Tải bản đầy đủ (.pdf) (122 trang)

công nghệ wimax và kỹ thuật mimo

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.88 MB, 122 trang )

i
Công nghệ Wimax và kỹ thuật Mimo
MỤC LỤC
Công nghệ Wimax và kỹ thuật Mimo i
MỤC LỤC i
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT i
KÝ HIỆU iv
DANH MỤC CÁC BẢNG iv
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ v
LỜI NÓI ĐẦU v
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ WIMAX viii
TÀI LIỆU THAM KHẢO cxx
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Từ viết
tắt
Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt
AAA Authentication authorization &Account Nhận thực, cấp phép và lập tài khoản.
AAS Adaptive Antenna System Hệ thống anten thích ứng
ACI Adjacent Cell Interference Nhiễu ô lân cận
ASN Access Service Network Mạng dịch vụ truy nhập
ii
AM Adaptive Modulation Điều chế thích ứng
AOA Angle Of Arrival Góc tới
AOD Angle Of Departure Góc xuất phát
AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gauss trắng cộng
BE Best Effort Dịch vụ nỗ lực tốt nhất
BER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bít
BLAST Bell Labs Layered Space-time
architecture
Kiến trúc không gian thời gian phân
lớp của phòng thí nghiệm Bell


BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân
BS Base Station Trạm gốc
BTC Block Turbo Code Mã Turbo khối
CCI Co channel Interference Nhiễu đồng kênh
CDF Cumulative Distribution Function Hàm phân bố tích lũy
CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã
CID Connection Identifier Nhận dạng kết nối
CP Cyclic Prefix Tiền tố tuần hoàn
CPE Customer Premises Equipment Thiết bị truyền thông cá nhân
CPS Common Part Sublayer Lớp con phần chung
CRC Cyclic Redundancy Check Kiểm tra độ dư vòng tuần hoàn
CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh
CTC Concatenated Turbo Code Mã Turbo xoắn
DCD Downlink Channet Descriptor Miêu tả kênh đường xuống
DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc
DHCP Dynamic Host Configuration Protocol Giao thức cấu hình Host động
DL Downlink Đường xuống
DLFP Downlink Frame Preamble Tiền tố khung đường xuống
DPS Delay Power Spectrum Phổ công suất trễ
FDD Frequence Division Mutiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số
FEC Forward Error Correct Hiệu chỉnh lỗi trước
FFT Fast Fourier Transform Chuyển đổi Fourier nhanh
HCS Header Check Sequence Thứ tự kiểm tra tiêu đề
HT Header Type Loại tiêu đề
ICI Inter Carrier Interference Nhiễu giữa các sóng mang
IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh đảo
ISI Inter Symbol Interference Nhiễu giữa các ký hiệu
LOS Line of Sight Tầm nhìn thẳng
LSB Least Significant Bit Bit ít ý nghĩa nhất
MA Multiple Access Đa truy nhập

MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập phương tiện
MAN Metropolitan Area Network Mạng vùng thành thị
MIMO Multiple Input Multiple Output Nhiều đầu và nhiều đầu ra
MISO Multiple Input Single Output Nhiều đầu vào một đầu ra
ML Maximum Likelihood Khả giống cực đại
MMSE Minimum Mean Square Error Sai lỗi bình phương trung bình cực tiểu
MQAM Multilevel-QAM QAM nhiều mức
iii
MS Mobile Station Trạm di động
MSB Most Significant Bit Bít nhiều ý nghĩa nhất
NLOS Non Light of Sight Tầm nhìn không thẳng
NNI Network Network Interface Giao diện mạng – mạng
NRP Normalized Received Power Công suất thu chuẩn hóa
OFDM Orthogonal Frequence Division
Multiplexing
Ghép kênh phân chia theo tần số trực
giao
OFDMA Orthogonal Frequence Division
Multiple Access
Đa truy nhập phân chia theo tần số
trực giao
PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất
PDP Power Delay Profile Lý lịch trễ công suất
PDU Protocol Data Unit Đơn vị dữ liệu giao thức
PEP Pairwise Error Probability Xác suất lỗi cặp
PKM Privacy Key Management Quản lí khóa bảo mật
PMP Point to Multipoint Điểm đa điểm
PS Physical Slot Khe vật lý
QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phương
QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa chuyển pha cầu phương

RDS Root mean square Delay Spread Trải trễ trung bình quân phương
rms Root mean square Trung bình quân phương
RTG Receive Transition Gap Khoảng trống chuyển giao đầu thu
SAP Service Access Point Điểm truy nhập dịch vụ
SE Spectrum Efficiency Hiệu suất phổ tần
SER Symbol Error Rate Tỷ lệ lỗi ký hiệu
SFID Service Flow Identifier Nhận dạng luồng dịch vụ
SIMO Single Input Multiple Output Một đầu vào nhiều đầu ra
SIR Signal to Interference Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu
SINR Signal to Interference plus Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu cộng tạp âm
SISO Single Input Single Output Một đầu vào một đầu ra
SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiêu trên tạp âm
SS Subscriber Station Trạm thuê bao
SSCS Specify Services Convergence Sublayer Lớp con hội tụ các dịch vụ riêng
STBC Space Time Block Code Mã khối không gian thời gian
STC Space Time Code Mã không gian thời gian
SVD Singular Value Decomposition Phân chia giá trị đơn
TDD Time Division Duplex Song công phân chia
TTG Transmit Transition Gap Khoảng trống chuyển giao đầu phát
UCD Uplink Channet Descriptor Miêu tả kênh đường lên
UGS Unsolicited Grant Service Dịch vụ cấp phát không kết hợp
UL Uplink Đường lên
UNI User Network Interface Giao diện người sử dụng – mạng
WAN Wide Area Mạng diện rộng
WLAN Wireless LAN Mạng LAN không dây
WMAN Wireless MAN Mạng MAN không dây
XOR Exclusive Hàm cộng modul
iv
ZF Zero Forcing Cưỡng bức về không
KÝ HIỆU

|a| Độ lớn của a
A
+
Ma trận giả đảo Moore – Penrose của A
F
A
Chuẩn Frobenius của ma trận A
A
H
Ma trận chuyển vị phức của A
A
T
Ma trận chuyển vị của A
C Dung lượng
E
S
Năng lượng ký hiệu thu
( )
x
δ
Hàm Dirac
Det(A) Định thức ma trận A
Diag(a
1
, a
2, …
a
n
) Ma trận đường chéo nxn


