Mạng Wimax và kỹ thuật điều chế OFDM trong mạng Wimax

i

LỜI CAM ðOAN
Tên tôi là: Lê Minh Cường
Học viên lớp Cao học khoá 13 - Kỹ thuật ñiện tử - Trường ðại học Kỹ thuật
Công nghiệp – ðại học Thái Nguyên
Xin cam ñoan ñề tài: “Mạng Wimax và kỹ thuật ñiều chế OFDM trong
mạng Wimax” ñược sự hướng dẫn của PGS.TS. Lê Bá Dũng – Viện Công Nghệ
Thông Tin là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả số liệu, kết quả nêu trong
luận văn là trung thực, ñúng như trong ñề cương và chưa từng ñược ai công bố. Các
tài liệu tham khảo ñều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng.
Thái Nguyên, ngày tháng năm 2012
Học viên



Lê Minh Cường.










ii

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập và làm luận văn tốt nghiệp, tôi ñã nhận ñược sự
giúp ñỡ tận tình của các thầy giáo, cô giáo trong bộ môn ðiện tử viễn thông - Khoa
ðiện tử - Trường ðại học Kỹ thuật Công nghiệp – ðại học Thái Nguyên. Tôi xin
bày tỏ lòng biết ơn ñến với các thầy giáo, cô giáo và khoa Sau ñại học vì sự giúp ñỡ
tận tình này. Tôi ñặc biệt cảm ơn thầy giáo PGS.TS. Lê Bá Dũng – Viện Công
Nghệ Thông Tin ñã tận tình giúp ñỡ, hướng dẫn tôi trong thời gian thực hiện ñề tài
này. Tôi xin cảm ơn sự giúp ñỡ, ñộng viên của gia ñình, bạn bè, ñồng nghiệp trong
suốt thời gian qua.
Mặc dù ñã cố gắng hết sức, song do ñiều kiện thời gian và kinh nghiệm
thực tế của bản thân còn ít, cho nên ñề tài không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tôi
rất mong nhận ñược sự ñóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn ñồng
nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Tác giả luận văn



Lê Minh Cường.




Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
iii

MỤC LỤC

Trang
Lời cam ñoan i
Lời cảm ơn ii

Mục lục iii
Danh từ viết tắt v
Danh sách bảng biểu

vii
Danh sách hình vẽ

viii
Lời nói ñầu

xi
Chương I. GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX

1.1. Tổng quan về mạng không dây băng rộng

1
1.1.1. Các khái niệm về mạng không dây băng rộng

1
1.1.2. Vài nét về những mạng không dây ñang tồn tại

2
1.2. Khái niệm về công nghệ WiMAX

4
1.2.1. WiMAX là gì

4
1.2.2. Giới thiệu các chuẩn IEEE 802.16

5
1.2.3. Truyền sóng tần nhìn thẳng và tầm nhìn hạn chế (LOS & NLOS)

7
1.2.4.Các mô hình ứng dụng

8
1.2.5. Tần số làm việc và ñộ và ñộ rộng kênh truyền

12
1.3 ðặc ñiểm của Wimax

12
1.4. Cấu hình mạng

13
1.4.1. Cấu hình ñiểm – ñiểm PP

13
1.4.2. Cấu hình ñiểm – ña ñiểm PMP

13
1.4.3. Cấu hình mắt lưới MESH 14
Chương II. CẤU TRÚC PHÂN TẦNG TRONG WIMAX

2.1. Chuẩn IEEE 802.16d (IEEE 802.16-2004) 17
2.1.1.Lớp vật lý

17
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

iv

2.1.2.Lớp ñiều khiển truy cập môi trường

27
2.2. Chuẩn IEEE 802.16e (IEEE 802.16 - 2005) 36
2.2.1. Lớp vật lý

36
2.2.2. Mô tả lớp MAC

39
Chương III.
KỸ THUẬT ðIỀU CHẾ OFDM TRONG MẠNG WIMAX

3.1. Giới thiệu về OFDM 41
3.1.1. Lịch sử phát triển

41
3.1.2. Tổng quan về OFDM
42
3.2. Từ ñiều chế ñơn sóng mang ñến ñiều chế trực giao OFDM

44
3.2.1. Phương pháp ñiều chế ñơn sóng mang

44
3.2.2. Phương pháp ñiều chế ña sóng mang OFDM

45

3.2.3. OFDM Symbol 59
3.3. Kỹ thuật OFDMA trong WIMAX

61
3.3.1. Sử dụng nguyên lý OFDM cho mục ñích ña truy nhập

61
Chương IV. MÔ PHỎNG THU PHÁT TÍN HIỆU OFDM

4.1. Mô phỏng quá trình ñiều chế OFDM

66
4.1.1. Sử dụng
matlab

66
4.1.2 Một số ứng dụng của công nghệ OFDM

72
4.2. Phụ lục chương trình

74
KẾT LUẬN 77
TÀI LIỆU THAM KHẢO 78





Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CHỮ VIẾT TẮT

AM Amplitude modulation ðiều chế biên ñộ
ATM Asynchronous transfer mode Chế ñộ truyền dị bộ
BPSK Binary Phase Shift keying Khóa dịch pha nhị phân
BS Base station Trạm gốc
CDMA Code division multiplex access ða truy nhập phân chia theo mã
CID Connection Identifier Bộ nhận dạng kết nối
UL Uplink Hướng lên
WIMAX Worldwide Interoperability for
Micoware Access
Khả năng tương tác toàn cầu ñối
với truy cập viba
WLAN Wireless local Area Network Mạng cục bộ không dây
WMAN Wireless Metropolitian Area
Network
Mạng ñô thị không dây
WPAN Wireless Personal Area Network Mạng cá nhân không dây
CPE Customer Premise Equipment Thiết bị tại nhà khách hàng
CSMA Carrier sense multiple access ða truy nhập dò sóng mang
DL Downlink ðường xuống
FDD Frequency Division Duplex Song công theo tần số
FDMA Frequency division multiple
access
ða truy nhập phân chia theo tần
số
FEC Forward Error Correction Mã hóa sửa lỗi trước
FFT Fast Fourier transform Biến ñổi Fourier nhanh

