dây WLAN truyền thống. Hơn
nữa giá thành các thiết bị không dây mới đã giảm nhiều so với trước kia.
WLAN đang là một lựa chọn có triển vọng về mạng cục bộ vì việc đưa những
hệ thống này vào sử dụng không cần sự cho phép đặc biệt nào của các cơ
quan quản lý tần số vô tuyến điện.
1.1.2 Cấu hình cơ bản của một mạng WLAN
Mỗi mạng không dây cần có một bộ thu phát vô tuyến và anten. Các
thành phần cấu tạo nên một mạng không dây cơ bản: các trạm (station) và các
điểm truy cập. Trong đó, một trạm dịch vụ cơ sở (Base Service Set) được tạo
nên bởi hai hay nhiều các trạm liên lạc với nhau và thiết lập thành một mạng.
Một trạm dịch vụ mở rộng (Enlarge Service Set) được tạo nên bởi nhiều trạm
dịch vụ cơ sở được kết nối với nhau (mỗi một trạm dịch vụ cơ sở có một AP).
Một mạng cục bộ không dây hoạt động theo một hoặc hai chế độ: chế độ
mạng ngang hàng và chế độ có hạ tầng cơ sở.
Trong chế độ mạng ngang hàng, mỗi máy tính trong mạng giao tiếp
trực tiếp với nhau thông qua các card mạng không dây mà không dùng đến
các thiết bị định tuyến hay các điểm truy cập không dây. Trong chế độ này,
mỗi trạm thông tin trực tiếp với các trạm khác mạng bên trong mạng. Chế độ
này chỉ hoạt động được khi các trạm ở trong phạm vi truyền sóng của nhau và
có thể thông tin được với nhau. Nếu một trạm trong mạng ngang hàng muốn
thông tin với mạng phạm vi bên ngoài phạm vi phủ sóng thì cần có một bộ
định tuyến.
Còn trong chế độ có hạ tầng cơ sở, các máy tính trong hệ thống mạng

sử dụng một hoặc nhiều các thiết bị định tuyến (hay thiết bị thu phát) còn
6
được gọi là các thiết bị điểm truy cập để thực hiện các hoạt động trao đổi dữ
liệu với nhau. Trong chế độ này, mỗi trạm gửi thông tin của mình tới một
điểm truy cập. Khi đó điểm truy cập hoạt động như một cầu nối và tiếp tục
gửi thông tin vào mạng (không dây hoặc có dây).
1.1.3 Lợi ích, ưu điểm của WLAN
Sự phổ biến của WLAN chủ yếu là do sự thuận tiện của nó, hiệu quả
chi phí và dễ dàng tích hợp với các thành phần và hệ thống khác. Với sự tăng
trưởng của số lượng người sử dụng các thiết bị di động đòi hỏi phải thực hiện
truyền thống giữa các người sử dụng một cách nhanh chóng.
- Sự thuận tiện
Tính chất không dây của WLAN cho phép sử người sử dụng có thể truy
nhập tài nguyên mạng tại bất kỳ vị trí nào trong môi trường mạng (ở nhà hoặc
văn phòng). Với sự tăng trưởng của các máy tính laptop thì sự thuận tiện càng
trở nên dễ thực hiện.
- Sự di động
Với sự nổi lên của các mạng không dây công cộng, người sử dụng có
thể truy cập Internet ngay bên ngoài nơi làm việc của họ. Hầu hết tại các quán
café, khách hàng có thể truy cập Internet với giá rất thấp hoặc miễn phí.
Kết nối Internet bằng mạng WLAN là rất hợp lý cho bất kỳ công ty nào
mà không thể triển khai được mạng LAN có dây ví dụ như bị giới hạn bởi
không gian một tòa nhà, hoặc ở những nơi cho thuê hoặc những nơi tạm thời.
Công nghệ WLAN cho phép mạng có thể tới bất cứ nơi đâu mà dây dẫn
không thể tới được. Những người sử các thiết bị di động có thể dễ dàng di
chuyển trong toàn bộ không gian mạng phủ sóng mà vẫn kết nối được với
mạng WLAN.
- Năng suất
7
Người sử dụng có kết nối với mạng không dây có thể duy trì một mối