Hoạt động mong muốn
f(x) Hàm phân phối xác suất của biến ngẫu nhiên x
F(x) Hàm phân phối tích lũy của x
I
m
Ma trận nhất phân kích thước mxm
K Thừa số K kênh Rice
P
e
Xác suất lỗi
r(A) Hạng ma trận A
R Trường số thực
Tr(A) Dò theo A
(x)
+
Được định nghĩa là:
if x 0, x R
0 if x<0, x
x
R
≥ ∈




Z Trường số nguyên
DANH MỤC CÁC BẢNG
v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
LỜI NÓI ĐẦU

vi
Trên thế giới, công nghệ WiMAX (World Interoperability for Microwave
Access: khả năng khai thác liên mạng trên toàn cầu đối với truy nhập viba) đang là
xu hướng mới cho các tiêu chuẩn giao diện vô tuyến trong việc truy nhập không
dây băng thông rộng cho tất cả các thiết bị cố định, di động. Với nhiều ưu điểm
vượt trội như tốc độ truyền dẫn cao, phạm vi phủ sóng rộng, chất lượng dịch vụ
được thiết lập cho từng kết nối, an ninh tốt, hỗ trợ multicast cũng như di động, sử
dụng cả phổ tần cấp phép và không được cấp phép… theo đánh giá của các chuyên
gia thì WiMAX sẽ nhanh chóng vượt qua những công nghệ hiện có như Wi-fi hay
3G.
Rất nhiều thiết bị vô tuyến được sử dụng ở các dải tần khác nhau trong các
hệ thống thông tin vô tuyến khác nhau: từ các hệ thống thông tin vệ tinh toàn cầu
tốc độ thấp đến các hệ thống các hệ thống WLAN và các WPAN tốc độ cao với
vùng phủ sóng từ vài m đến vài trăm m. Việc sử dụng đồng thời các hệ thống này
dẫn đến dải tần dành cho thông tin vô tuyến trở nên chặt trội hơn bao giờ hết. Vì
thế vấn đề sử dụng hiệu suất phổ tần đã trở thành một vấn đề cấp bách hơn bao giờ
hết. Một giải pháp rất hiệu quả cho việc giải quyết vấn đề này là áp dụng truyền
dẫn thích ứng. Truyền dẫn thích ứng có thể áp dụng tại lớp vật lý cho tất cả các tài
nguyên khác nhau của môi trường truyền dẫn vô tuyến như: thời gian, tần số, công
suất và không gian.
Đề tài này tập trung lên việc sử dụng hiệu suất tài nguyên không gian trong
các hệ thống WiMAX mà có thể được thực hiện thông qua việc sử dụng các phần tử
anten được tổ chức thành dàn để truyền dẫn và thu tín hiệu. Hệ thống dàn anten sử
dụng ở cả phía thu và phát còn được gọi là hệ thống MIMO. Vấn đề đặt ra là phải
thiết kế các hệ thống MIMO thế nào để đạt được hiệu năng tối ưu của đường truyền
vô tuyến. Ta biểu diễn hiệu năng bằng các thông số sau:
- Tốc độ bit: Hệ thống phải đạt được tốc độ bit trên một đơn vị băng
thông cao nhất. Thông số này thường được định nghĩa là hiệu suất phổ tần. Giới
hạn cuối cùng hay tốc độ bit cao nhất đối với một xác suất lỗi bit thấp cho trước
vii

trong kênh AWGN đã được Shannon đưa ra và thường được sử dụng làm tham
chuẩn.
- Độ tin cậy: Là độ bền vững của truyền dẫn, thường mâu thuẫn với tốc
độ bit và có thể đo bằng tỉ số lỗi bit. Vì kênh vô tuyến di động là kênh thay đổi theo
thời gian nên ta cần chọn lựa chiến lược chống lại sự giảm lớn tỉ số SNR tại máy
thu do phađinh đa đường gây ra.
- Độ phức tạp: Máy đầu cuối di động được cấp nguồn từ acquy phải có
kích thước và trọng lượng gọn nhẹ, nên các bộ chuyển đổi luồng số đầu vào thành
n
t
luồng kí hiệu đầu ra phải ít phức tạp nhất.
Các mục tiêu thiết kế nói trên thường đối kháng lẫn nhau, vì vậy người thiết
kế phải cân nhắc lựa chọn để đảm bảo tối ưu giữa tiêu chí kinh tế và chất lượng.
Đề tài "Công nghệ WiMAX và kỹ thuật MIMO" sẽ cung cấp các kiến thức
mới nhất về công nghệ WiMAX, các kỹ thuật MIMO sử dụng trong WiMAX. Đề tài
bao gồm ba chương với các vấn đề nghiên cứu sau đây:
• Tổng quan công nghệ WiMAX
• Kỹ thuật MIMO
• Kỹ thuật MIMO sử dụng trong WiMAX
Tôi xin chân thành cảm ơn TS ………., người đã hướng dẫn, định hướng,
góp ý cho tôi nhiều điều vô cùng quý báu trong quá trình tôi thực hiện đề tài này.
Trong quá trình nghiên cứu khó tránh khỏi thiếu sót. Tôi rất mong nhận
được ý kiến đóng góp của các thầy cô, đồng nghiệp và các bạn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
viii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ WIMAX
1.1. Nguồn gốc và sự ra đời chuẩn WiMAX
1.1.1. Tổ chức WiMAX Forum
WiMAX Forum là một tổ chức phi lợi nhuận được thành lập bởi sự liên hiệp
của các công ty nhằm mục đích tạo điều kiện cho việc triển khai và phát triển mạng