FM Frequency Modulation ðiều tần
OFDM Orthogonal Frequency Division
Multiplexing
ða truy nhập phân chia theo tần
số trực giao
OFDMA Orthogonal frequency division
multiplexing access
ða truy nhập chia tần số trực
giao
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
vi

OSI Open system interconnection Kết nối liên hệ thống mở
PDA Personal Digital Assistant Thiết bị hỗ trợ kỹ thuật số cá
nhân
PDU Protocol Data unit ðơn vị dữ liệu thủ tục
PHY Physical Layer Lớp vật lý
PS Physical slot Khe vật lý
QAM Quadrature amplitude modulation

ðiều chế biên ñộ cầu phương
Q
o
S Quality of Service Chất lượng dịch vụ
QPSK Quadrature phase shift keying Khóa dịch pha cầu phương
RSA Rivest, Shamir, Adleman Tên của 3 nhà phát minh
IP Internet protocal Giao thức Internet
ISI Inter symbol interference Nhiễu liên ký hiệu
LAN Local Area Network Mạng cục bộ
LOS Line of sight Tầm nhìn thẳng

MAC Medium Access Control layer Lớp ñiều khiển truy cập môi
trường
NLOS Non Light of Sight Truyền sóng không trực xạ
SF Service flow Luồng dịch vụ
SNR Signal – to – noise ratio Tỷ lệ tín hiệu tạp âm
TDD Time Division Duplexing Song công theo thời gian
TDMA Time division multiple access ða truy nhập phân chia thời gian
IFFT Inverse Fast Fourier tranform Biến ñổi Fourier ngược nhanh





Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
vii


DANH MỤC BẢNG BIỂU



Trang

Bảng 1.1 Tóm tắt các chuẩn 802.16 cơ bản 6
Bảng 2.2 Các loại khóa bảo mật sử dụng trong IEEE 802.16 - 2004 35
Bảng 3.1 Ví dụ biểu ñồ tần số, thời gian với OFDMA 62

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
viii

DANH MỤC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1 Minh họa các mạng không dây 3
Hình 1.2 Các chuẩn 802.16 tiêu biểu 5
Hình 1.3 Sự khác nhau giữa LOS và NLOS 7
Hình 1.4 Mô hình ứng dụng WIMAX 9
Hình 1.5 Mô hình ứng dụng WIMAX di ñộng 10
Hình 1.6 Cấu hình PMP 14
Hình 1.7 Cấu hình mesh 15
Hình 2.1 Vị trí tương ñối của PHY và MAC só với OSI 16
Hình 2.2 Ví dụ về dải tần
FDD
18

Hình 2.3 Cấu trúc khung TDD 19
Hình 2.4 Cấu trúc khung con ñường lên TDD 21
Hình 2.5 Khung con DL FDD 22
Hình 2.6
Các sử dụng các khối FEC ñược thu ngắn lại - trường hợp
TDM
24
Hình 2.7 Khuôn dạng của lớp con hội tụ truyền
PDU
24
Hình 2.8
Các sử dụng các khối FEC ñược thu ngắn lại - trường hợp
TDMA.
25
Hình 2.9 Cấu trúc khung con ñường
xuống
26
Hình 2.10 Cấu trúc WIMAX OFDMA 37
Hình 3.1 So sánh sự sử dụng băng thông giữa FDM và OFD 43
Hình 3.2 Biểu diễn phổ tín hiệu trong miền thời gian 44
Hình 3.3 (a) phổ tín hiệu của một sóng mang con 46
(b) phổ tín hiệu OFDM với 5 sóng mang con 46
Hình 3.4 Nguyên lý trực giao 47
Hình 3.5 Mật ñộ phổ của tín hiệu ña sóng mang 47
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
ix

Hình 3.6 Hệ thống ña sóng mang 48
Hình 3.7 Nguyên lý tạo một ký hiệu OFDM 51
Hình 3.8 Dạng sóng của một ký hiêu OFDM 52

Hình 3.9 Nguyên lý của quá trình giải ñiều chế OFDM 53
Hình 3.10 Hiện tượng trễ gây xuyên nhiễu giữa các symbol 55
Hình 3.11 Thêm CP vào ký hiệu OFDM 56
Hình 3.12 OFDM trong miền thời gian 59
Hình 3.13 Cấu trúc Symbol OFDM trong miền tần số 60
Hình 3.14 OFDM và OFDMA 62
Hình 4.1 Sơ ñồ khối thu phát OFDM 64
Hình 4.2 Sơ ñồ khối hệ thống OFDM cơ bản 65
Hình 4.3 Mô phỏng sự phát tín hiệu OFDM 66
Hình 4.4 ðáp ứng thời gian của tín hiệu các sóng mang tại ñiểm (B) 66
Hình 4.5 ðáp ứng tần số của tín hiệu các sóng mang tại ñiểm (B) 66
Hình 4.6 Dạng xung g(t) 67
Hình 4.7 ðáp ứng bộ lọc D/A. 67
Hình 4.8 ðáp ứng thời gian của tín hiệu U tại ñiểm (C) 69
Hình 4.9 ðáp ứng tần số của tín hiệu U tại ñiểm (C) 69
Hình 4.10 ðáp ứng thời gian của mô phỏng trực tiếp của 2.1.4 69
Hình 4.11 ðáp ứng tần số của mô phỏng trực tiếp của 2.1.4 và IFFT 69
Hình 4.12 ðáp ứng thời gian của tín hiệu UOFT tại ñiểm (D) 70
Hình 4.13 ðáp ứng tần số của tín hiệu UOFT tại ñiểm (D) 70
Hình 4.14 Mô phỏng sự thu OFDM 71
Hình 4.15 ðáp ứng thời gian của tín hiệu r_tilde tại ñiểm (F) 71
Hình 4.16 ðáp ứng tần số của tín hiệu r_tilde tại ñiểm (F) 71
Hình 4.17 ðáp ứng thời gian của tín hiệu r_info tại ñiểm (G) 71
Hình 4.18 ðáp ứng tấn số của tín hiệu r_info tại ñiểm (G) 71
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
x