quan hệ gần như không thay đổi với mạng khi họ di chuyển từ chỗ này sang
chỗ khác. Đối với kinh doanh, một nhân viên có thể tăng năng suất của công
việc vì họ có thể hoàn thành công việc của họ ở bất cứ vị trí thuận tiện nào.
- Sự triển khai
Cài đặt ban đầu của một mạng không dây cơ bản yêu cầu thấp hơn với
một điểm truy cập đơn. Nói cách khác, mạng có dây cần thêm chi phí và phức
tạp hơn khi hoạt động ở nhiều vị trí.
WLAN rõ ràng tốt hơn so với mạng LAN có dây truyền thống trong
thời gian thiết lập. Thời gian cần thiết để thiết lập mạng WLAN là rất ngắn.
Tốc độ của các mạng hiện đại là khá cao (có thể lên đến 54Mbps) bằng
cách sử dụng vùng phổ rộng.
- Khả năng mở rộng
Mạng không dây có thể phục vụ với số lượng tăng lên bất ngờ của các
máy trạm (Client). Còn đối với mạng có dây thì khi muốn thêm các máy trạm
thì yêu cầu phải thêm dây.
Với sự giúp đỡ của các thiết bị không dây, mạng WLAN có thể kết nối
dễ dàng với các mạng có dây truyền thống.
- Chi phí
Trong khi vốn đầu tư ban đầu cho phần cứng của mạng WLAN là cao
hơn so với mạng LAN truyền thống, tuy nhiên chi phí cài đặt tổng thể và chi
phí toàn bộ chu trình có thể thấp hơn một cách đáng kể. Lợi ích kinh tế trong
một thời gian dài là rất lớn trong những môi trường động yêu cầu thay đổi và
di chuyển thường xuyên.
8
Hầu hết các thiết bị WLAN là các thiết bị cắm và chạy (Plug and Play),
do đó giúp giảm chi phí cho việc cài đặt, duy trì thiết bị và loại bỏ các thiết bị
thừa trong trường hợp hệ thống phá hủy.
1.1.4 Nhược điểm của WLAN
Công nghệ WLAN, ngoài rất nhiều sự tiện lợi và những ưu điểm được
nêu ở trên thì cũng có các nhược điểm. Trong một số trường hợp mạng LAN

không dây có thể không như mong muốn vì một số lý do. Hầu hết chúng phải
làm việc với những giới hạn vốn có của công nghệ.
- An ninh mạng
Sự nguy hiểm đối với người sử dụng công nghệ không dây ngày càng
tăng nhanh vì công nghệ này càng trở nên phổ biến. Ngày nay có một số
lượng lớn những mối nguy hiểm về bảo mật trong công nghệ không dây.
Những mối nguy hiểm đó đang ngày càng tăng nhanh. Những hacker đã biết
rằng hệ thống sẽ bị tổn thương rất lớn nếu bị tấn công vào các giao thức
không dây, các phương pháp mã hóa hay sự bất cẩn và thiếu kinh nghiệm của
người dùng. Các phương pháp crack cũng ngày càng tinh vi và sáng tạo hơn.
Việc crack cũng ngày càng đơn giản và dễ thực hiện bằng các công cụ trên
nền Window và Linux, trên các trang web mà ít được chăm sóc.
- Phạm vi phủ sóng
Phạm vi phủ sóng điển hình của mạng 802.11g với các thiết bị chuẩn là
vài chục mét. Giới hạn trên chỉ đủ trong phạm vi một ngôi nhà nhưng lại
không đủ trong một không gian lớn hơn. Để có phạm vi phủ sóng lớn hơn ta
cần phải mua các bộ lặp (repeater) hoặc các điểm truy cập. Chi phí cho các
thiết bị này có thể tăng lên rất nhanh. Các công nghệ khác đang trong giai
đoạn phát triển, tuy nhiên với thuộc tính tăng phạm vi phủ sóng hy vọng sẽ
khắc phục nhược điểm này một cách thích đáng.
- Độ tin cậy
9
Giống như truyền tải sóng radio, tín hiệu mạng không dây bị ảnh hưởng
bởi nhiễu rất lớn và các hiệu ứng truyền dẫn vô tuyến (như hiện tượng phân
tập đa đường, đặc biệt là hiện tượng phadinh) khi ở xa trung tâm điều khiển
của quản trị mạng. Trong các mạng điển hình, người ta thường dùng phương
pháp điều chế dịch khóa pha (PSK) hoặc QAM để làm giảm nhiễu và các hiện
tượng thu phát vô tuyến. Do vậy mà các tài nguyên mạng quan trọng rất hiếm
khi được kết nối không dây.
Các thiết bị WLAN không thể gửi và nhận dữ liệu chính xác trong