truy cập không dây băng rộng dựa trên chuẩn 802.16.
Cuộc họp đầu tiên vào 04/2001 ở Antibe, Pháp. Với sự tham gia của các hãng
sau: Nokia, Harris. Cross Span, và Ensemble. Tới 10/2005 thì tổ chức này đã có hơn
230 thành viên và bao gồm nhiều hãng nổi tiếng như: Microsoft, Intel, Alvarion,
Fujitsu Microeletronics Americal,…Chủ tịch hiện nay là Non Resnick (Intel).
Tổ chức này sẽ quyết định và chỉ đạo việc kiểm tra tính tương tác và trao cho
các nhà sản xuất thiết bị nhãn chứng nhận WiMAX (WiMAX Certified). Mục đích
cuối cùng là mang lại lợi ích cho người dùng đầu cuối, họ có thể mua sản phẩm theo
chọn lựa của mình mà đảm bảo chắc chắn sản phẩm đó sẽ tương thích với các sản
phẩm đã được chứng nhận khác.
+Airspan Networks +Intel +RF Magic
+Alvarion +L3 Primewave +SiWave
+Andrew Corporation +LCC +SiWorks
+Aperto Networks +NEWS IQ +Stratex Networks
+Atheros Comm. +Nokia +Tower Stream
+China Motion Telecom +OFDM Forum +The Telnecity Group
+Compliance +Powerwave +TurboConcept
Certification Services Technologies +Wavesat Wireless
+Engim +Proxim +WiLAN
+Ensemble Comm. +Raytheon RF +Winova Wireless
+Filtronics Components +Yahoo
+Fujitsu Microlectronics +Redline Comm +MTI
America +RF Intergration +RS Telecom
Bảng 1. 1. Các thành viên của tổ chức WiMAX Forum
ix
1.1.2. Lịch sử WIMAX
Nhóm công tác IEEE 802.16 là nhóm đầu tiên chịu trách nhiệm phát triển
chuẩn 802.16 bao gồm giao diện không gian cho truy nhập không dây băng rộng.
Hoạt động của nhóm khởi đầu trong một cuộc họp vào 08/1998. được gọi là kiểm
tra hệ thống điện tử không dây quốc gia (N-WEST), đây là một bộ phận của viện

nghiên cứu công nghệ và chuẩn hóa quốc gia Mĩ. Ban đầu nhóm tập trung vào việc
phát triển các chuẩn và giao diện không dây cho băng tần 10-676GHz. Sau đó dự án
sửa đổi dẫn đến việc tán thành chuẩn IEEE 802.16a tập trung vào băng tần 2-
11GHz. Sự phê chuẩn cuối cùng chi tiết kĩ thuật giao diện không gian 802.16a là
vào 01/2003.
ETST đã tạo ra chuẩn MAN không dây cho băng tần 2-11GHz gọi là chuẩn
ETSI HiperMAN, được đưa ra vào 10/2003. Tổ chức ETST làm việc gần gũi với
nhóm IEEE 802.16 do vậy chuẩn HiperMAN về cơ bản là theo chỉ dẫn 802.16.
Chuẩn HiperMAN cung cấp việc truyền thông cho mạng không dây trong các băng
tần 2-11GHz ở Châu Âu. Nhóm làm việc HiperMAN tận dụng lược đồ điều chế
OFDM FFT 256 điểm, là một trong những lược đồ điều chế được định nghĩa trong
chuẩn IEEE 802.16a.
WiMAX Forum giữ vai trò tương tự liên minh W-Fi trong WLAN, hỗ trợ phát
triển các sản phẩm MAN không dây dựa trên các chuẩn của Viện nghiên cứu của
các kĩ sư điện và điện tử (IEEE) và viện nghiên cứu các chuẩn viễn thông Châu Âu
(ETSI). WiMAX Forum tin rằng một chuẩn chung cho truy nhập không dây băng
rộng BWA sẽ làm giảm chi phí thiết bị và thúc đẩy việc cải thiện hiệu năng. Bên
cạnh đó, các nhà khai thác BWA sẽ không bị ràng buộc trong một nhà cung cấp duy
nhất do các trạm gốc BS sẽ tương thích với thiết bị truyền thông cá nhân CPE của
nhiều nhà cung cấp. Ban đầu tập trung vào truyền thông cố định cho dải tần 10-
66GHz, việc mở rộng quy mô lớn bắt đầu vào 01/2003 và chuyển sang cả lĩnh vực
di động.
x
1.1.3. Khái niệm WIMAX
WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access – Khả năng
tương tác toàn cầu với truy nhập vi ba) là một công nghệ truy nhập không dây băng
thông rộng mới, dựa trên chuẩn IEEE 802.16. WiMAX gần giống với Wi-Fi nhưng
được cải thiện khá nhiều để có thể tăng tốc độ truyền dẫn dữ liệu tới 70 Mb/giây với
phạm vi hoạt động 2-10 km trong khu vực thành thị và 50 km tại những vùng hẻo
lánh.