Hình 4.19 ðáp ứng thời gian của tín hiệu r_data tại ñiểm (H) 72
Hình 4.20 ðáp ứng tần số của tín hiệu r_data tại ñiểm (H) 72
Hình 4.21 Chòm ñiểm info_h 72

Hình 4.22 Chòm ñiểm a_hat 72




















Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
xi

LỜI NÓI ðẦU
Ngày nay, với xu thế phát triển của hệ thống mạng máy tính, sự xuất hiện
Internet băng rộng ñã giúp cho việc trao ñổi thông tin trở nên nhanh chóng, dễ dàng.
Với ñịa hình ñất nước ta ¾ là ñồi núi, việc chuyển thông tin ñi và ñên trong môi
trường như vậy gặp rất nhiều khó khăn, Wimax ra ñời là mục tiêu và cũng xu thế
phát triển của ñất nước ta từ 2,5G ñến 3G rồi ñến 4G. Các giao dịch với các vùng

sâu và xa, các vùng ñồi núi sẽ chủ yếu sử dụng các mạng không dây băng rộng .
Vì là mạng máy tính, ñược truyền trong môi trường băng rộng với khoảng
cách xa và ñịa hình phúc tạp do vậy một kỹ thuật truyền tin ñược sử dụng ñó là kỹ
thuật ñiều chế OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing ). OFDM là kỹ
thuật ghép kênh phân chia tần số trực giao cho phép chia luồng dữ liệu tốc ñộ cao
thành các luồng dữ liệu tốc ñộ thấp, truyền trên nhiều sóng mang trực giao nhau.
Trong kỹ thuật ghép kênh phân chia tần số trực giao OFDM, luồng dữ liệu ñầu
vào ñược chia thành các luồng con song song với tốc ñộ giảm và mỗi luồng con
ñược ñiều chế và ký hiệu tăng sẽ cải thiện khả năng chống lại trễ lan truyền của
OFDM.
Với những lẽ ñó nghiên cứu kỹ thuật ñiều chế OFDM và thử nghiệm sử dụng
trong mạng băng thông rộng là một ñiều cần thiết, và cấp bách trước khi triển khai
mạng băng thông rộng ở nước ta. Nắm bắt ñược yêu cầu ñó và ñược sự gợi ý của
thầy hướng dẫn, tôi mạnh dạn ñặt ra ñề tài cho khoá luận tốt nghiệp là: “Mạng
wimax và kỹ thật ñiều chế OFDM trong mạng wimax”
Luận văn có cấu trúc gồm 4 chương như sau:
Chương I: Giới thiệu về công nghệ WIMAX
Chương II: Cấu trúc phân tầng trong WIMAX
Chương III: Kỹ thuật ñiều chế OFDM trong mạng WIMAX
Chương IV: Mô phỏng thu phát tín hiệu OFDM
Do hạn chế về nhiều mặt nên Luận văn chắc chắn không tránh khỏi những
thiếu xót nhất ñịnh, tác giả rất mong ñược sự ñóng góp ý kiến của Thầy, Cô và
các bạn ñể luận văn ñược hoàn thiện hơn.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
1

Chương I
GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX
1.1. Tổng quan về mạng không dây băng rộng
1.1.1. Các khái niệm về mạng không dây băng rộng

+ Mạng không dây
Mạng không dây (Wireless Network) là công nghệ cho phép một hoặc
nhiều thiết bị giao tiếp ñược với nhau mà không cần những kết nối vật lý hay nói
cách khác là kết nối mà không cần ñến cable mạng. Công nghệ mạng không dây
sử dụng sóng radio trong khi các công nghệ truyền thống sử dụng các loại cable
làm phương tiện truyền dữ liệu. Phạm vi của công nghệ mạng không dây rất lớn,
kể từ những mạng trên diện rộng như WLAN, mạng ñiện thoại cho tới những hệ
thống, thiết bị cực kỳ ñơn giản như tai nghe, micro di ñộng không dây và một
loạt các thiết bị không giây có nhiệm vụ lưu trữ và xử lý thông tin khác. Nó cũng
bao gồm các thiết bị hồng ngoại như các thiết bị ñiều khiển từ xa, một số thiết bị
chuột và bàn phím không dây, tai nghe stereo không dây, các thiết bị loại này ñều
cần một không gian không bị chặn giữa hai thiết bị truyền và nhận tín hiệu ñể
ñóng ñường kết nối.
+ Băng thông
Hai phương pháp xem xét băng thông có tầm quan trọng trong nghiên cứu
không dây là băng thông analog và băng thông digital.
Băng thông analog thường ñược xem xét như dải tần số của hệ thống ñiện tử
dùng kỹ thuật analog. Băng thông analog có thể ñược sử dụng ñể mô tả dải tần số
truyền bởi một ñài phát radio hay một bộ khuếch ñại ñiện tử. ðơn vị ño lường cho
băng thông analog là Hertz, giống như ñơn vị của tần số. Ví dụ băng thông
3KHz cho ñiện thoại, 20KHz cho tín hiệu nghe thấy, 5KHz cho các ñài radio AM và
200 MHz cho các ñài FM.