trường hợp có sương mù dày đặc hoặc bão bụi. Các thiết bị WLAN khó mà
gửi và nhận dữ liệu đúng thời gian khi có một vật thể bay qua khu vực mạng.
Hầu hết môi trường ở văn phòng và ở nhà đều được xây dựng bằng vật
liệu tương đối trong suốt với sóng radio tần số 2.4GHz vì thế phạm vi sẽ
không bị giới hạn, tuy nhiên chúng lại được bao bọc bởi những môi trường
phản xạ và khúc xạ nên sẽ bị giới hạn cơ bản gây ra bởi hiện tượng phân tập
đa đường.
Thiếu sự tương thích giữa các sản phẩm WLAN của các nhà sản xuất
khác nhau. Sản phẩm WLAN của các nhà sản xuất khác nhau thường là
không tương thích với nhau. Chuẩn Ethernet 802.11 cổ điển đã bị bỏ qua
trong quá trình phát triển những sản phẩm WLAN sau này.
- Tốc độ
Tốc độ của hầu hết các mạng không dây (điển hình là từ 1 – 54Mbps)
là rất chậm so với tốc độ chậm nhất của mạng có dây (từ 100Mbps đến vài
Gbps). Tuy nhiên người sử dụng vẫn chưa khai thác hết tốc độ này, tốc độ này
vẫn lớn hơn nhiều so với tốc độ truyền Internet. Ví dụ, tốc độ tối đa của
đường truyền ADSL là 8Mbps được đưa ra bởi các công ty viễn thông tới
khách hàng thì vẫn chậm hơn nhiều so với tốc độ của mạng LAN không dây.
Ta hoàn toàn có thể sử dụng mạng LAN không dây để truy cập Internet tốc độ
10
cao. Tuy nhiên trong một số trường hợp đặc biệt, sử dụng đường truyền có
dây vẫn là cần thiết.
Do giới hạn về băng thông, công nghệ WLAN không thể hỗ trợ hội
nghị truyền hình. Tuy nhiên, những nhà chuyên môn cho rằng WLAN sẽ hỗ
trợ hội nghị truyền hình trong những năm tới.
Yếu điểm của WLAN là nhạy cảm với nhiều dạng của các giao tiếp
ngoài và chi phí của các trạm truyền dẫn.
1.2 MẠNG DIỆN RỘNG KHÔNG DÂY WMAN
Mạng diện rộng không dây WMAN sử dụng chuẩn 802.16 được hoàn
thành tháng 12 năm 2001 và được công bố vào tháng 8 năm 2002, định nghĩa

đặc tả kỹ thuật giao diện không gian cho các mạng vùng đô thị. Việc đưa ra
chuẩn này mở ra một công nghệ mới truy cập không dây băng rộng WiMax
cho phép mạng không dây mở rộng phạm vi hoạt động tới gần 50km và có thể
truyền dữ liệu, giọng nói và hình ảnh video với tốc độ nhanh hơn so với
đường truyền cáp hoặc ADSL. Đây sẽ là công cụ hoàn hảo cho các nhà cung
cấp dịch vụ Internet muốn mở rộng hoạt động vào những vùng dân cư rải rác,
nơi mà chi phí triển khai ADSL và đường cáp quá cao hoặc gặp khó khăn
trong quá trình thi công.
Mô hình tổng quát của mạng diện rộng không dây thường bao gồm hai
loại trạm sau đây: trạm gốc (Base Station - BS) và trạm thuê bao (Subscriber
Station - SS).
1.2.1 Trạm gốc BS
BS điều khiển và quản lý kết nối. BS chuyển số liệu theo đường xuống
trên các kênh phân định cho các thuê bao. BS có thể phủ nhiều khu vực với sự
hỗ trợ của các anten thuộc các khu vực đó. Trong cấu hình điểm – đa điểm
(Point - MultiPoint), đường xuống là đa điểm. Mỗi trạm gốc BS được cấu
hình với địa chỉ MAC 48bit. Trong đó 24bit đầu là địa chỉ dùng để xác định
nhà cung cấp dịch vụ.
11
1.2.2 Trạm thuê bao SS
Trạm thuê bao SS là trạm đầu cuối kết nối liên lạc với trạm BS. Các SS
chuyển dữ liệu theo đường lên điểm – điểm trong cấu hình mạng điểm – đa
điểm và cả điểm – điểm hoặc điểm – đa điểm trong mô hình mạng hỗn hợp.
Tất cả các trạm thuê bao SS trong cùng một khu vực và kênh tần số sẽ nhận
cùng một thông tin đường xuống. Một trạm thuê bao SS có thể trở thành đầu
cuối số liệu gói hoặc đa phương tiện cùng với dải dung lượng tốc độ truyền.
Mạng diện rộng không dây WMAN có cấu hình điểm – đa điểm, tại đó
một trạm gốc BS gửi dữ liệu và điều khiển thông tin tới nhiều trạm thuê bao
SS. Trong khi một trạm thuê bao SS có thể liên lạc tới một trạm gốc BS thông
qua các kênh dữ liệu cơ sở có tranh chấp hoặc đã được phân bố. Có thể lựa