Công nghệ Wimax dựa trên các chuẩn, cho phép truy cập băng rộng vô tuyến
đến đầu cuối như một phương thức thay thế cho cáp và DSL. Nó có thể kết nối băng
rộng vô tuyến cố định, nomadic (người sử dụng có thể di chuyển nhưng cố định
trong lúc kết nối), mang xách được (người sử dụng có thể di chuyển với tốc độ đi
bộ) và di động mà không cần thiết ở trong tầm nhìn thẳng (Line-of-Sight) trực tiếp
tới một trạm gốc. Trong bán kính của một cell điển hình từ 3km đến 10km, các hệ
thống đã được diễn đàn WiMAX (WiMAX Forum) chứng nhận sẽ có công suất lên
tới 40Mbit/s mỗi kênh cho các ứng dụng truy cập cố định và mang xách được.
WiMAX cho phép đủ băng thông để đồng thời hỗ trợ hàng trăm doanh nghiệp với
kết nối tốc độ T1 và hàng ngàn hộ dân với kết nối tốc độ DSL. Công nghệ WiMAX
đem lại giải pháp cho nhiều ứng dụng băng rộng tốc độ cao cùng thời điểm với
khoảng cách xa và cho phép các nhà khai thác dịch vụ hội tụ tất cả trên mạng IP để
cung cấp các dịch vụ “3 cung”: dữ liệu, thoại và video.
Chuẩn IEEE 802.16-2004 được phê chuẩn vào 24/06/2004 là sự kết hợp của
các chuẩn IEEE 802.16 (06/12/2001) IEEE 802.16a (29/01/2003) và IEEE 802.16c
(12/12/2002).
IEEE 802.16 (06/12/2001)
Giao diện không gian cho các chi tiết kĩ thuật PHY và MAC của hệ thống truy
nhập không dây băng rộng cố định đối với dải tần 10-66GHz (LOS).
Một lớp PHY: Sóng mang đơn.
Hướng kết nối, TDM/TDMA MAC, QoS, bảo mật.
IEEE 802.16a (29/01/2003)
xi
Bổ sung 802.16, các sửa đổi MAC và các chi tiết kĩ thuật PHY bổ sung cho
dải tần 2-11GHz
Có 3 lớp PHY: OFDM, OFDMA và sóng mang đơn.
Các chức năng MAC bổ sung: Hỗ trợ OFDMA PHY và OFDM, hỗ trợ cấu
hình mạng mắt luới, ARQ.
IEEE 802.16c (12/12/2002)
Sửa đổi 802.16, miêu tả dải từ 10 đến 66GHz.

IEEE 802.16e(12/2005)
Tập trung về di động trong dải tần 2-6GHz.
Cho phép chuyển giao tín hiệu tốc độ cao cần thiết cho truyền thông với những
người dùng di chuyển ở tốc độ của phương tiện giao thông.
Diễn đàn WiMAX đã định nghĩa các đặc tả dành cho lớp vật lý (PHY), lớp
MAC đảm bảo một nền tảng thống nhất cho tất cả những triển khai WiMAX. Hình
vẽ sau miêu tả phân lớp giao thức WIMAX cho hai lớp cuối cùng.
Hình 1. 1. Phân lớp giao thức của WiMAX
Lớp vật lí (PHY)
Truyền tải
ATM
Truyền tải
IP
Lớp con hội tụ dịch vụ đặc biệt CCCS
Lớp con phần chung MAC
MAC-CPS
Lớp con bảo mật PS
M
A
C
Lớp vật lí (PHY)
xii
1.2. Mô tả lớp vật lý
1.2.1 Truyền lan LOS và NLOS
Trong thông tin vô tuyến, sóng vô tuyến được truyền qua môi trường vật lý có
nhiều cầu trúc và vật thể như tòa nhà, đồi núi, cây cối xe cộ chuyển động…. Nói
chung quá trình truyền sóng trong thông tin vô tuyến rất phức tạp. Quá trình này có
thể chỉ có một đường truyền thẳng (LOS: line of sight), hay nhiều đường mà không
có LOS hoặc cả hai. Truyền sóng nhiều đường xẩy ra khi có phản xạ, nhiễu xạ và
tán xạ.

Trong liên kết LOS, một tín hiệu di chuyển qua một đường truyền thẳng và
không có vật cản từ đầu phát đến đầu thu. Một liên kết LOS yêu cầu hầu hết miền
Fresnel không có vật cản nào như hình vẽ. Nếu tiêu chuẩn này không đáp ứng thì sẽ
có sự suy giảm đáng kể về độ lớn tín hiệu. Độ mở Fresnel được yêu cầu tùy thuộc
vào tần số hoạt động và khoảng cách giữa vị trí đầu phát và đầu thu.
Trong một liên kết NLOS, một tín hiệu đến đầu thu thông qua phản xạ, tán xạ
và nhiễu xạ. Tín hiệu đến tại đầu thu bao gồm các thành phần từ đường truyền
thẳng, các đường truyền phản xạ, năng lượng tán xạ và các đường truyền lan nhiễu
xạ. Các tín hiệu này khác nhau về khoảng rộng trễ, độ suy giảm, độ phân cực, và độ
ổn định liên quan đến đường truyền thẳng.
Hiện tượng đa đường có thể gây ra sự thay đổi phân cực tín hiệu. Do đó sử
dụng phân cực như một phương pháp để tái sử dụng tần số, điều đó là thông dụng
trong triển khai LOS nhưng có thể gặp nhiều khóa khăn trong các ứng dụng NLOS.
Làm cách nào để hệ thống vô tuyến biến các tín hiệu đa đường thành một lợi
ích là một mấu chốt để cung cấp dịch vụ trong các điều kiện NLOS. Một sản phẩm
mà chỉ đơn thuần tăng công suất để xuyên qua các vật cản không phải là công nghệ
của NLOS bởi vì phương pháp này vẫn còn dựa vào một đường truyền thẳng mạnh
mẽ mà không sử dụng năng lượng có trong các tín hiệu gián tiếp. Cả hai kiểu LOS
và NLOS đều bị chi phối bởi các đặc tính truyền lan của môi trường, suy hao đường
truyền và nhiễu liên kết vô tuyến .
xiii
Hình 1. 2 . Mô hình LOS
Có nhiều lợi ích khiến truyền lan NLOS trở nên hấp dẫn. Ví dụ, các yêu cầu
quy hoạch khắt khe, và những hạn chế về chiều cao của anten thường không cho
phép anten được đặt trong môt trường LOS. Với các hệ thống cell quy mô lớn cạnh
nhau thì việc tái sử dụng tần số là không phù hợp, làm giảm chiều cao anten là
thuận lợi để giảm nhiễu kênh liên kết giữa các vị trí cell gần nhau. Điều này thường
áp dụng cho các BS hoạt động trong điều kiện NLOS. Các hệ thống LOS không thể
giảm chiều cao anten bởi vì nếu làm thế có thể tạo ra tác động đến đường truyền
tầm nhìn thẳng được yêu cầu từ CPE đến BS.