Hệ thống băng thông (system bandwidth) càng rộng thì tốc ñộ (băng thông
digital) càng cao. Băng thông digital ño lường lượng thông tin có thể truyền ñi từ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
2

nơi này ñến nơi khác trong một lượng thời gian cho trước. ðơn vị cơ bản ñể ño
lường băng thông digital là bit/giây (bit per second-bps).

+ Hệ thống băng rộng và hẹp
Các hệ thống không dây có thể ñược phân loại dựa theo cấu trúc của chúng
thuộc dạng băng thông hẹp hay băng thông rộng. Các hệ thống băng thông hẹp
hỗ trợ ñường truyền tốc ñộ thấp, trong khi ñó hệ thống băng thông rộng hỗ trợ
ñường truyền tốc ñộ cao. Một hệ thống ñược xác ñịnh là thuộc băng thông hẹp
hay băng thông rộng phụ thuộc vào ñộ rộng dải tần của kênh truyền vật lý mà nó
hoạt ñộng.
ðộ rộng dải tần của kênh hệ thống ñược ñánh giá dựa theo ñộ rộng dải tần
cố kết. ðộ rộng dải tần cố kết ñược ñịnh nghĩa là: "dải tần số trong ñó tất cả các
tần số chịu ảnh hưởng như nhau bởi việc giảm âm do hiện tượng nhiễu ñường
truyền". Các hệ thống hoạt ñộng với các kênh dẫn nhỏ hơn nhiều so với ñộ rộng
dải tần cố kết ñược gọi là hệ thống băng thông hẹp. Các hệ thống băng thông
rộng hoạt ñộng với các kênh rộng hơn nhiều so với ñộ rộng dải tần cố kết. Trong
các hệ thống băng thông hẹp, tất cả các thành phần của tín hiệu bị ảnh hưởng như
nhau bởi quá trình truyền nhiều ñường dẫn. Theo ñó, mặc dù với những biên ñộ
khác nhau nhưng tín hiệu băng thông hẹp nhận ñược cũng cần phải giống với tín
hiệu băng thông hẹp truyền ñi. Trong các hệ thống băng thông rộng, các tần số
khác nhau của tín hiệu có thể chịu tác ñộng khác nhau bởi hiện tượng giảm âm.
Do ñó, các hệ thống băng thông hẹp chịu ảnh hưởng của việc giảm âm có chọn
lọc, trong khi ñó hệ thống băng thông rộng không chịu ảnh hưởng của việc giảm
âm có chọn lọc. Băng thông rộng có ñộ rộng dải tần hơn 1 MHz và hỗ trợ tốc ñộ
truyền dữ liệu từ 1,5Mbps.
1.1.2. Vài nét về những mạng không dây ñang tồn tại
Hai chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản ñể phân loại mạng không dây là phạm vi phủ
sóng và giao thức báo hiệu. Trên cơ sở phạm vi phủ sóng chúng ta có 4 loại
mạng sau:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
3

- Mạng cá nhân không dây (Wireless Personal Area Network - WPAN)

- Mạng cục bộ không dây (Wireless Local Area Network - WLAN)
- Mạng ñô thị không dây (Wireless Metropolitian Area Network - WMAN)
- Mạng diện rộng không dây (Wireless Wide Area Network - WWAN)

WAN
Ví dụ: Các mạng di ñộng (Thế hệ thứ 2 và thứ 3) WIMAX (phiên bản
802.16e).


WMAN
Ví dụ: WIMAX (phiên bản IEEE 802.16 - 2004)


WLAN
Ví dụ: WIFI (phiên bản IEEE 802.11 và các biến thể)


WPAN
Ví dụ: Bluetooth ( IEEE 802.15.1) UWB

Hình 1.1: Minh họa các mạng không dây
WPAN (Wireless Personal Area Network)
Mạng các nhân là một mạng dữ liệu ñược sử dụng ñể truyền thông giữa các
thiết bị dữ liệu ở gần một người. Phạm vi của mạng các nhân khoảng vài mét,
thông thường nhỏ hơn 10m, mặc dù vài công nghệ WPAN có thể lớn hơn. Ví dụ
công nghệ WPAN là Bluetooth, UWB và Zigbee.
WLAN (Wireless Local Area Network)
Mạng cục bộ là mạng ñược sử dụng ñể truyền thông giữa các thiết bị dữ liệu
như: máy tính, ñiện thoại, máy in và các thiết bị số phụ trợ cá nhân. Mức ñộ bao
phủ của mạng này tương ñối nhỏ, như một ngôi nhà, một văn phòng hay một khu

trường sở (hoặc một phần trường sở). Phạm vi của mạng cục bộ khoảng 100m.
Hiện nay hầu hết các mạng LAN không dây WiFi
WMAN (Wireless Metropolitan Area Network)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
4

Mạng ñô thị là mạng dữ liệu có ñộ bao phủ lên tới vài km, ñiển hình là một
cơ quan lớn hoặc 1 công ty. Ví dụ, một trường ñại học có thể có 1 mạng diện
rộng với nhiều mạng LAN ở xung quanh vị trí ñó, mỗi mạng LAN cách nhau
khoảng 1/2 km
2
. Sau ñó từ mạng diện rộng của trường ñại học này có thể liên kết
tới các diện rộng khác tạo thanh mạng ñô thị. Mạng WiMAX cố ñịnh có thể ñược
xem xét như là mạng ñô thị không dây.