chọn mô hình hỗn hợp cho WMAN, các trạm thuê bao SS có thể liên lạc trực
tiếp tạo điều kiện cho kiểu liên lạc nhiều bước.
Chuẩn IEEE 802.16 khai thác các khái niệm mới sau đây nhằm mục
đích sử dụng tài nguyên một cách mềm dẻo và hiệu quả.
- Sử dụng băng thông: Khi thuê bao được phân định băng thông để kết
nối hay trao đổi số liệu, nó có thể sử dụng một phần hoặc cả băng thông đó
cho báo hiệu.
- Điều chế thích nghi: Khả năng gửi và nhận tín hiệu của trạm bằng
cách lựa chọn một sơ đồ thích hợp trong số nhiều sơ đồ điều chế khác nhau.
Với điều chế thích nghi, trạm thu có thể nhận từ trạm sử dụng các hồ sơ đa
cụm. Trạm phát cũng có thể gửi số liệu sử dụng điều chế thích nghi tới các
trạm sử dụng các hiện trạng đa khung.
- Anten thích nghi: Trạm thu có thể nhận tín hiệu từ nhiều anten một
cách thích hợp khi tăng dung lượng và cải thiện vùng phủ sóng.
1.3 CÔNG NGHỆ WIMAX
12
WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Access) là hệ
thống truy nhập viba có tính tương tác toàn cầu dựa trên cơ sở hệ thống tiêu
chuẩn kỹ thuật IEEE 802.16.
Công nghệ mạng không dây đang được triển khai nhiều ứng dụng có
triển vọng bổ sung cho mạng thông tin di động. Mạng WiFi hay mạng LAN
không dây chủ yếu phục vụ cho mạng cục bộ LAN, còn WiMax phục vụ chủ
yếu cho mạng đô thị MAN. Mạng WiMax cũng như mạng đô thị hữu tuyến
(truyền dẫn qua cáp) như mạng DSL đều được sử dụng để phục vụ cho các
thuê bao trong vùng có bán kính tới 50km.
Hình 1.2: Mô hình một mạng WiMax
WiMax là một giải pháp vô tuyến băng rộng cho phép hội tụ các mạng
băng rộng cố định và di động thông qua một công nghệ truy nhập vô tuyến
băng rộng trên diện rộng và kiến trúc mạng mềm dẻo. Giao diện không gian
WiMax thông qua công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao

13
OFDMA để cải thiện hiệu suất đa đường trong môi trường không có tầm nhìn
thẳng NLOS.
1.3.1 Các tiêu chuẩn 802.16
1.3.1.1 Giới thiệu về chuẩn 802.16
Chuẩn IEEE 802.16 đầu tiên được hoàn thành năm 2001 và công bố
vào năm 2002 thực sự đã đem đến một cuộc cách mạng mới cho mạng truy
cập không dây. Một mạng vùng đô thị không dây cung cấp sự truy nhập mạng
cho tòa nhà thông qua anten ngoài trời có thể truyền thông với các trạm phát
sóng cơ sở. Do hệ thống không dây có khả năng hướng vào những vùng địa lý
rộng, hoang vắng mà không cần phát triển cơ sở hạ tầng tốn kém như trong
việc triển khai các kết nối cáp nên công nghệ tỏ ra ít tốn kém hơn trong việc
triển khai. Một anten WiMax có hiệu quả đầu tư cao hơn khi cung cấp băng
thông rộng tới các hộ gia đình trong bán kính lên đến 50km, loại bỏ hoàn toàn
các chi phí liên quan tới việc triển khai các hệ thống không dây kết nối. Với
công nghệ được mở rộng, nó là chuẩn được phát triển để hỗ trợ những người
dùng luôn cần sự di chuyển. Chuẩn IEEE 802.16 đã được thiết kế để mở ra
một tập các giao diện không gian dựa trên một giao thức MAC thông thường
nhưng với các đặc tả lớp vật lý phụ thuộc vào việc sử dụng và những điều
chỉnh phổ liên quan. Chuẩn này được mở rộng hỗ trợ giao diện không gian
cho những tần số trong băng tần 10 – 66GHz. Với phương pháp điều chế đơn
sóng mang, chuẩn 802.16 hỗ trợ cả hai phương pháp song công phân chia
theo thời gian TDD (Time Division Duplexing) hay phân chia theo tần số
FDD (Frequency Division Duplexing).
Năm 2003, IEEE đưa ra chuẩn không dây 802.16a để cung cấp khả
năng truy cập băng rộng không dây ở đầu cuối và điểm kết nối băng tần 2 –
11GHz với khoảng cách kết nối tối đa có thể đạt tới 50km trong trường hợp
kết nối điểm – điểm và 7 – 10km trong trường hợp kết nối từ điểm – đa điểm.
Tốc độ truy nhập có thể đạt tới 70Mbps. Trong khi với dải tần 10 – 66GHz,
14

chuẩn 802.16-2001 phải yêu cầu tầm nhìn thẳng, thì với dải tần 2 – 11GHz
chuẩn 802.16a cho phép kết nối mà không cần tầm nhìn thẳng, tránh được tác
động của các vật cản trên đường truyền như cây cối, nhà cửa. Chuẩn này sẽ
giúp ngành viễn thông có các giải pháp như cung cấp băng thông theo yêu
cầu, với thời gian thi công ngắn hay băng thông rộng cho hộ gia đình mà công
nghệ thuê bao số hay cáp mạng không tiếp cận được.
Tháng 7/2004 IEEE đưa ra chuẩn 802.16-2004 thường được gọi với tên
802.16-d. Chuẩn này được hình thành dựa trên sự tích hợp các chuẩn 802.16-
2001, 802.16-a, 802.16-d.
1.3.1.2 Các chuẩn IEEE 802.16 tiêu biểu
Ban đầu chuẩn IEEE 802.16 chỉ có một sự đặc tả lớp MAC. Sau một
loạt những nghiên cứu đã đưa thêm vào nhiều sự khác biệt về những đặc tả
lớp vật lý (PHY) như những sự chỉ định trải phổ mới, cả cấp phép và không
cần cấp phép, đã trở nên có giá trị.
* IEEE 802.16-2001
Những đặc tả ban đầu của chuẩn IEEE 802.16 đã định nghĩa lớp MAC
và PHY có khả năng cung cấp truy nhập băng rộng không dây cố định theo
mô hình điểm – điểm và điểm – đa điểm. Chuẩn IEEE 802.16 đã được thiết
kế để mở ra một tập các giao diện không gian dựa trên một giao thức MAC
thông thường nhưng với các đặc tả vật lý phụ thuộc vào việc sử dụng và
những điều chỉnh phổ có liên quan. Chuẩn này được mở rộng hỗ trợ giao diện
không gian cho những tần số trong băng tần 10 – 66GHz. Với phương pháp
điều chế đơn sóng mang, 802.16 hỗ trợ cả hai phương pháp song công phân
chia theo thời gian TDD và phân chia theo tần số FDD.
Trong khi chuẩn IEEE 802.11 dùng phương pháp truy nhập nhạy cảm
sóng mang có cơ chế tránh xung đột CSMA/CA (Carrier Sense Multiple
Access with Collision Avoidance) để cho phép khi nào một node trên mạng
15
được phép truyền dữ liệu, thì lớp MAC của IEEE 802.16-2001 sử dụng một
mô hình hoàn toàn khác để điều khiển sự truyền dẫn trên mạng. Trong thời

gian truyền dẫn, phương pháp điều chế được ấn định bởi BS và chia sẻ với tất
cả các node trong mạng trong thông tin broadcast cho cả đường lên và đường
xuống. Bằng việc lập lịch cho việc truyền dẫn, vấn đề các node ảo đã được
loại trừ. Thuê bao chỉ cần nghe tín hiệu từ BS và sau đó là từ các node trong
phạm vi phủ sóng của BS đó. Ngoài ra, thuật toán lập lịch có thể thay đổi khi
xảy ra quá tải hoặc khi số thuê bao tăng lên quá nhiều.
Trạm thuê bao SS có thể thương lượng về độ rộng dải tần được cấp
pháp trong một burst cơ bản, cung cấp một lịch truy nhập mềm dẻo. Các
phương pháp điều chế được định nghĩa bao gồm: PSK, 16-QAM và 64-QAM.
Chúng có thể thay đổi từ khung này tới khung khác, hay từ SS này tới SS
khác tùy thuộc vào tình trạng của kết nối. Khả năng thay đổi phương pháp
điều chế và phương pháp sử dụng sửa sai hướng đi FEC (Forward Error
Correction) theo các điều kiện truyền dẫn hiện thời cho phép mạng thích ứng
nhanh chóng với điều kiện thời tiết, như phađing do mưa. Các tham số truyền
dẫn ban đầu được thỏa thuận thông qua một quá trình tương tác gọi là Initial
Ranging. Trong quá trình này thì năng lượng, phương pháp điều chế được
cung cấp bởi BS được kiểm soát và quản lý theo điều kiện hiện thời của lỗi.
Phương pháp song công của kênh đường lên và đường xuống được sử
dụng hoàn toàn theo một trong hai phương pháp TDD và FDD.
Quan trọng hơn nữa, chuẩn IEEE 802.16-2001 kết hợp chặt chẽ các đặc
tính có khả năng cung cấp chất lượng dịch vụ khác nhau xuống cấp vật lý.
Khả năng hỗ trợ chất lượng dịch vụ được xây dựng theo khái niệm về lưu
lượng dịch vụ (service flow), nó được xác định một cách vừa đủ bởi một ID
lưu lượng dịch vụ. Những lưu lượng dịch vụ này được mô tả bởi các tham số
QoS của chúng như thời gian trễ tối đa và lượng jitter cho phép. Lưu lượng
dịch vụ là đơn hướng và nó có thể được tạo ra bởi BS hoặc SS.
16
Đóng vai trò cốt lõi trong việc bảo mật của chuẩn IEEE 802.16 là lớp
con riêng biệt (Privacy Sublayer). Mục đích chính của lớp con riêng biệt là
cung cấp sự bảo mật trên các kết nối không dây của mạng. Nó được thực hiện

thông qua việc mật mã hóa dữ liệu gửi giữa BS và SS. Để ngăn cản việc trộm
dịch vụ, SS có thể được nhận thực qua chứng chỉ số X.509. Chứng chỉ này
bao gồm khóa công khai của SS và địa chỉ MAC.
* IEEE 802.16a-2003
Năm 2003, IEEE đưa ra chuẩn không dây 802.16a để cung cấp khả
năng truy nhập băng rộng không dây ở đầu cuối và điểm kết nối bằng băng
tần 2 – 11GHz với khoảng cách kết nối tối đa có thể đạt tới 50km trong
trường hợp kết nối điểm – điểm và 7 – 10km trong trường hợp kết nối từ điểm
– đa điểm. Tốc độ truy nhập có thể đạt tới 70Mbps. Chuẩn này sẽ giúp cho
ngành viễn thông có các giải pháp như cung cấp băng thông theo yêu cầu, với
thời gian thi công ngắn hay băng thông rộng cho hộ gia đình mà công nghệ
thuê bao số hay cáp mạng không tiếp cận được.
IEEE 802.16a bao gồm cả đặc tả lớp vật lý PHY và cải tiến lớp MAC
cho khả năng truyền dẫn đa đường và giảm tối đa nhiễu. Các đặc tính được
thêm vào cho phép sử dụng kỹ thuật quản lý năng lượng cao cấp hơn, và dãy
anten thích ứng. Phương pháp dồn kênh phân chia theo tần số trực giao
OFDM cung cấp thêm một sự lựa chọn cho phương pháp điều chế đơn sóng
mang. Để cung cấp một kỹ thuật giảm thiểu can nhiễu trong các mạng không
dây hiện nay, IEEE 802.16a cung cấp thêm một sự lựa chọn cho phương pháp
điều chế đơn sóng mang. Để cung cấp một kỹ thuật giảm thiểu can nhiễu
trong các mạng không dây hiện nay, IEEE 802.16a cũng định nghĩa thêm
phương pháp điều chế đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA
trong phạm vi dải tần 2 – 11GHz.
17
Vấn đề bảo mật cũng được cải tiến, với rất nhiều đặc trưng lớp con
riêng biệt được đưa thêm vào. Các đặc tính riêng biệt được sử dụng để nhận
thực tác nhân gửi của một thông điệp MAC nào đó.
IEEE 802.16a cũng đưa thêm các tùy chọn hỗ trợ cho mạng Mesh, ở
những nơi mà lưu lượng có thể được định tuyến từ SS tới BS. Đây là sự thay
đổi từ chế độ điểm – đa điểm, khi mà lưu lượng chỉ được phép truyền giữa BS

và SS. Sự bổ sung những đặc tả lớp MAC thích hợp cho phép việc lập lịch
truyền dẫn giữa các SS của mạng Mesh mà không cần phải có sự kiểm soát
của BS.
* IEEE 802.16c-2002
Chuẩn IEEE 802.16c được đưa ra vào tháng 9/2002. Bản cập nhật đã sử
một số lỗi và sự mâu thuẫn trong bản tiêu chuẩn ban đầu và thêm vào một số
profiles hệ thống chi tiết cho dải tần 10 – 66GHz.
* IEEE 802.16-2004
Chuẩn IEEE 802.16-2004 chính thức được phê chuẩn ngày 24/7/2004
và được công bố rộng rãi vào tháng 9/2004. IEEE 802.16-2004 thường được
gọi với tên 802.16-REVd. Chuẩn này được hình thành dựa trên sự tích hợp
các chuẩn 802.16-2001, 802.16a, 802.16c. Chuẩn này đã được phát triển
thành một tập các đặc tả hệ thống có tên là IEEE 802.16-REVd, nhưng đủ
toàn diện để phân loại như là một sự kế thừa hoàn chỉnh chuẩn IEEE 802.16
ban đầu.
* IEEE 802.16e (802.16-2005)
Chuẩn 802.16e được thông qua vào tháng 12/2005. Ngoài việc kế thừa
các đặc điểm của các chuẩn khác thì chuẩn này hỗ trợ cả khả năng di động.
Để có thể hỗ trợ được khả năng di động thì đã có một số thay đổi trong chuẩn
như kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số sóng mang trực giao
SOFDMA, kỹ thuật chuyển giao, điều khiển công suất để giảm nhiễu đồng
18
thời tiết kiệm năng lượng cho thiết bị di động. Tần số hoạt động dưới 6GHz
cho phép mở rộng phạm vi bao phủ. Chuẩn này đã mở ra nhiều ứng dụng mới
trong tương lai.
1.3.1.3 So sánh WLAN và WiMax
a) Phạm vi truyền dẫn
Sự khác nhau cơ bản giữa WLAN và WiMax là chúng được thiết kế
cho các ứng dụng hoàn toàn khác nhau. WLAN là một công nghệ mạng vùng
nội hạt LAN được thiết kế để tăng thêm tính di động cho các mạng LAN hữu

tuyến riêng. WiMax được thiết kế để cung cấp một dịch vụ truy nhập không
dây băng rộng BWA cho mạng vùng thành thị. Vì thế trong khi WLAN hỗ trợ
truyền dẫn trong phạm vi một vài trăm mét, thì WiMax có thể hỗ trợ người
dùng ở trong bán kính hàng chục km.
b) Các tiêu chuẩn
Chuẩn IEEE 802.11 WLAN miêu tả bốn giao diện liên kết vô tuyến
hoạt động trong băng tần vô tuyến không cấp phép 2.4GHz – 5GHz. Các
chuẩn WiMax bao gồm một dải băng tần rộng hơn, sử dụng cả băng tần cấp
phép và băng tần không cấp phép.
c) Kỹ thuật ghép kênh
WiMax sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo thời gian TDD và
kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số FDD cho cả đường lên và đường
xuống. Trong TDD với khe thời gian được ấn định cho đường lên và đường
xuống tách biệt nhau, vì thế kênh truyền là song công toàn phần.
WLAN sử dụng TDD trên cơ sở tranh chấp nơi mà điểm truy cập và
các trạm sử dụng chung một kênh. Tất cả các mạng WLAN đều là bán song
công.
19
d) Công nghệ truyền dẫn
WiMax được hỗ trợ nhiều công nghệ vô tuyến hiện đại như các anten
thông minh có thể giảm nhiễu và nâng cao tốc độ truyền. Kết hợp với tính đa
dạng ở đầu phát, đa dạng đầu thu MIMO để cải thiện phạm vi bao phủ.
1.3.2 Lớp PHY và MAC của chuẩn IEEE 802.16a
Chuẩn IEEE 802.16a được xây dựng dưới dạng ngăn xếp với nhiều
giao diện được định nghĩa. Lớp MAC bao gồm ba lớp con: Lớp con hội tụ
chuyên biệt dịch vụ (Service Specific Convergence Sublayer), lớp con MAC
phần chung (MAC Common Part Sublayer) và lớp con bảo mật (Privacy
Sublayer). Giữa PHY và MAC là một lớp con hội tụ truyền TC (Transmission
Convergence Sublayer). Vị trí tương đối của các lớp con MAC và lớp PHY
được trình bày trong bảng:

Lớp cao hơn
Lớp con hội tụ chuyên biệt dịch vụ
(Service Specific Convergence Sublayer)
MAC
Lớp con MAC phần chung
(MAC Common Part Sublayer)
Lớp con bảo mật
(Privacy Sublayer)
Lớp con hội tụ truyền TC (Transmission Convergence Sublayer)
QPSK 16-QAM 64-QAM OFDM
Bảng 1.1: Vị trí tương đối của lớp MAC và PHY
1.3.2.1 Lớp vật lý PHY
Trong những công bố đầu tiên của chuẩn IEEE 802.16 chỉ ra rằng nó
hoạt động trong tầm nhìn thẳng LOS ở băng tần cao trong dải tần số từ
20
10GHz đến 66GHz. Nhưng đã được sửa đổi và chỉ ra ở trong chuẩn IEEE
802.16a, thiết kế cho các hệ thống hoạt động ở dải tần từ 2GHz đến 11GHz. Ý
nghĩa quan trọng của sự khác nhau giữa hai băng tần trên đó là khả năng hỗ
trợ trong tầm nhìn không thẳng NLOS và ở tần số thấp khi mà các thiết bị
không thể thực hiện được ở tần số cao. Do đó chuẩn IEEE 802.16a đã sửa đổi
và là một chuẩn mở tạo cơ hội cho sự thay đổi lớn ở lớp vật lý. Nó được chỉ
rõ qua sự khuyến cáo hai phương pháp điều chế ở lớp vật lý, đó là:
- 256 point FFT OFDM
- 2048 point FFT OFDMA
Sau một số lần kiểm tra, cuối cùng tổ chức WiMax đã chấp nhận sự hỗ
trợ của phương pháp điều chế 256 point FFT OFDM, cùng với sự phát triển
của các công nghệ khác dựa vào sự quyết định của thị trường. Thay vì lựa
chọn CDMA tổ chức IEEE đã lựa chọn dạng tín hiệu OFDM vì nó có khả
năng hỗ trợ sự thực thi trong tầm nhìn không thẳng, trong khi vẫn duy trì
được mức hiệu suất cao nhất của quang phổ khi sử dụng dải phổ có sẵn.

Trong công nghệ CDMA (thường được áp dụng trong điệnt thoại di động thế
hệ 2G – 3G) băng thông RF cần phải lớn hớn nhiều so với lưu lượng dữ liệu,
để có thể đáp ứng được cho bộ xử lý chống lại nhiễu.
IEEE 802.16a có kiến trúc điểm – đa điểm, nên về cơ bản BS truyền
một tín hiệu với những trạm thuê bao riêng lẻ được định vị những khe thời
gian theo chu kỳ. Sự truy nhập theo hướng đường lên cho bởi TDMA. Và với
thiết kế burst được chọn cho phép cả TDD (tại đó đường lên và đường xuống
dùng chung một kênh nhưng không truyền cùng một lúc) và FDD (tại đó
đường lên và đường xuống dùng trong những kênh riêng biệt) được xử lý một
cách tương tự. Việc lựa chọn TDD hay FDD hỗ trợ những burst thích hợp
trong đó việc điều chế và mã hóa có thể được gán động trên từng burst một
với mỗi trạm thuê bao CPE (Customer Premise Equipment).
21
FEC (Forward Error Correction) có khả năng thay đổi kích thước block
và khả năng sửa lỗi. FEC này được liên kết với một mã nhân chập khối bên
trong để truyền dữ liệu tới hạn một cách thông suốt, như các truy nhập điều
khiển khung và truy nhập khởi đầu.
Hệ thống sử dụng một khung 0.5ms, 1ms hoặc 2ms. Khung này được
chia ra thành những khe vật lý cho mục đích cấp phát và nhận biết dải thông
thuộc các chuyển tiếp PHY. Một khe vật lý được định nghĩa cho 4 ký hiệu
QAM.
Trong phương án TDD của PHY, khung con của đường lên kế tiếp
kheo khung con của đường xuống trong cùng một tần số sóng mang. Trong
phương án FDD, các khung con của đường lên và đường xuống cuối cùng
trùng khớp nhưng chúng được mang trên những tần số riêng biệt.
Xét khung con của đường xuống: Nó bắt đầu với một đoạn điều khiển
khung có chứa DL – MAP cho khung đường xuống hiện hành cũng như UL –
MAP cho thời gian định rõ trong tương lai. Nó còn chứa một “TDM –
portion” ngay tiếp theo đoạn điều khiển khung. Dữ liệu đường xuống được
truyền tới mỗi CPE khi sử dụng một burst – profile thỏa thuận. Sau đoạn

TDM là đoạn TDMA có chữa một đoạn mở đầu (preamble) phụ tại điểm xuất
phát của mỗi burst – profile mới. Như vậy nó cho phép sự hỗ trợ tốt hơn với
các CPE bán song công do các CPE này có thể mất sự đồng bộ hóa với đường
xuống và TDMA – preamble cho phép chúng lấy lại sự đồng bộ hóa đó.
22
Hình 1.3: Khung con đường xuống
Xét khung con đường lên: Trong đó UL – MAP cấp dải thông cho các
CPE cụ thể. Các CPE truyền trong vùng cấp phát được ấn định có sử dụng
burst – profile chỉ rõ bởi UIUC (Uplink Interval Usage Code) trong mục vào
UL – MAP cấp dải thông cho chúng. Nó có thể cũng chứa những định vị trên
cơ sở cạnh tranh cho truy nhập hệ thống lúc ban đầu và quảng bá hay truyền
đa hướng các yêu cầu dải thông. Nó có cấu trúc khung như hình vẽ:
23
Hình 1.4: Khung con đường lên
Một số nét đặc trưng khác của lớp vật lý ở chuẩn IEEE 802.16a mà do
phương pháp điều chế đó mang lại đó là công suất phát lớn trong một vùng
rộng, độ rộng các kênh có tính mềm dẻo, một mặt thích ứng về tốc độ, tự hiệu
chỉnh lỗi, phụ thuộc vào các hệ thống anten cao cấp để cải thiện vùng phủ
sóng và dung lượng hệ thống, phương pháp lựa chọn tần số DFS sẽ làm cho
nhiễu giảm tới mức nhỏ nhất có thể, phương pháp mã hóa theo các khoảng
thời gian tăng cường sự thực hiện trong môi trường phadinh và vượt qua tính
đa dạng về không gian.
24
Nói tóm lại với các nét đặc trưng của lớp vật lý nó sẽ có một số lợi ích
như sau:
- Với phương pháp điều chế 256 point FFT OFDM, nó sẽ tạo ra những
sự hỗ trợ cho việc xây dựng các địa chỉ mạng đa đường trong môi trường
LOS ở vùng Outdoor và NLOS.
- Với khả năng thích ứng điều chế và phương pháp mã hóa có khả năng
tự hiệu chỉnh lỗi trong một cụm RF, đã đảm bảo độ mạnh cho các kênh RF

trong khi vẫn đảm bảo số bít/giây cho mỗi một khối các thuê bao là lớn nhất.
- Với việc hỗ trợ truy nhập TDD và FDD, thì việc thay đổi địa chỉ trên
toàn diện rộng được quy định ở một nơi nào đó hoặc tất cả những nơi cho
phép.
- Với độ mềm dẻo về kích thước của kênh, nó cung cấp tính mềm dẻo
cần thiết cho sự hoạt động ở một số băng tần khác nhau với sự thay đổi kênh
theo nhu cầu trên toàn thế giới.
- Với sự hỗ trợ của hệ thống anten thông minh, sẽ làm tăng khả năng
triệt nhiễu như vậy hệ thống sẽ lớn lên và giá thành sẽ giảm xuống.
Tất cả các đặc trưng trên đều là những yêu cầu thiết yếu cơ sở cho kỹ
thuật FBWA Outdoor hoạt động. Tính mềm dẻo của kích cỡ kênh cũng là một
điều bắt buộc nếu nó muốn được thực thi trên phạm vi toàn thế giới. Khi mà
trong dải phổ cho phép sự hoạt động trong hệ thống phải trả giá cước cho
từng MHz, thì đó là vấn đề cấp thiết cho việc triển khai hệ thống sử dụng tất
cả các phần của dải phổ và cung cấp tính mềm dẻo trong mạng tổ ong
Cellular. Ví dụ khi phải trả cước cho một dải tần 14MHz thì chúng ta không
muốn hệ thống sử dụng các kênh 6MHz vì như vậy sẽ mất đi 2MHz trong dải
phổ mà chúng ta không sử dụng đến và chúng ta muốn hệ thống đó có thể
được triển khai với các kênh 7MHz, 3.5MHz hoặc 1.75MHz để có khả năng
sử dụng dải tần cao nhất.
25