Công nghệ NLOS cũng giảm chi phí lắp đặt bằng cách lắp đặt CPE dưới mái
hiên an toàn, làm giảm những khó khăn trong việc định vị các vị trí thích hợp của
khung anten. Công nghệ này cũng làm giảm nhu cầu về khảo sát vị trí trước khi lắp
đặt và cải thiện độ chính xác của các công cụ quy hoạch NLOS
Độ mở miền
Fresnel
0.6
Mọi chướng ngại phải
ở ngoài 0.6 của miền
mở Fresnel đầu tiên
Vị trí đặt trạm
gốc Wimax
Vị trí đặt CPE
Wimax
xiv
Công nghệ NLOS và các đặc điểm nổi bật trong WiMAX làm cho nó có thể sử
dụng các CPE trong nhà. Có hai thách thức chủ yếu là, đầu tiên phải khắc phục
được các suy hao khi xuyên qua tòa nhà, thứ hai là khoảng cách bao phủ phù hợp
với công suất phát và độ khuếch đại anten gắn với CPE phải thấp hơn. WiMAX đã
khắc phục được điều này bằng cách thêm một số khả năng tùy chọn cho nó. Các giải
pháp được lựa chọn cho NLOS là sử dụng công nghệ OFDM, kênh con hóa, các
anten tính hướng, điều chế thích ứng, kĩ thuật hiệu chỉnh lỗi và điều khiển công
suất.
Hình 1. 3. Mô hình NLOS
1.2.2 Chế độ truyền dẫn.
Đặc điểm lớp vật lý WiMAX hỗ trợ cả hai kiểu truyền dẫn TDD, FDD và cho
phép phương thức bán song công HD-FDD (half duplex - FDD).
Chế độ truyền dẫn TDD, đường lên và đường xuống sử dụng cùng tần số và
chia sẻ thời gian bằng việc gán các khe thời gian cho phương thức phát và nhận,
TDD chỉ hỗ trợ phương thức truyền dẫn bán song công.

Trạm gốc
Wimax (BS)
Thiết bị
truyền
thông cá
nhân
Wimax
(CPE)
Đường trực tiếp
Đường gián tiếp
xv
FDD yêu cầu hai phổ tần riêng rẽ cho truyền dẫn đường lên và đường xuống.
FDD có thể hỗ trợ phương thức truyền dẫn song công và bán song công.
Trong băng tần cấp phép hỗ trợ cả hai chế độ truyền dẫn TDD và FDD, HD-
FDD. Trong băng tần không cấp phép chỉ hỗ trợ chế độ truyền dẫn TDD.
1.2.3 Sơ đồ khối quá trình truyền - nhận tin
Hình 1. 4. Quá trình truyền-nhận tin
Thông tin của lớp vật lý sẽ được nhồi vào các symbol. Quá trình truyền dữ liệu
bao gồm các quá trình mã hóa kênh, điều chế OFDM thành các symbol và điều chế
cao tần. Cụ thể:
• Mã hóa kênh
Mã hoá kênh gồm quá trình ngẫu nhiên hóa, quá trình mã hóa sửa lỗi FEC và
quá trình xen kẽ.
Quá trình ngẫu nhiên hóa
Ngẫu nhiên hóa dữ liệu được thực hiện trên mỗi burst dữ liệu cả đường lên và
đường xuống. Ngẫu nhiên hóa được thực hiện trên mỗi phần (đường lên hoặc đường
xuống) có nghĩa rằng với mỗi phần của một khối dữ liệu (các kênh con trên miền
tần số và các symbol OFDM trên miền thời gian) bộ tạo ngẫu nhiên sẽ được dùng
một cách độc lập. Nếu lượng dữ liệu để phát không vừa vặn một cách chính xác với
lượng dữ liệu được đã được cung cấp, vật đệm 0xFF sẽ được thêm vào cuối khối