WWAN (Wireless Wide Area Network)
Mạng diện rộng là mạng dữ liệu bao phủ một vùng ñịa lý rộng, lớn như là
hành tinh. Các mạng diện rộng dựa trên sự kết nối của các mạng LAN, cho phép
người sử dụng ở một vị trí truyền thông với những người sử dụng ở vị trí khác.
ðiển hình, một mạng diện rộng bao gồm một số nút chuyển quan hệ nối liền
nhau. Sự kết nối này ñược tạo ra bằng cách sử các ñường thuê bao và các phương
thức chuyển mạch và chuyển ñổi gói tin. Mạng diện rộng ñược sử dụng phổ biến
hiện nay là mạng Internet. Các ví dụ khác là 3G và các mạng WiMAX không
dây, là các mạng diện rộng không dây. Các mạng khong dây thường có tỷ lệ dữ
liệu nhỏ hơn các mạng LAN.
1.2. Khái niệm về công nghệ WiMAX
1.2.1. WiMAX là gì?
WIMAX - Worldwide Interoperrability for Micorware Access - là một hệ
thống truyền thông số không dây, cũng ñược biết như chuẩn IEEE 802.16 dành
cho "các mạng ñô thị" không dây. WiMAX có thể cung cấp sự truy cập không

dây băng thông rộng lên tới 30 dặm (50km) ñối với các trạm cố ñịnh, và 3-10
dặm (5-15 km) ñối với các trạm di ñộng. Ngược lại, chuẩn mạng cục bộ không
dây WiFi/802.11 bị giới hạn trong hầu hết các trường hợp chỉ 100 - 300 feet (30-
100m).
Với WiMAX, các tỷ lệ dữ liệu giống WiFi ñược hỗ trợ một cách dễ dàng,
nhưng kết quả nhiễu ñược giảm bớt. WiMAX hoạt ñộng ở cả các dải tần cho
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
5

phép và các dải tần không cho phép, cung cấp một môi trường ñiều hoà và mô
hình kinh tế có thể làm ñược ñối vơi sóng mang không dây.
WIMAX có thể ñược sử dụng ñối với mạng không dây trong nhiều phương
pháp như giao thức WiFi. WiMAX là một giao thức thế hệ thứ hai cho phép sử
dụng ñộ rộng dải tần với hiệu suất cao, tránh nhiễu, và dự kiến cho phép tỷ lệ dữ
liệu cao hơn trên các khoảng cách dài hơn.
1.2.2. Giới thiệu các chuẩn IEEE 802.16
Chuẩn 802.16 ñược ñưa ra năm 2001 với băng tần 10-66 GHz và chỉ ứng
dụng trong phạm vi nhìn thẳng (LOS) ñiểm - ñiểm. Năm 2002 có thêm chuẩn.
802.16, 802.16c. Năm 2003, ñược bổ sung chuẩn 802.16a chủ yếu cho truy
cập không dây băng rộng trong dải tần 2-11GHz ứng dụng ñược cả trong tầm
nhìn hạn chế (NLOS) ñiểm - ña ñiểm. 802.16d ñược ñưa ra năm 2004 cho các
ứng dụng di ñộng và cố ñịnh trong dải tần 2-66GHz và cuối cùng chuẩn 802.16e
cung cấp cho khả năng di ñộng tốc ñộ cao với băng tần từ 2-66GHz có khả
năng chuyển vùng (roaming). Sơ ñồ hoá các chuẩn giao diện không gian 802.16
như
sau:


802.16 - 2001
Hệ thống băng rộng không dây cố

ñịnh cho tầm nhìn thẳng. MAC &
PHY: 10-66GHz
802.16 - 2001


Bổ sung hệ thống ñị
nh
dạng 10-66 GHZ
802.16a - 2003
Hệ thống băng rộng không dây
cố ñịnh cho cả tầm nhìn không
thẳng 2-11GHz
802.16f (Cơ sở thông tin

quản lý - MIBs) và
802.16g (quản lý –
802.16d - 2004
Tích hợp các chuẩn tạo thành hệ
thống mô tả sơ lược băng rộng
không dây cố ñịnh
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
6

Management ñã ñược
nghiên cứu)




802.16e - 2005

Kết hợp băng rộng không dây cố
ñịnh và di ñộng ở tốc ñộ xe chạy
trong dải tần ñược cấp
Hình 1.2: Các chuẩn 802.16 tiêu biểu
Bảng 1.1: Tóm tắt các chuẩn 802.16 cơ bản
Chuẩn 802.16-2001 802.16-2004 802.16e-2005
Dải tần số 10-66GHz <11GHz <6GHz
Môi trường
truyền
LOS NLOS NLOS
Tốc ñộ
32-134Mbps
BW=28MHz
Lên tới 75Mbps
WB= 20MHz
Lên tới 15 Mbps
BW=5MHz
ðiều chế QBSK,16
QAM
và 64 QAM
OFDM
256
,
OFDMA,

BPSK
OFDM 256,

OFDMA, BPSK,
QPSK, 16 QAM và

QAM
Mức di ñộng Cố ñịnh Cố ñịnh và di ñộng Tốc ñộ di chuyển
dưới 100km/h
Băng thông

kênh

20,25 và 28 MHz

Dải kênh từ 1.25
ñến 20MHz
Dải kênh từ
1.25 ñến 20 MHz
Bán kính cell 1.7 - 5 km 2 tơi 10 km; tối ña
50 km tuỳ thuộc
vào ñiều kiện truyền
1-3 km Indoor

2-5 km Outdoor

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
7

1.2.3 Truyền sóng tầm nhìn thẳng & tầm nhìn hạn chế (LOS & NLOS)
Trong một ñường truyền LOS, tín hiệu ñi theo ñường trực tiếp và không có
chướng ngại vật giữa phía phát và phía thu. Một ñường truyền LOS yêu cầu phải có
ñặc tính là toàn bộ miền Fresnel thứ nhất không hề có chướng ngại vật, nếu ñặc tính
này không ñược ñảm bảo thì cường ñộ của tín hiệu sẽ giảm ñáng kể. Không gian
miền Fresnel phụ thuộc vào tần số hoạt ñộng và khoảng cách trạm phát và trạm thu.
Trên một ñường truyền NLOS, tín hiệu tới phía thu thông qua sự phản hồi,

tán xạ và nhiễu xạ. Những tín hiệu này có những khoảng trễ, sự suy giảm, sự phân
cực và trạng thái ổn ñịnh liên quan tới ñường truyền trực tiếp là khác nhau.

Hình1.3: Sự khác nhau giữa LOS và NLOS
Hiện tượng ña ñường cũng có thể là nguyên nhân dẫn ñến sự thay ñổi phân
cực tín hiệu. Do ñó sử dụng phân cực cũng như sử dụng lại tần số mà ñược thực
hiện bình thường trong triển khai LOS lại khó khăn trong các ứng dụng NLOS.
ðiều kiện phủ sóng của cả LOS và NLOS bị chi phối bởi các ñặc tính truyền sóng
của môi trường, ttổn hao ñường truyền và quỹ ñường truyền vô tuyến.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
8

Một số ưu ñiểm mà NLOS mong muốn triển khai ñược. Ví dụ ác yêu cầu
hoạch ñịnh chính xác và các hạn chế ñộ cao anten thường không cho phép anten
ñược ñặt ở các vị trí thuận lợi cho LOS. Do mạng tế bào không ngừng mở rộng
trong khi sử dụng lại tần số ngày càng có hạn, hạ thấp các anten chính là ưu ñiểm ñể
giảm nhiễu ñồng kênh giữa các cell lân cận. Tuy nhiên ñiều này lại làm cho các BS
phải hoạt ñộng trong ñiều kiện NLOS. Các hệ thống LOS không thể hạ thấp ñộ cao
của anten bởi làm thế sẽ ảnh hưởng tới tầm nhìn thẳng từ thiết bị tại nhà khách hàng
(CPE) tới BS.
Công nghệ LOS cũng giảm ñược chi phí cài ñặt do CPE có thể cài ñặt ở
những ñiều kiện ñịa hình phức tạp. Không những thế, công nghệ này cũng giảm
thiểu ñược yêu cầu khảo sát vị trí trạm (trước khi lắp ñặt) và nâng cao ñộ chính xác
của các công cụ hoạch ñịnh NLOS.
Chính công nghệ NLOS và các ñặc tính cao cấp trong WIMAX làm nó có
thể tổn hao thâm nhập tòa nhà, thứ hai là phủ sóng ñược tới các khoảng cách hợp lý
với công suất thấp hơn và ñộ lợi anten phù hợp với các CPE trong nhà. WIMAX
cho phép thực hiện ñiều này và phạm vi phủ sóng của NLOS còn có thể ñược cải
tiến hơn nữa nhờ sử dụng các tính năng tùy chọn của WIMAX.
1.2.4. Các mô hình ứng dụng

WIMAX ñược ñề xuất 2 mô hình ứng dụng là cố ñịnh và di ñộng.
Mô hình ứng dụng cố ñịnh (Fixed WiMAX)
Mô hình cố ñịnh sử dụng các thiết bị theo tiêu chuẩn IEEE.802.16-2004.
Tiêu chuẩn này gọi là “không dây cố ñịnh” vì thiết bị thông tin làm việc với các
anten ñặt cố ñịnh tại nhà các thuê bao. Anten ñặt trên nóc nhà hoặc trên cột tháp
tương tự như chảo thông tin vệ tinh Tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004 cũng cho phép
ñặt anten trong nhà nhưng tất nhiên tín hiệu thu không tốt bằng anten ngoài trời.
Băng tần hoạt ñộng (theo quy ñịnh và phân bổ của quốc gia) trong băng 2,5GHz
hoặc 3,5GHz. ðộ rộng băng tầng là 3,5MHz. Trong mạng cố ñịnh, WiMAX thực
hiện cách tiếp nối không dây ñến các modem cáp, ñến các ñôi dây thuê bao của
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
9

mạch xDSL hoặc mạch Tx/Ex (truyền phát/chuyển mạch) và mạch OC-x (truyền tải
qua sóng quang).