truyền. Với dữ liệu đã mã hóa RS-CC và CC, đệm sẽ được thêm vào cuối khối
truyền, cho đến lượng dữ liệu đã được cung cấp trừ 1 byte, cái này sẽ được phục vụ
xvi
cho việc giới thiệu một byte đuôi 0x00 bởi FEC. Với BTC và CTC, nếu được bổ
sung, đệm sẽ được thêm vào cuối khối truyền cho đến lượng dữ liệu đã được cung
cấp. Thanh ghi dịch chuyển của bộ tạo ngẫu nhiên sẽ được khởi tạo cho mỗi phần
mới.
Hàm tạo chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên là 1+x
14
+x
15
. Mỗi byte dữ liệu được
phát sẽ đi vào bộ tạo ngẫu nhiên một cách tuần tự, đầu tiên là MSB. Đầu đề không
được ngẫu nhiên hóa. Giá trị gốc sẽ được dùng để tính toán các bit ngẫu nhiên hóa,
nó kết hợp theo phép toán XOR với luồng bit đã phát của mỗi burst. Chuỗi ngẫu
nhiên chỉ được áp dụng cho các bit thông tin.
Các bit được tạo ra từ bộ ngẫu nhiên sẽ được đưa vào bộ mã hóa.
Ở đường xuống, bộ tạo ngẫu nhiên sẽ được khởi tạo lại ở điểm khởi đầu mỗi
khung với chuỗi 100101010000000. Bộ tạo ngẫu nhiên sẽ không được xác lập lại ở
điểm khởi đầu burst #1. Ở điểm khởi đầu của các burst tiếp theo (từ burst #2 đến
burst #n), bộ tạo ngẫu nhiên sẽ được khởi tạo với vecter như hình vẽ. Số khung sử
dụng để khởi tạo tương ứng với khung trong burst đường xuống đã được phát.
Hình 1. 5. Vector khởi tạo đường xuống bộ tạo ngẫu nhiên OFDM
DIUC là mã sử dụng trong khoảng thời gian đường xuống.
BSID là nhận dạng trạm gốc.
Ở đường lên, bộ tạo ngẫu nhiên được khởi tạo với một vector cho trước. Số
khung sử dụng để khởi tạo là của khung trong ánh xạ đường lên cho biết burst
đường lên đã được phát.
Ưu điểm của quá trình ngẫu nhiên hoá:
- Đảm bảo được sự đồng bộ với bên thu, đồng hồ bên thu sẽ dễ dàng được

khôi phục, qua đó vấn đề giải điều chế cũng dễ hơn.
b
0
b
1
b
2
b
3
b
14
b
13
b
12
b
11
1 b
5
b
6
b
7
b
8
1 1
b
0
b
1

b
2
b
3
b
0
b
1
b
2
b
3
b
0
b
1
b
2
b
3
MSB LSB
BSID DIUC Số khung
xvii
- Đảm bảo an ninh cho tín hiệu, đối với các thiết bị mà không có được bộ giải
điều chế ngẫu nhiên thì các tín hiệu này giống như các tín hiệu nhiễu, tạp (xác suất
bit 1 và 0 là ngang nhau), nó sẽ không thu nhận được.
Quá trình mã hóa sửa lỗi
Quá trình mã hóa thực hiện sửa lỗi trong trường hợp các bit bị hỏng, bị sai trên
đường truyền. Trong những điều kiện môi trường truyền tin không tốt, dữ liệu bị
hỏng, bên thu có thể dựa vào quá trình giải mã để hồi phục lại nguyên vẹn thông tin.

WiMAX kết hợp cả hai loại mã sửa lỗi: mã khối và mã chập. Dữ liệu được mã hóa
bằng mã khối (mã Reed-Solomon), sau đó sẽ được mã hóa bằng mã chập.
Bảng 1. 2: Bảng mô tả sửa lỗi với các lựa chọn khác nhau
Mã hóa RS(n,k,t): với k bit đầu vào, n bit đầu ra và có thể sửa được t lỗi.
Mã hóa CC n/k: có k bit đầu vào thì có n bit đầu ra.
Ví dụ, khi dùng điều chế QPSK với 24 byte đầu vào chưa được mã hóa. Khi
qua bộ mã hóa Reed-Solomoon RS (32,24,4) ta sẽ có 32 byte đầu ra. Tiếp tục cho
qua bộ mã hóa CC2/3 ta sẽ có 48 byte đầu ra. Như vậy, với 24 byte đầu vào sẽ có
48 byte đầu ra. Kết quả ta có hệ số mã hóa chung là ½.
Quá trình xen kẽ
Quá trình này nhằm hỗ trợ việc khôi phục thông tin phía thu, tránh lỗi bit xảy
ra một cụm liên tục nhau. Các cụm bit sẽ được truyền xen kẽ với nhau.
Bảng 1. 3: Bảng mô tả xen kẽ trong WiMAX
16 kênh con
(mặc định)
8 kênh con 4 kênh con 2 kênh con 1 kênh con
BPSK 192 96 48 24 12
xviii
QPSK 384 192 96 48 24
16QAM 768 384 192 96 48
64QAM 1152 576 288 144 72
• Điều chế OFDM
Quá trình này có một số điểm cần chú ý
Thêm các thông tin dẫn đường
Thông tin dẫn đường được chèn thêm vào để bên nhận có thể dự đoán được
kênh truyền và được vận chuyển bởi các sóng mang dẫn đường. Quá trình này được
thực hiện trước khi ánh xạ vào các ký hiệu BPSK.
Điều chế số
Các bit sẽ được ánh xạ vào các kí hiệu BPSK, QPSK, 16QAM hoặc 64QAM
tùy trường hợp. Do yêu cầu phải đảm bảo độ tin cậy, khỏe nhất đối với các thông tin

dẫn đường mà các thông tin này bắt buộc điều chế vào các kí hiệu BPSK.
IFFT
Quá trình điều chế đa sóng mang trực giao bằng cách biến đổi Furie rời rạc
ngược. Các kí hiệu BPSK, QPSK, QAM được điều chế vào các sóng mang khác
nhau.
WMAN-OFDM định nghĩa kích thước của FFT là 256. Với 192 sóng mang dữ
liệu, 8 sóng mang dẫn đường và 55 sóng mang bảo vệ (sóng mang trung tâm không
được dùng).
Bảng 1. 4: Bảng mô tả các thông số trong khâu biến đổi OFDM
Thông số Giá trị
Số sóng mang NFFT 256
Số sóng mang sử dụng 200
Số sóng mang dẫn đường 8
Số sóng mang dữ liệu 192
Số sóng mang bảo vệ 55 (28 Thấp, 27 cao)
Tg/Ts 1/4, 1/8, 1/16, 1/32
• Điều chế cao tần
Các sóng mang trong quá trình điều chế OFDM tạo thành một OFDM Symbol
cơ bản. Tín hiệu trước khi được truyền đi cho qua bộ điều chế cao tần để đưa lên
ănten.
xix
Quá trình nhận được thực hiện theo thứ tự ngược lại, qua các khâu giải điều
chế, giải mã.
1.2.4 OFDM Symbol
Một OFDM Symbol được tạo thành từ các sóng mang con, tương ứng với kích
thước của biến đổi FFT. Trong một symbol có ba loại sóng mang: sóng mang dữ
liệu dùng để truyền dữ liệu, sóng mang dẫn đường cho mục đích dự báo sự thay đổi
và sóng mang rỗng sẽ không mang thông tin, được dùng để làm khoảng bảo vệ.
Thuận lợi của OFDM là tính đàn hồi của nó với đa đường. Với nhiễu và fading
tần số được lựa chọn, OFDM có thể khắc phục bằng cách lợi dụng tính chất băng

thông chậm hơn và song song của nó
*) Cấu trúc theo miền thời gian của symbol có dạng sau:
Chuyển đổi Fourier ngược tạo ra dạng sóng OFDM, khoảng thời gian này
được xem như thời gian symbol hữu ích T
b
. Một bản sao của T
g
ở cuối của chu kì
symbol hữu ích được gọi là CP (Cyclic Prefix: mào đầu chu kì) dùng để tập trung đa
đường trong khi duy trì tính trực giao của các tín hiệu.
Cấu trúc của symbol trên miền tần số có dạng:
Mào đầu
chu kì
Tải trọng dữ liệu
T
s
Chu kì toàn bộ Symbol
T
b
Chu kì Symbol hữu ích
T
g
T
g
xx
Hình 1. 6. Cấu trúc symbol trong miền tần số
Miền tần số bao gồm cấu trúc cơ bản của một symbol OFDM
Một symbol OFDM được tạo thành từ các sóng mang con, số sóng mang con
quyết định kích cỡ FFT được dùng. Có 3 loại sóng mang con:
• Sóng mang con dữ liệu: để truyền dữ liệu

• Sóng mang con dẫn đường: cho các mục đích đánh giá khác nhau
• Sóng mang con rỗng: không để truyền, dành cho các băng bảo vệ, các
sóng mang con không hoạt động và các sóng mang con DC
Sóng mang con DC: trong tín hiệu OFDM hay OFDMA, sóng mang con mà
tần số của nó có thể bằng tần số trung tâm RF của trạm.
Mục đích của các băng tần bảo vệ là làm cho tín hiệu suy giảm một cách tự
nhiên và tạo dạng FFT.
1.2.5 Điều chế và mã hóa thích ứng
Với kĩ thuật điều chế thích ứng sẽ làm tăng dung lượng kênh truyền và phạm
vi bao phủ. Điều chế thích ứng cho phép một hệ thống WiMAX tối ưu thông lượng
dựa trên các điều kiện truyền lan. Sử dụng lược đồ điều chế thích ứng, hệ thống
WiMAX có thể chọn điều chế mức cao nhất cung cấp các điều kiện kênh truyền tốt.
Một SNR tốt gần BS, vì thế lược đồ điều chế mức cao hơn được sử dụng trong các
vùng này để tăng thông lượng. Tuy nhiên, trong các vùng gần rìa tế bào, SNR
thường thấp vì thế hệ thống hạ xuống lược đồ điều chế mức thấp hơn để duy trì chất
lượng kết nối và độ ổn định của liên kết.
xxi
Điều chế thích ứng là một phương pháp để cải thiện sự cân bằng giữa hiệu
suất trải phổ và tỉ lệ lỗi bit. Chúng ta có thể tạo ra sự tối ưu như trong kênh fading
Rayleigh bằng cách khai thác fading về mặt vật lí. Điều chế thích ứng tận dụng sự
dao động của kênh truyền. Trong các chu kì độ khuếch đại kênh truyền cao, lập tức
SNR nhận được là cao, và tất nhiên cho phép sử dụng điều chế mức cao. Tình trạng
fading sâu sẽ làm giảm SNR nhận được và gây hạn chế cho hệ thống phải sử dụng
điều chế mức thấp.
Cụ thể, ở đây chúng ta sử dụng QPSK, 16-QAM và 64-QAM là các phương
thức điều chế cho điều chế thích ứng. Để quyết định mức chuyển mạch thích hợp từ
hiệu suất BER, BER được mong muốn phải được quyết định. Chúng ta thiết lập
hiệu suất BER mục tiêu của hệ thống là 10
-3
được yêu cầu cho truyền thông thoại tin

cậy. Với mục tiêu này, hệ thống của chúng ta sẽ cố gắng để giữ BER thấp hơn 10
-3
với lược đồ điều chế hiệu quả nhất về phổ. Kết quả cho điều chế chuyển mạch,
chúng ta quyết định sử dụng SNR ở đầu cuối thu. Trong kênh fading Rayleigh,
trung bình công suất tín hiệu nhận được là giống như của công suất tín hiệu phát, do
đó nó cho phép để xem xét hàm BER của SNR nhận được trong kênh AWGN như
BER trong kênh Rayleigh trong hàm của SNR phát.
Với SNR dưới 10dB, không có điều chế nào mang lại BER thấp hơn 10
-3
. Với
10dB<SNR<17dB, chỉ có điều chế QPSK cho thấy hiệu năng BER mong muốn. 16-
QAM bảo đảm hiệu năng BER được yêu cầu với hiệu suất phổ tốt nhất khi
17dB<SNR<23dB. Nếu SNR>23dB, 64-QAM có thể mang lại hiệu suất phổ tốt
nhất với hiệu năng BER được yêu cầu. Do đó, chúng ta có các phạm vi ranh giới
SNR cho điều chế thích ứng như bảng sau:
Bảng 1. 5: Phân chia ranh giới SNR cho điều chế thích ứng
QPSK SNR<17dB
16-QAM 17dB ≤ SNR ≤ 23dB
64-QAM SNR>23dB
WiMAX hỗ trợ cơ chế điều chế và mã hóa thích ứng. Tùy vào điều kiện của
từng thuê bao, hệ thống WiMAX sẽ thực hiện phương thức điều chế và mã hóa khác
nhau. Chẳng hạn với những thuê bao nằm trong phạm vi, môi trường truyền dẫn tốt
xxii
thì có thể dùng điều chế 64QAM, mã hóa với tỉ lệ ¾. Như vậy sẽ có thể đạt tốc độ
cao nhất. Còn đối với những thuê bao ở xa hoặc môi trường truyền xấu nhất, có thể
dùng điều chế QPSK, mã hóa tỉ lệ ½. Như vậy với việc hỗ trợ điều chế và mã hóa
thích ứng, hệ thống WiMAX sẽ cố gắng truyền tối ưu nhất trong điều kiện truyền
dẫn cho phép.
Hình vẽ dưới đây mô tả phương thức điều chế và mã hóa thích ứng.
Hình 1. 7. Điều chế và mã hóa thích ứng

Trong thực tế triển khai dịch vụ, cơ chế điều chế và mã hóa thích ứng còn
được ứng dụng để đưa ra các thỏa thuận giữa nhà cung cấp dịch vụ và khách hàng.
Tức là không cứ thuê bao nằm trong khoảng cách, môi trường tốt là được sử dụng
tốc độ cao. Ví dụ thuê bao nằm trong vùng 64QAM không có nhu cầu sử dụng tốc
độ cao, nhà cung cấp dịch vụ có thể cấu hình điều chế QPSK cho thuê bao đó.
1.2.6. Cấu trúc khung lớp vật lí
Lớp vật lí chuẩn 802.16e hỗ trợ cả TDD và FDD với kích thước khung từ 2ms
đến 20ms. Một khung TDD tiêu biểu được mô tả như trong hình vẽ.
xxiii
Hình 1. 8. Cấu trúc khung OFDMA TDD của WiMAX
Mỗi khung được chia thành các khung con DL (downlink) và UL (uplink)
tách biệt nhau bởi các khe chuyển tiếp phát/thu và thu/phát (TTG: Transmit/Receive
Transition Gaps và RTG: Receive/Transmit Transition Gaps) tương ứng để tránh
xung đột truyền dẫn DL và UL. Trong một khung, các thông tin điều khiển sau đây
được sử dụng nhằm bảo đảm hoạt động hệ thống tối ưu:
- Mào đầu: là một chuỗi giả ngẫu nhiên được điều chế trên một bộ các sóng
mang con, thực hiện việc đồng bộ sóng mang.
- Đầu đề điều khiển chung (FCH: Frame Control Header): đi sau phần mào
đầu, cung cấp thông tin cấu hình khung.
- DL-MAP và UL-MAP: Cung cấp các thông tin gán kênh con và các thông
tin điều khiển khác tương ứng cho các khung con DL và UL.
1.3. Mô tả lớp MAC
1.3.1. Mô hình tham chiếu
Lớp MAC mô tả trong 802.16 bao gồm ba lớp con (Sublayer): lớp con hội tụ
dịch vụ riêng (SSCS), lớp con MAC (CPS) và lớp con bảo mật (Sercurity Sublayer).
Lớp SSCS cung cấp bất cứ việc chuyển đổi hoặc ánh xạ từ các mạng mở rộng khác
xxiv
như ATM, Ethernet, thông qua một điểm truy nhập dịch vụ SAP. Lớp SSCS làm
nhiệm vụ chuyển đổi các gói tin từ các định dạng của mạng khác thành các gói tin
định dạng theo 802.16 và chuyển xuống cho lớp CPS. Tại đây sẽ diễn ra sự phân

lớp dịch vụ của các mạng ngoài để ánh xạ vào một dịch vụ thích hợp trong 802.16.
Lớp CPS cung cấp các chức năng chính của lớp MAC như: chức năng truy
nhập, phân bố băng thông, thiết lập, quản lí kết nối. Lớp CPS sẽ nhận dữ liệu từ các
CS khác nhau để phân lớp vào một kết nối MAC riêng. Chất lượng dịch vụ cũng sẽ
được áp dụng trong việc truyền và sắp xếp dữ liệu.
Lớp con bảo mật cung cấp các cơ chế chứng thực, trao đổi khóa và mã hóa.
xxv
(MAC SS)
Hình 1. 9. Lớp MAC và các chức năng
1.3.1.1 Lớp con hội tụ dịch vụ riêng SSCS
Thực thể quản lí
Lớp con phần chung MAC
Lớp con bảo mật
Thực thể quản lí
PHY
Thực thể quản lí
Lớp con hội tụ dịch vụ
đặc biệt SSCS
Hệ thống quản lí mạng
PHY SAP
MAC SAP
CS SAP
Lớp con phần chung
MAC (MAC CPS)
Lớp con bảo mật
(MAC SS)
Lớp vật lí (PHY)
Lớp con hội tụ dịch vụ
đặc biệt (MAC SSCS)
PHY MAC

mặt bằng
dữ liệu/ điều khiển
Mặt bằng quản lí
Quy mô chuẩn hóa

×