Hình 1.4 :Mô hình ứng dụngWiMAX cố ñịnh
WIMAX cố ñịnh có thể phục vụ cho các ñối tượng người dùng như: các xí
nghiệp, các khu dân cư nhỏ lẻ, mạng cáp truy nhập WLAN công cộng nối tới mạng
ñô thị, các trạm gốc BS của mạng thông tin di ñộng và các mạch ñiều khiển trạm
BS. Về cách phân bố theo ñịa lý, người dùng có thể phân tán tại các ñịa phương như
nông thôn và các vùng sâu vùng xa khó ñưa mạng cáp hữu tuyến ñến ñó.
Trên cơ sở kỹ thuật, WIMAX là một mạng truy nhập băng rộng không dây
cố ñịnh (Fixed Broadband Wireless Access – FBWA), có thể chia làm 3 phần chính:
PP, PMP và Mesh.
BS bao gồm một hoặc nhiều thiết bị thu phát vô tuyến, mỗi thiết bị chịu trách
nhiệm kết nối với nhau CPE trong khu vực phủ sóng. Các modem không dây (radio
Modem) kết nối tới một bộ ña công (Multiperxer), tương tự như một khóa chuyển
ñổi, nó tập hợp lưu lượng từ các sector khác nhau và gửi chuyển (forward) chúng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

10

tới một bộ ñịnh tuyến (rounter) cung cấp kết nối tới giao thức Internet (Internet
Protocol – IP) của nhà cung cấp dịch vụ mạng.
CPE bao gồm 3 thành phần chính: 1 modem, 1 radio, 1 anten. Modem cung
cấp một giao diện giữa mạng của khách hàng với mạng FBWA của nhà cung cấp
dịch vụ. Radio cung cấp một giao diện giữa modem với ante. Ba thành phần có thể
là riêng biệt, hoặc tích hợp một phần hoàn toàn lên một hay hai thành phân nhỏ của
thiết bị.
Chất lượng phục vụ của mạng FBWA phụ thuộc nhiều vào vị trí của CPE
ñến BS của hệ thóng. Nếu từ CPE ñến BS có vật cản thì hiệu quả truyền sóng sẽ
kém ñi rất nhiều. Vì vậy cho nên mạng FBWA PMP thường ñược chia thành 2 loại:
hệ thống LOS và NLOS.
Mô hình ứng dụng WiMAX di ñộng

Hình1.5 :Mô hình ứng dụng WiMAX di ñộng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
11

Mô hình WiMAX di ñộng sử dụng các thiết bị phù hợp với tiêu chuẩn IEEE
802.16e ñược thông qua trong năm 2005.Tiêu chuẩn 802.16e bổ sung cho tiêu
chuẩn 802.16-2004 hướng tới các người dùng cá nhân di ñộng, làm việc trong băng
tần thấp hơn 6GHz. Mạng lưới này phối hợp cùng WLAN, mạng di ñộng cellular
3G có thể tạo thành mạng di ñộng có vùng phủ sóng rộng.
WIMAX di ñộng là giải pháp không dây băng rộng cho phép phủ sóng mạng
băng rộng di ñộng và cố ñịnh nhờ công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng trên diện
rộng với kiến trúc mạng linh loạt. Giao diện WIMAX di ñộng sử dụng công nghệ
OFDM ñể cải thiện hiệu suất ña ñường (multi - path) trong các môi trường NLOS.
Phiên bản WIMAX di ñộng phiên bản 1 bao gòm các băng thông kênh
5,7,8.75,10 MHz dành cho các dải tần ñược phép trên thế giới như: 2.3 GHz,

2.5GHz, 3.3 GHz và 3.5GHz.
Các hệ thống WIMAX di ñộng cung cấp khả năng mở rộng về cả công nghệ
truy nhập vô tuyến và kiến trúc mạng, do ñó cung cấp khả năng linh ñộng cao trong
các lựa chọn phát triển mạng và cung cấp dịch vụ. Một số ñặc ñiểm chính của
WIMAX di ñộng hỗ trợ là:
Tốc ñộ dữ liệu cao: Các ký thuật anten ða ñầu vào – ða ñầu ra (Multiple
Input, Multiple Output - MIMO) cùng với các nguyên lý chia nhỏ kênh linh hoạt,
mã hóa và ñiều chế nâng cao, tất cả làm cho công nghệ WIMAX di ñộng có khả
năng hỗ trợ tốc ñộ dữ liệu DL tối ña lên tới 63Mbps cho một sector và tốc ñộ dữ
liệu UL tối ña lên tới 28 Mbps cho một sector trong một kênh 10 MHz.
Chất lượng dịch vụ (Q
o
S): Tiền ñề cơ bản của kiến trúc MAC trong IEEE
802.16 là Q
o
S. Nó ñịnh nghĩa SF mà có thể ánh xạ ñến các ñiểm mã DiffServ hoặc
các nhãn luồng ñể cho phép kết nối ñầu cuối tới ñầu cuối (end – to - end) theo giao
thức IP trên cơ sở Q
o
S. Ngoài ra, các nguyên lý báo hiệu trên cơ sở kênh chia nhỏ
kênh và giao thứ truy cập môi trường (MAP) cung cấp một cơ chế linh ñộng cho
việc lập lịch tối ưu tài nguyên không gian, tần số và thời gian trên giao diện vô
tuyến theo khung (frame by frame).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
12

Khả năng di ñộng: WIMAX di ñộng hỗ trợ các nguyên lý chuyển giao tối ưu
với trễ nhỏ hơn 50 msec ñể ñảm bảo các ứng dụng thời gian thực như thoại trên
giao thức Internet (VoIP) với dịch vụ không bị suy giảm. Các nguyên lý quản lý
khóa linh ñộng mà bảo mật ñược duy trì trong quá trình chuyển giao.

1.2.5. Tần số làm việc và ñộ rộng kênh truyền
WIMAX làm việc ở 2 dải tần 10 – 66 GHz và 2 -11 GHz, gồm cả dải tần số
ñăng ký và không ñăng ký, có thể truyền NLOS và LOS.
 Băng tần phải ñăng ký 10 -66 GHz
Băng tần này cung cấp một phương tiện truyền dẫn mà ở ñó tần số cao, bước
sóng ngắn, yêu cầu giữa trạm thu và phát phải nằm ở trong tầm nhìn thẳng LOS do
hiệu ứng ña ñường ảnh hưởng ñáng kể tới việc truyền dẫn. Ở trong băng tần này, ñộ
rộng kênh truyền thông thường là 25 MHz hoặc 28MHz.
Với tốc ñộ truyền dẫn lý thuyết là 120 Mbps, môi trường này khá thích hợp
cho truyền thông PMP từ các ứng dụng văn phòng nhỏ (Small Office Home Office -
SOHO) tới các ứng dụng văn phòng lớn (trung tâm).
 Băng tần 2 -11 GHz
Băng tần này gồm cả các dải băng tần phải ñăng ký và không ñăng ký (chủ
yếu là 5 -6 Ghz). Nó là phương tiện truyền dẫn mà ở ñó tần số thấp hơn, có bước
sóng dài hơn. Ở trong băng tần này LOS là thực sự không cần thiết, các hiệu ứng
truyền sóng không trong tầm nhìn thẳng NLOS có thể khắc phục ñược.
Người ta sử dụng băng tần này với mục ñích cung cấp các ứng dụng NLOS
có nghĩa là một loạt các kỹ thuật (lớp MAC và PHY mô tả) sẽ bổ sung ñể ñạt ñược
kết quả này.
- Băng tần sử dụng trong WIMAX cố ñịnh : 3.5 GHz, 3.3 GHz, 5.8 GHz.
- Băng tần sử dụng trong WIMAX di ñộng : 2.5 GHz, 2.3 GHz.
1.3 ðặc ñiểm của Wimax
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
13

ðặc ñiểm chung của Wimax bao gồm: Khoảng cách giữa trạm thu và trạm
phát có thể ñạt 50 Km, Tốc ñộ truyền có thể thay ñổi, tối ña 70Mbps, Hoạt ñộng cả
trong hai môi truyền dẫn: LOS và NLOS, Dải tần làm việc 2 – 11 GHz và 10 –
66GHz hiện ñã và ñang ñược tiêu chuẩn hóa.

Trong Wimax hướng truyền ñược chia thành hai ñường lên (DL) và xuống
(UL). ðường lên có tần số thấp hơn ñường xuống và ñều sử dụng công nghệ OFDM
ñể truyền. Cho phép sử dụng hai công nghệ TDD và FDD cho việc phân chia ñường
dẫn của UL và DL. Cơ sơ quan trọng của Wimax là sự tương tích của thiết bị
Wimax, nhà cung cấp dịch vụ khi mua thiết bị không chỉ từ một công ty mà tất cả
ñều tương thích với nhau.
CPE vô tuyến cố ñịnh có thể sử dụng cùng loại chipset modem ñược sử dụng
trong máy tính cá nhân và PDA, các BS có thể sử dụng cùng loại chipset chung
ñược thiết kế cho các ñiểm truy cập Wimax chi phí thấp và cuối cùng là số lượng
tăng cũng thỏa mãn cho việc ñầu tư và việc tích hợp mức ñộ cao hơn các chipset tần
số vô tuyến, làm chi phí giảm hơn nữa.

1.4. Cấu hình mạng
1.4.1. Cấu hình ñiểm – ñiểm PP
Mạng PP chứa một hoặc nhiều liên kết ñiểm – ñiểm sử dụng anten có hướng
tính cao tại cả hai ñầu cuối của mỗi liên kết
1.4.2.Cấu hình ñiểm-ña ñiểm PMP
PMP là một mạng truy nhập với một hoặc nhiều BS có công suất lớn và
nhiều SS nhỏ hơn. Người dùng có thể ngay lập tức truy nhập mạng chỉ sau khi lắp
ñặt thiết bị người dùng. SS có thể sử dụng các anten ñịnh hướng ñến các BS, ở các
BS có thể có nhiều anten có hướng tác dụng theo mọi hướng hay một cung. Với cấu
hình này trạm gốc BS là ñiểm trung tâm cho các trạm thuê bao SS. Ở hướng DL có
thể là quảng bá, ña ñiểm hay ñơn ñiểm. Kết nối của một SS ñến BS ñược ñặc trưng
qua nhận dạng kết nối CID.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
14


Hình 1.6: Cấu hình PMP
1.4.3. Cấu hình mắt lưới MESH

Với cấu hình này SS có thể liên lạc trực tiếp với nhau. Trạm gốc Mesh BS
kết nối với một mạng ở bên ngoài mạng MESH. Một số ñiểm phân biệt như sau:
- Neighbor: Kết nối trực tiếp ñến một node mạng
- Neighborhood : Tất cả các neighbor của một node tạo ra neighorhood.
- Extended neighborhood: Tất cả các neighbor của một neighborhood.
MESH khác PMP là trong kiểu PMP các SS chỉ liên hệ với BS và tất cả lưu
lượng ñi qua BS.Với kiểu MESH tất cả các node có thể liên lạc với mỗi node khác
một cách trưc tiếp hoặc bằng ñịnh tuyến nhiều bước thông qua các SS khác.
Một hệ thống với truy nhập ñến một kết nối backhaul ñược gọi là Mesh BS,
trong khi các hệ thống còn lại ñược gọi là Mesh SS. Dù cho MESH có một hệ thống
ñược gọi là Mesh BS, hệ thống này cũng phải phối hợp quảng bá với các nút khác.
Backhaul là các anten ñiểm-ñiểm ñược dùng ñể kết nối các BS ñược ñịnh vị qua
khoảng cách xa.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên