Hệ đa sóng mang đa người dùng công nghệ wimax Và lớp vật lý ieee 802.16

Đại học quốc gia Hà nội
Trờng đại học công nghệ

Hoàng Trùng Dơng

Hệ đa sóng mang - đa ngời dùng:
công nghệ wimax Và lớp vật lý ieee 802.16

Luận văn thạc sĩ

Hà Nội - 2006


Đại học quốc gia Hà nội
Trờng đại học công nghệ

Hoàng Trùng Dơng

Hệ đa sóng mang - đa ngời dùng:
công nghệ wimax Và lớp vật lý ieee 802.16
Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật vô tuyến điện tử và thông tin liên lạc
Mã số: 2.07.00

Luận văn thạc sĩ

Ngời hớng dẫn khoa học:
PGS TS Nguyễn Viết Kính

Hà Nội - 2006

MỤC LỤC
CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ

I

DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU

IV

MỞ ĐẦU

VII

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN WIMAX
1.1. Giới thiệu

1
1

1.1.1. Sự ra đời của WiMAX

1

1.1.2. Cơ chế hoạt động chung của WiMAX

2

1.1.3. Các đặc điểm chung của WiMAX

3

1.2. So sánh WiMAX với WiFi

5

1.2.1. Các chuẩn 802.11

5

1.2.2. So sánh WiFi và WiMAX

5

1.3. WiMAX và các chuẩn 802.16

6

1.4. Cấu trúc PMP của WiMAX

10

1.5. Lợi ích của công nghệ 802.16

11

1.6. Một số ứng dụng điển hình

12

CHƯƠNG 2 - KỸ THUẬT OFDM

15

2.1. Giới thiệu

15

2.2. Đa đường và hiệu suất phổ trong OFDM

16

2.3. Các đặc tính kỹ thuật cơ bản của OFDM

18

2.4. Tính trực giao và dải bảo vệ

20

2.5. Phép biến đổi Fourier rời rạc

23

2.6. Các ưu điểm cơ bản của kỹ thuật OFDM

26


CHƯƠNG 3 - LỚP VẬT LÝ IEEE 802.16

27

3.1. Hệ 10-66 GHz

27

3.2. Hệ 2-11 GHz

28

3.3. Chi tiết lớp vật lý IEEE 802.16

28

3.3.1. Kiểm soát lỗi

28

3.3.2. Định khung

30

3.3.3. Lớp con hội tụ truyền dẫn

37

3.4. Quy trình hoạt động của thiết bị ở lớp vật lý

38

3.4.1. Quá trình ngẫu nhiên

38

3.4.2. Kiểm soát lỗi hướng thuận FEC

39

3.4.3. Bộ điều chế và giải điều chế

43

3.4.4. Đồng chỉnh khung

46

3.4.5. Xử lý IFFT ở khối phát và FFT ở khối thu

48

3.4.6. Chèn và gỡ bỏ dải bảo vệ

49

3.4.7. Chế độ kênh

50

3.4.8. Bộ cân bằng và bộ ước lượng kênh

51

CHƯƠNG 4 - MÔ PHỎNG LỚP VẬT LÝ IEEE 802.16a OFDM VỚI PHẦN

52

MỀM MATLAB7
4.1. Mục đích mô phỏng

52

4.1.1. Các giới hạn mô phỏng

52

4.1.2. Các thông số chính của chương trình mô phỏng

52

4.1.3. Mô tả nội dung kịch bản điều chế

53

4.2. Ý nghĩa các thông số trong chương trình mô phỏng
4.2.1. Menu Filesname

54
54

4.2.2. Menu Framing

55

4.2.3. Các tham số trong cửa sổ chính

55

4.3. Phân tích chương trình mô phỏng

57

4.3.1. Các bộ thông số điều chế

57

4.3.2. Ảnh hưởng của nhiễu

62

4.3.3. Đồ thị tương quan

65

4.3.4. Đồ thị mật độ phổ công suất

68

4.3.5. Các kênh con

75

KẾT LUẬN

78

TÀI LIỆU THAM KHẢO

79

PHỤ LỤC MÃ CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG

81


CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ
AWGN

Additive White Gaussian Noise

Nhiễu Gauss trắng bổ sung

AGC

Analog Gain Controller

Bộ điều khiển tăng ích tương tự

BER

Bit Error Rate

Tỷ lệ lỗi bit

BPSK

Binary Phase-shift Keying

Dịch pha nhị phân

BS

Base Station

Trạm gốc

BTS

Base Transmission Station

Trạm thu phát gốc

BP

Burst Profile

Cơ chế cụm

BWA

Broadband Wireless Access

Truy nhập vô tuyến băng rộng

CCC

Configuration Changing Counter

Bộ đếm thay đổi cấu hình

CID

Connection Identifier

Bộ nhận dạng kết nối

CP

Cycle Prefix

Tiền tố lặp

CPE

Common Phase Error

Lỗi sai pha chung

DAC

Digital to Analog Converter

Bộ chuyển đổi tương tự số

DCD

Downlink Channel Descriptor

Bộ mô tả kênh đường xuống

DFT

Discrete Fourier Transformation

Biến đổi Fourier rời rạc

DU

Discrambler Unit

Bộ giải trộn

DIUC

Downlink Interval Usage Code

Mã sử dụng khoảng xung nhịp
đường xuống

DL-MAP

Downlink Map

Ánh xạ đường xuống

DL

Downlink

Đường xuống

FCH

Frame Control Header

Mào đầu điều khiển khung

FDD

Frequency Division Duplexing

Truyền song công phân chia theo
tần số

I


FEC

Forward Error Correction

Kiểm soát lỗi hướng thuận

FFT

Fast Fourier Transformation

Biến đổi Fourier nhanh

FGP

Field Generator Polynomial

Đa thức sinh trường

FIFO

First In First Out

Cơ chế dữ liệu vào trước sẽ ra
trước

GI

Guard Interval

Khoảng bảo vệ

ICI

Inter Carrier Interference

Nhiễu giữa các sóng mang

IDFT

Inverse DFT

Biến đối Fourier rời rạc ngược

IFFT

Inverse FFT

Biến đối Fourier nhanh ngược

ISI

Inter Symbol Interference

Nhiễu giữa các ký hiệu

LAN

Local Area Network

Mạng cục bộ

LOS

Line Of Sight

Đường truyền tầm nhìn thẳng

MAC

Medium Access Control

Điều khiển truy nhập phương tiện

MAN

Metropolitan Area Network

Mạng đô thị

MCM

Multi Carrier Modulation

Điều chế đa sóng mang

NCO

Numerically Controlled Oscillator

Bộ dao động được điều khiển số
học

NLOS

Non Line Of Sight

Đường truyền không nhìn thẳng

OFDM

Orthogonal Frequency Division
Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số
trực giao

OFDMA

Orthogonal Frequency Division
Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo tần
số trực giao

OLOS

Obstructed Line Of Sight

Đường truyền tầm nhìn thẳng bị
che chắn

PAR

Peak to Average Ratio

Công suất tương đối cực đại

PDU

Protocol Data Unit

Đơn vị dữ liệu giao thức

II


PHY

Physical Layer

Lớp vật lý

PLL

Phase Locked Loop

Vòng lặp khóa pha

PMP

Point-to-multipoint

Điểm tới đa điểm

PRBS

Pseudo-random Binary Sequence

Chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên

PWM

Pulse-width Modulation

Điều chế độ rộng xung

QAM

Quadrature Amplitude Modulator

Bộ điều biên cầu phương

QoS

Quality of Service

Chất lượng của dịch vụ

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

Dịch pha theo góc cầu phương

RTD

Round Trip Delay

Trễ toàn chu trình

SNR

Signal-to-Noise

Tỷ lệ tín hiệu/nhiễu

SS

Subscriber Station

Trạm thuê bao

TBS

Transport Block Size

Kích thước khối vận chuyển

TC

Transmission Convergence

Hội tụ truyền dẫn

TDD

Time Division Duplexing

Truyền song công phân chia theo
thời gian

UCD

Uplink Channel Descriptor

Bộ mô tả kênh đường lên

UIUC

Uplink Interval Usage Code

Mã sử dụng khoảng xung nhịp
đường lên

UL-MAP

Uplink Map

Ánh xạ đường lên

WAN

Wide Area Network

Mạng diện rộng

Wifi

Wireless Fidelity

Mạng không dây cự ly ngắn

WiMAX

Worldwide Interoperabitity for
Microwave Access

Khả năng tương tác toàn cầu với
truy nhập vi ba

III


DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU
STT

Số

Tên hình vẽ

Trang

1

1.1

Ứng dụng WiMAX

2

2

1.2

Mô hình truyền thông của WiMAX

3

3

1.3

Mô hình phân lớp trong hệ thống WiMAX so sánh với OSI

4

4

1.4

IEEE802.16 và ETSI-HiperMAN

7

5

1.5

Các chuẩn kết nối không dây

8

6

1.6

Mô hình triển khai WiMAX

14

7

1.7

802.16 cho phép truyền thông điểm đa điểm NLOS và truyền
mạng trục LOS

14

8

2.1

Đa đường trong các điều kiện kết nối NLOS

16

9

2.2

Cấu trúc ký hiệu OFDM, ISI và khoảng bảo vệ

17

10

2.3

Đồ thị ký hiệu OFDM

17

11

2.4

Nguyên lý tạo một ký hiệu OFDM

19

12

2.5

Dạng phổ của một ký hiệu OFDM

20

13

2.6

Nguyên lý của quá trình giải điều chế OFDM

21

14

2.7

Thêm CP vào ký hiệu OFDM

22

15

2.8

Sơ đồ khối các quá trình điều chế, giải điều chế OFDM sử
dụng FFT

25

16

3.1

Cơ chế kiểm soát lỗi lớp Vật lý

29

17

3.2

Cấu trúc khung con đường xuống

31

18

3.3

Khuôn dạng thông điệp DL-MAP

32

19

3.4

Khuôn dạng thông điệp DCD

33

20

3.5

Khuôn dạng thông điệp UL-MAP

34

IV


21

3.6

Khuôn dạng thông điệp UCD

34

22

3.7

Cấu trúc khung con đường lên

35

23

3.8

Định dạng TC-PDU

37

24

3.9

Quy trình hoạt động của lớp Vật lý ở khối phát và khối thu

38

25

3.10

Bộ trộn và giải trộn

39

26

3.11

Sơ đồ khối kiểm soát lỗi FEC

40

27

3.12

Nguyên lý bộ mã hoá chập

41

28

3.13

Sơ đồ khối bộ mã chập

41

29

3.14

Sơ đồ khối bộ giải mã Viterbi

42

30

3.15

Sơ đồ khối bộ điều chế

43

31

3.16

Sơ đồ khối bộ giải điều chế

45

32

3.17

PRBS cho điều chế bit dẫn đường

46

33

3.18

Cấu trúc khung FDD OFDM PHY đường xuống

47

34

3.19

Mào đầu dài đường xuống

47

35

3.20

Dạng phổ của tín hiệu OFDM

48

36

4.1

Sơ đồ khối bộ điều chế

53

37

4.2

Giản đồ chòm sao của tín hiệu giải điều chế đường xuống với
Rate ID=0

59

38

4.3

Giản đồ chòm sao của tín hiệu giải điều chế đường xuống với
Rate ID=4

60

39

4.4

Giản đồ chòm sao của tín hiệu giải điều chế đường lên với
Rate ID=0

61

40

4.5

Giản đồ chòm sao của tín hiệu giải điều chế đường lên với
SNR=20dB

63

41

4.6

Giản đồ chòm sao của tín hiệu giải điều chế đường lên với
SNR=99dB

64

V


42

4.7

Đồ thị tương quan của tín hiệu giải điều chế đường lên

66

43

4.8

Đồ thị tương quan của tín hiệu giải điều chế đường xuống

67

44

4.9

Phổ của tín hiệu giải điều chế đường xuống

69

45

4.10

Phổ của tín hiệu giải điều chế đường lên

70

46

4.11

Phổ của tín hiệu giải điều chế đường xuống với SNR= 99dB

71

47

4.12

Phổ của tín hiệu giải điều chế đường xuống với SNR= 5dB

72

48

4.13

Phổ của tín hiệu giải điều chế đường xuống với RateID = 0

73

49

4.14

Phổ của tín hiệu giải điều chế đường xuống với RateID = 5

74

50

4.15

Phổ của tín hiệu giải điều chế đường lên với 4 kênh con

76

51

4.16

Phổ của tín hiệu giải điều chế đường lên với 7 kênh con

77

STT

Số

Tên bảng

1

3.1

Mô tả trường của thông điệp DL-MAP

32

2

3.2

Mô tả trường của thông điệp DCD

33

3

3.3

Mô tả trường của thông điệp UL-MAP

34

4

3.4

Mô tả trường của thông điệp UCD

35

5

3.5

Mã hoá kênh bắt buộc trên điều chế

44

Trang

VI


MỞ ĐẦU

Ngày nay, sự phát triển công nghệ diễn ra vô cùng mạnh mẽ trên mọi lĩnh vực.
Để đáp ứng sự phát triển đó, yêu cầu về hạ tầng truyền dẫn ngày càng cao. Truyền
thông vô tuyến cũng nằm trong xu hướng đó. Từ mục đích ban đầu chỉ là truyền dẫn
không dây các số liệu đơn giản, ngày nay, yêu cầu về truyền tin không chỉ bó hẹp như
vậy mà còn phải thỏa mãn truyền âm thanh, hình ảnh, truyền hình chất lượng cao. Các
chuẩn công nghệ nối tiếp nhau ra đời để phục vụ mục đích đó.

Ở thời điểm này, Wi-Fi là công nghệ mạng không dây thống lĩnh trong các gia
đình và văn phòng. TV, đầu đĩa, đầu ghi và nhiều thiết bị điện tử gia dụng có khả năng
dùng Wi-Fi đang xuất hiện ngày một nhiều. Điều đó cho phép người sử dụng truyền
thông tin khắp các thiết bị trong nhà mà không cần dây dẫn. Mạng không dây trên cơ
sở thiết lập đa điểm truy cập đang ngày càng phổ biến, cho phép người dùng truy nhập
mạng, internet mọi lúc, mọi nơi. Điện thoại không dây sử dụng mạng Wi-Fi cũng đã có
mặt ở các văn phòng. Tuy nhiên, Wi-Fi tiêu tốn khá nhiều năng lượng của các thiết bị
cầm tay và thậm chí chuẩn 802.11g không thể hỗ trợ ổn định cho hơn một đường phát
video.
Hiện tại, thế hệ mạng đầu tiên dựa trên công nghệ mới WiMAX, hay gọi theo
tên kỹ thuật là IEEE 802.16, đã ra đời và sẽ trở nên phổ dụng. Như chính cái tên của
mạng này cho thấy, WiMAX chính là phiên bản phủ sóng diện rộng của Wi-Fi với
thông lượng tối đa có thể lên đến 70 Mb/giây và tầm xa lên tới 50 km, so với 50 m của
Wi-Fi hiện nay. Ngoài ra, trong khi Wi-Fi chỉ cho phép truy cập ở những nơi cố định
tại điểm truy cập thì WiMax có thể bao trùm cả một thành phố hoặc nhiều tỉnh thành
giống như mạng điện thoại di động.
Xuất phát từ lý do nắm bắt công nghệ mới, luận văn trình bày tổng quan về
WiMAX, công nghệ truyền dẫn OFDM, lớp vật lý IEEE 802.16a và mô phỏng quá
trình của lớp vật lý này.

VII


CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN WIMAX

1.1. GIỚI THIỆU
1.1.1. Sự ra đời của WiMAX [17]
Chúng ta đã biết đến các công nghệ truy nhập internet phổ biến hiện nay như
quay số qua modem thoại (Dial Up), ADSL, các đường thuê kênh riêng (leased-line),
hay sử dụng các hệ thống vô tuyến như điện thoại di động, hay mạng không dây WiFi.

Mỗi phương pháp truy cập mạng có đặc điểm riêng. Đối với Modem thoại thì tốc độ
quá thấp, ADSL tốc độ có thể lên tới 8Mbps nhưng phải có đường dây kết nối, các
đường thuê kênh riêng thì giá thành đắt lại rất khó khăn khi triển khai ở các khu vực có
địa hình phức tạp. Hệ thống thông tin di động hiện tại cung cấp tốc độ truyền 9,6Kbps
quá thấp so với nhu cầu người sử dụng. Ngay cả các mạng thế hệ sau GSM như GPRS
(2,5G) cho phép truy cập với tốc độ đến 171,2Kbps hoặc EDGE cũng chỉ tới 300400Kbps. Như vậy rõ ràng chưa thể đáp ứng nhu cầu sử dụng các dịch vụ mạng
internet ngày càng tăng. Hệ thống di động thế hệ tiếp theo 3G thì tốc độ truy cập
internet cũng không vượt quá 2Mbps. Còn với mạng WiFi thì chỉ có thể áp dụng cho
các máy tính trao đổi thông tin với khoảng cách ngắn.
Với thực tế như vậy, WiMAX (Khả năng tương tác toàn cầu với truy nhập vi ba)
ra đời nhằm cung cấp một phương tiện truy cập Internet không dây tổng hơp có thể
thay thế cho ADSL và WiFi. Hệ thống WiMAX có khả năng cung cấp đường truyền
với tốc độ lên đến 70Mbit/s và với bán kính phủ sóng của một trạm anten phát lên đến
50km. Mô hình phủ sóng của mạng WiMAX tương tự như mạng điện thoại tế bào. Bên
cạch đó, WiMAX cũng hoạt động mềm dẻo như WiFi khi truy cập mạng. Mỗi khi một
máy tính muốn truy nhập mạng nó sẽ tự động kết nối với trạm anten WiMAX gần nhất.
Diễn đàn WiMAX là một tổ chức của các nhà khai thác và các công ty thiết bị
và cấu kiện truyền thông hàng đầu. Mục tiêu của Diễn đàn WiMAX là thúc đẩy và

1


chứng nhận khả năng tương thích của các thiết bị truy cập vô tuyến băng rộng tuân thủ
chuẩn 802.16 của IEEE và các chuẩn HiperMAN của ETSI. Diễn đàn WiMAX được
thành lập để dỡ bỏ các rào cản tiến tới việc chấp nhận rộng rãi công nghệ truy cập vô
tuyến băng rộng BWA, vì riêng một chuẩn thì không đủ để khuyến khích việc chấp
nhận rộng rãi một công nghệ. Theo mục tiêu này, Diễn đàn đã hợp tác chặt chẽ với các
nhà cung cấp và các cơ quan quản lý để đảm bảo các hệ thống được Diễn đàn phê
chuẩn đáp ứng các yêu cầu của khách hàng và của các chính phủ.

Hình 1.1 - Ứng dụng WiMAX

1.1.2. Cơ chế hoạt động chung của WiMAX [18]
Thực tế WiMAX hoạt động tương tự WiFi nhưng ở tốc độ cao và khoảng cách lớn
hơn rất nhiều cùng với một số lượng lớn người dùng. Một hệ thống WiMAX gồm 2
phần:
- Trạm phát: giống như các trạm BTS trong mạng thông tin di động với công suất
lớn có thể phủ sóng một vùng rộng tới 8000km2
- Trạm thu: có thể là các anten nhỏ như các thẻ mạng cắm vào hoặc được thiết
lập sẵn trên bảng mạch bên trong các máy tính, theo cách mà WiFi vẫn dùng.
Các trạm phát BTS được kết nối với mạng Internet thông qua các đường truyền tốc độ
cao dành riêng hoặc có thể được nối với một BTS khác như trạm trung chuyển bằng
đường truyền thẳng LOS và chính vì vậy WiMAX có thể phủ sóng đến những vùng rất
xa.

2


Các anten thu/phát có thể trao đổi thông tin với nhau qua các tia sóng truyền
thẳng hoặc các tia phản xạ. Trong trường hợp truyền thẳng, các anten được đặt cố định
trên các điểm cao, tín hiệu trong trường hợp này ổn định và tốc độ truyền có thể đạt tối
đa. Băng tần sử dụng có thể dùng ở tần số cao đến 66 GHz vì ở tần số này tín hiệu ít bị
giao thoa với các kênh tín hiệu khác và băng thông sử dụng cũng lớn hơn. Đối với các
trường hợp nhiễu xạ, WiMAX sử dụng băng tần thấp hơn, 2-11GHz, tương tự như
WiFi, ở tần số thấp tín hiệu dễ dàng vượt qua các vật cản, có thể phản xạ, nhiễu xạ, uốn
cong, vòng qua các vật thể để đến đích.

Hình 1.2 – Mô hình truyền thông của WiMAX
1.1.3. Các đặc điểm chung của WiMAX [19]
WiMAX đã được tiêu chuẩn hóa ở IEEE 802.16. Hệ thống này là hệ thống đa

truy cập không dây sử dụng công nghệ OFDMA có các đặc điểm sau:
- Khoảng cách giữa trạm thu và phát có thể tới 50km
- Tốc độ truyền có thể thay đổi, tối đa 70Mbit/s
- Hoạt động trong cả hai môi trường truyền dẫn: đường truyền tầm nhìn thẳng LOS
và đường truyền che khuất NLOS

3


- Dải tần làm việc 2-11GHz và từ 10-66GHz hiện đã được và đang được tiêu chuẩn
hóa.
- Trong WiMAX hướng truyền tin được chia thành hai đường lên và xuống và đều
sử dụng công nghệ OFDM để truyền. OFDM 256 được Diễn đàn WiMAX lựa chọn
cho các mô tả đầu tiên dựa trên 802.16-2004. WiMAX sử dụng điều chế nhiều mức
thích hợp từ BPSK, QPSK đến 256-QAM kết hợp với các phương pháp sửa lỗi dữ liệu
như ngẫu nhiên hóa, với mã hóa sửa lỗi Reed Solomon, mã chập tỷ lệ mã từ 1/2 đến
7/8.
- Độ rộng băng tần của WiMAX từ 5 MHz đến 20 MHz được chia thành nhiều băng
con 1,75 MHz. Mỗi băng con này được chia nhỏ hơn nữa nhờ công nghệ OFDM, cho
phép nhiều thuê bao có thể truy cập đồng thời một hay nhiều kênh một cách linh hoạt
để đảm bảo tối ưu hiệu quả sử dụng băng tần. Công nghệ này được gọi là công nghệ đa
truy nhập OFDMA. OFDMA trong WiMAX sử dụng tổng cộng 2048 sóng mang, trong
đó có 1536 sóng mang dành cho thông tin được chia thành 32 kênh con, mỗi kênh con
tương đương với 48 sóng mang.
- Cho phép sử dụng cả 2 công nghệ TDD và FDD cho việc phân chia truyền dẫn
của đường lên và đường xuống.
- Về cấu trúc phân lớp, hệ thống WiMAX được phân chia thành 4 lớp: Lớp hội tụ
(Convergence) làm nhiệm vụ giao diện giữa lớp MAC và các lớp trên, lớp điều khiển
truy nhập thiết bị (MAC layer), lớp truyền dẫn (Transmission) và lớp vật lý (Physical).
Các lớp này tương đương với hai lớp dưới của mô hình OSI và được tiêu chuẩn hóa để

có thể giao tiếp với nhiều ứng dụng lớp trên như mô tả ở Hình 1.3.

Hình 1.3 – Mô hình phân lớp trong hệ thống WiMAX so sánh với OSI

4


1.2. SO SÁNH WIMAX VỚI WIFI [8]
1.2.1. Các chuẩn 802.11 và sự hạn chế của WiFi
Ngày nay chúng ta có 3 loại mạng LAN không dây chính: 802.11b, 802.11g và
802.11a. Hoạt động ở tốc độ 11Mbit/s, 802.11g là chuẩn mà chúng ta biết rõ nhất với
cái tên WiFi. 802.11g và 802.11a ra đời sau. 802.11g sử dụng cùng một dải phổ như
802.11b và tương thích ngược với nó, đã trở thành công nghệ LAN không dây thông
dụng như hiện nay. Còn IEEE 802.11a thường được xem là anh em họ “đuối” hơn của
802.11g, hoạt động hoàn toàn tương tự (kể cả việc có một chế độ “Turbo” 108Mbit/s
nhưng sử dụng một dải phổ khác).
Sự kém hiệu quả của một cách ghê gớm của 802.11a/b/g là kết quả của một loạt
nhân tố: sự chật chội nghiêm trọng và nhiễu trong dải 2,4GHz; sự xử lý kém cỏi của
các tín hiệu trả về; các cơ chế tranh chấp tương tự Ethernet; nhu cầu mã hóa cao để
đảm bảo an ninh. Tất cả những nhân tố này sẽ dẫn tới một dịch vụ vốn không giống
như đã được quảng cáo.
Giải pháp cho vấn đề hiệu quả kém này là đề xuất 802.11n. Chưa biết là khi nào
thì một chuẩn phải ra đời (một thời điểm nào đó trong năm 2006 là thời hạn chính
thức) nhưng một vài nhóm cạnh tranh phải thỏa thuận với nhau trước khi vấn đề cuối
cùng cũng được giải quyết.
1.2.2. So sánh WiFi và WiMAX
WiMAX khác biệt so với chuẩn 802.11 - chuẩn không dây thường được biết tới
với tên WiFi..
Tốc độ truyền tải: Như đã nói đến, WiMAX hổ trợ tốc độ truyền tải tới 70Mbit/s
(tốc độ phụ thuộc vào các kiểu ăngten sử dụng). Trong khi đó, WiFi5 “chỉ” hổ trợ tốc

5


độ 54Mbit/s trong phạm vi truyền tải khá hẹp. WiFi hổ trợ tốc độ truyền tải thấp hơn,
chỉ 11Mbit/s
Băng tần: WiMAX hoạt động trên giải băng tần phụ thuộc vào hoàn cảnh. WiFi
hoạt động trên giải băng tần 2,4GHz trong khi WiFi5 hoạt động ở hai giải băng tần
2,4GHz và 5,8GHz
Phạm vi truyền tải: Nếu không gặp phải nhiều vật cản, WiMAX có thể truyền
tải dữ liệu trong bán kính khoảng 50km. Trong môi trường có nhiều vật cản, phạm vi
này rút ngắn xuống từ 5-8km. Trên lý thuyết, WiFi có thể hoạt động trong phạm vi từ
90m-300m. WiFi là lựa chọn thích hợp trong các gia đình và các điểm truy cập phạm
vi nhỏ.
Với phạm vi rộng lớn của WiMAX, các nhà cung cấp dịch vụ sẽ có thể phủ
sóng toàn bộ các khu vực đô thị với chỉ một vài tháp. Mặc dù hiện nay chưa diễn ra
nhưng việc WiMAX sẽ có ứng dụng doanh nghiệp, thay thế WiFi trong các doanh
nghiệp là rất khả thi. Phạm vi tăng thêm của WiMAX sẽ làm cho việc toàn bộ một tòa
nhà hay một khu trường có thể được phủ sóng bởi chỉ một điểm truy nhập đơn được
quản lý trung tâm là hoàn toàn có thể.
1.3. WIMAX VÀ CÁC CHUẨN 802.16 [5]

WiMAX là một lĩnh vực thương mại công nghiệp, đi đầu và phát triển bởi các
công ty hàng đầu sản xuất linh kiện và thiết bị truyền thông. Tiêu chuẩn được sử dụng
cho phép kết nối thiết bị của nhiều hãng khác nhau nếu cùng thoả mãn các điều kiện
của việc cấp chứng nhận bởi Diễn đàn WiMAX dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.16 và
ETSI HIPERMAN.
Tiêu chuẩn 802.16a là công nghệ không dây mạng đô thị MAN cung cấp khả
năng thay thế các công nghệ truyền thống sử dụng cáp, DSL và T1/E1 mà không cần
sử dụng cáp. Nó cũng tương thích với việc kết nối các điểm truy cập 802.11 tới mạng

Internet.

6


WiMAX sẽ nhanh chóng được hoàn hiện trong thời gian tới với khả năng tương
thích và khả năng đáp ứng bằng các thiết bị của các hãng khác nhau. Với ưu thế của
mình WiMAX đang là lĩnh vực được rất nhiều công ty trên thế gới để ý, nghiên cứu và
phát triển.
Sự phát triển của các chuẩn IEEE 802.16 bắt đầu với 802.16a sử dụng dải tần
cấp phép 2-11 GHz. Sau đó là các phiên bản 802.16b tăng dải phổ lên tới 5 và 6 GHz,
hỗ trợ QoS; 802.16c giới thiệu dải tần 10-66 GHz; 802.16d để xuất các cải tiến cho
802.16a; 802.16e hỗ trợ cho truy nhập di động tốc độ cao.
Trên thực tế, WiMAX đã được khởi động kể từ tháng 4-2001 dựa trên tiêu
chuẩn 802.16 bằng việc kết hợp chặt chẽ với Wi-Fi 802.11. WiMAX dựa trên các tiêu
chuẩn 802.16a/d và ETSI HiperMAN

Hình 1.4– IEEE802.16 và ETSI-HiperMAN
Khi chuẩn 802.11 áp dụng cho mạng LAN thì chính 802.16 là để áp dụng cho
mạng đô thị (MAN). Một ví dụ, mạng MAN với 802.16 kết nối các toàn nhà, khu vực.
Bên trong tòa nhà đó sẽ là một mạng LAN không dây hoạt động theo chuẩn 802.11
(WiFi), xem hình 1.5

7


Vào đầu, vào tháng 4/2002, IEEE quy định 802.16 cho dải tần 10-66GHz. Đến
tháng 1/2003, IEEE chính thức xác nhận chuẩn 802.16a, hoạt động trong vùng 211GHz. Đây là chuẩn mở rộng của 802.16. Với khoảng tần 11 GHz, sẽ cho phép truyền
dẫn trong vùng không nhìn thẳng (NLOS), thích hợp khi triển khai trong đô thị.

Hình 1.5– Các chuẩn kết nối không dây
Một trong những mục tiêu chính của Diễn đàn WiMAX là tạo ra một chuẩn
tương thích từ chuẩn 802.16 của IEEE và các chuẩn HiperMAN của ETSI. Điều này sẽ
thực hiện được nhờ việc hình thành các mô tả hệ thống. Dựa trên những gì mà Diễn
đàn WiMAX xem xét về các điều khoản của nhà cung cấp dịch vụ và các kế hoạch
thiết bị của các nhà cung cấp, Diễn đàn WiMAX đã quyết định tập trung trước tiên vào
các mô tả cho phương thức PHY OFDM 256 của chuẩn 802.16 năm 2004, được IEEE
thông qua vào tháng 6/2004. Lớp vật lý (PHY) sẽ được kết hợp với một bộ điều khiển
truy nhập phương tiện (MAC) độc lập đảm bảo một nền tảng thống nhất cho tất cả
những triển khai WiMAX.
Tuân thủ theo chuẩn 802.16 không có nghĩa là thiết bị được Diễn đàn WiMAX
chứng nhận hoặc có thể tương thích với các thiết bị của các nhà cung cấp khác. Tuy

8


nhiên nếu một thiết bị tuân thủ thiết kế được Diễn đàn WiMAX chứng nhận thì vừa
tuân thủ chuẩn 802.16 và tương thích với cả thiết bị của các nhà khai cấp khác.
Cấu hình chung của 802.16a gồm một trạm gốc đặt trên một tòa nhà. Thiết bị
này cho phép kết nối điểm-đa điểm với các thuê bao. Phạm vi bao phủ của 802.16a lên
tới 45km với bán kính cell tiêu chuẩn là 6-9km. Bên trong cell, hiệu suất truyền NLOS
và khả năng xuyên vật cản là tối ưu. 802.16a hoàn toàn tương thích khi giao tiếp với
802.11. Việc kết hợp với 802.16 cho phép lắp đặt các điểm truy cập tại bất cứ đâu mà
không gặp trở ngại so với khi thi công mạng cáp. Với tốc độ đạt 75Mbps, mỗi trạm gốc
802.16a cung cấp băng thông đủ cho 60 tác vụ trên kết nối T1 cho doanh nghiệp hoặc
hàng trăm kết nối tốc độ cao DSL cho các gia đình, khi dùng băng thông 20MHz. Để
đạt hiệu quả kinh doanh cao, các nhà cung cấp dịch vụ và điều hành mạng phải cân đối
để đảm bảo phục vụ được cả những doanh nghiệp cũng như các hộ gia đình. Việc triển
khai 802.16 nhằm thỏa mãn yêu cầu này. 802.16 hoàn toàn đáp ứng các yêu cầu bảo
mật cũng như yêu cầu chất lượng dịch vụ QoS để truyền tải các ứng dụng voice và

video. Dịch vụ voice của 802.16 tương thích các công nghệ TDM và VoIP.
Tiêu chuẩn IEEE 802.16e là kế hoạch tiếp theo sau khi cải tiến các tiêu chuẩn
IEEE 802.16 trước đó. Mục đích của 802.16e là khắc phục hạn chế của tiêu chuẩn hiện
tại không đáp ứng được các dịch vụ, các điểm truy nhập di động. IEEE 802.16e hoàn
thiện như thế hệ 3G được mong đợi hoặc các công nghệ di động thực sự khác..
Trước hết, chuẩn 802.16 vốn qui định rằng WiMAX hoạt động trong phạm vi từ 10 đến
66GHz. 802.16 được theo sau bởi 802.11a vốn mở rộng dải phổ tới phạm vi từ 2 tới
11GHz là giải mang tính thực tế hơn vì đây là phạm vi mà hầu hết các nhà cung cấp đã
có phổ. Nó có thể hoạt động trong các giải chưa được cấp phép nhưng có thể gặp phải
nhiễu nghiêm trọng trong những giải này. Tuy nhiên, chuẩn thu hút sự chú ý nhiều nhất
của các nhà cung cấp dịch vụ là chuẩn 802.16e vẫn chưa được thông qua (ít nhất cho
đếm thời điểm này). 802.16e tích hợp các tính năng di động, cung cấp các dịch vụ
tương đương với các dịch vụ băng rộng di động như iBurst/IntelliCell và 3G.

9


1.4. CẤU TRÚC PMP CỦA WIMAX
WiMAX sử dụng cấu trúc PMP (một điểm tới đa điểm), có nghĩa là tín hiệu
mạng xuất phát từ một điểm được truyền tải tới nhiều điểm (người sử dụng) khác cùng
lúc. PMP hoạt động tương tự mạng điện thoại di động khi một trạm có thể điều phối
các tín hiệu đến và đi xuất phát từ nhiều người sử dụng.
Lớp vật lý của WiMAX cho phép tồn tại độc lập hai khả năng liên kết. Trong
khu vực không có vật cản, băng tần hổ trợ tốc độ truyền tải lớn được sử dụng (10GHz
– 66GHz). Trong khu vực có nhiều vật cản, WiMAX sử dụng dải băng tần từ 2GHZ tới
11GHz (hổ trợ tốc độ truyền tải thấp). Quá trình chuyển đổi tần số được WiMAX tiến
hành hoàn toàn tự động.
Cấu trúc PMP đóng vai trò quan trọng trong “ viễn cảnh tươi sáng của truyền
thông không dây”- theo nhận định của các chuyên gia. Theo đó thay vì phải tìm kiếm
các điểm truy nhập WiFi, người sử dụng máy tính xách tay hoặc các thiết bị di động có

thể kết nối trực tiếp thông qua WiMAX . Nói cách khác, WiMAX cho phép tạo điểm
truy nhập có tầm bao phủ trong toàn thành phố.
Tương tự như điện thoại di động, kết nối WiMAX cũng sẽ ổn định ngay cả khi
người dùng (hoặc thiết bị) di động. Dự kiến, WiMAX sẽ phổ biến trong những năm
cuối của thập kỷ này. Intel, một trong những công ty tiên phong về WiMAX, đã lên kế
hoạch tích hợp công nghệ này trực tiếp trên các chip Centrino dành cho máy tính xách
tay.
Hiện tại, việc triển khai WiMAX vẫn đang diễn ra ở các thành phố lớn. Seatle
(Mỹ) là một ví dụ điển hình. Do điều kiện địa lý, việc triển khai kết nối Internet băng
rộng thông qua các kênh thuê bao kỹ thuật số (DSL) hoặc cáp là một giải pháp tốn
kém, ít khả thi. Trong bối cảnh đó, Seatle đã mạnh dạn triển khai WiMAX . Dự kiến
vào cuối thập kỹ này, kết nối băng rộng không dây sẽ hiện diện ở hầu hết các khu vực
trên nước Mỹ.

10


1.5. LỢI ÍCH CỦA CÔNG NGHỆ 802.16
•

Bảo vệ về giá thành và đầu tư:
Các nhà cung cấp dịch vụ có thể sử dụng thiết bị của nhiều nhà cung cấp khác nhau mà
thiết bị đó đã được cấp chứng nhận WiMAX Certified™ .
•

Tầm hoạt động xa hơn (Tới 50 km)
Hiệu suất phổ Bits/second/Hz cao hơn ở khoảng cách xa hơn. Dễ dàng thêm vào một
giải quạt mới tăng dung lượng kênh trên vùng phủ sóng một cách linh động, cho phép
các nhà điều hành ổn định mạng khi số lượng khách hàng tăng đột biến. Độ rộng kênh
linh hoạt dựa trên việc định vị dải phổ cho cả dải phổ có cấp phép và dải phổ không

giấy phép.
• Độ bao phủ: Các kĩ thuật hiện đại (tạo lưới, tạo chùm, MIMO) làm cho khả năng
NLOS càng hoàn hảo hơn. Giám sát hệ thống tăng lên cho phép qua trình thâm nhập
tốt hơn ở khoảng cách xa.
• Chất lượng phục vụ: TDMA động (Grant/Request) MAC hỗ trợ cảm nhận các dịch
vụ tiềm tàng mới như voice và video. Nhiều mức dịch vụ khác nhau cho phép định vị
băng thông theo yêu cầu của dịch vụ: Ví dụ T1/E1 cho thuê; Hiệu suất tốt nhất cho khu
dân cư.
•

Cho phép triển khai dịch vụ kết cuối thuê bao băng rộng không dây trong khi vẫn
hoàn toàn tương thích với công nghệ Wi-Fi 802.11. Các nhà cung cấp dịch vụ có thể sử
dụng thiết bị 802.16 để kết nối tin cậy các luồng tốc độ T1/E1 hoặc cao hơn tới điểm
truy nhập Wi- Fi 802.11. Hiện nay, cần nhiều thời gian để nhà cung cấp dịch vụ cấp
một đường truyền T1/E1 cho khách hàng. Với công nghệ không dây băng thông rộng,
nhà cung cấp dịch vụ có thể cung cấp dịch vụ với chất lượng tương tự hoặc tốt hơn chỉ
với vài ngày và chi phí lại rẻ hơn. Trong cùng điều kiện, một nhà cung cấp dịch vụ có
thể đáp ứng cung cấp băng thông theo yêu cầu dịch vụ cho các sự kiện chẳng hạn như:
hội chợ, triển lãm, hoặc cho các khách hàng không cố định vị trí chẳng hạn công
trường đều cần kết nối không thường xuyên.

11


1.6. MỘT SỐ ỨNG DỤNG ĐIỂN HÌNH [5]
Phủ sóng trong phạm vi rộng, tốc độ truyền tin lớn, hổ trợ đồng thời nhiều thuê
bao và cung cấp các dịch vụ như: VoIP, Video mà ngay cả ADSL hiện tại cũng chưa
đáp ứng được những đặc tính ưu việt cơ bản của WiMAX. Các đường ADSL ở những
khu vực mà trước đây đường dây chưa tới được thì nay đã có thể truy nhập được
Internet. Các công ty với nhiều chi nhánh trong thành phố có thể không cần lắp đặt

mạng LAN của riêng mình mà chỉ cần đặt một trạm phát BTS phủ sóng trong cả khu
vực hoặc đăng ký thuê bao hàng tháng với công ty cung cấp dịch vụ. Để truy nhập tới
mạng, mỗi thuê bao được cung cấp một mã số riêng và được hạn chế bởi quyền truy
nhập theo tháng hay theo khối lượng thông tin mà bạn nhận được từ mạng.
Bên cạnh đó hệ thống WiMAX sẽ giúp cho các nhà khai thác di động không còn
phải phụ thuộc vào các đường truyền phải đi thuê của các nhà khai thác mạng hữu
tuyến, cũng là đối thủ cạnh tranh của họ. Hầu hết hiện nay đường truyền dẫn giữa BSC
và MSC hay giữa các MSC chủ yếu được thực hiện bằng các đường truyền dẫn cáp
quang hoặc các tuyến viba điểm-điểm. Phương pháp thay thế này có thể giúp các nhà
khai thác dịch vụ thông tin di động tăng dung lượng để triển khai các dịch vụ mới với
phạm vi phủ sóng rộng mà không làm ảnh hưởng đến mạng hiện tại. Ngoài ra,
WiMAX với khả năng phủ sóng rộng, khắp mọi ngõ ngách của thành thị cũng như
nông thôn sẽ là một công cụ hổ trợ đắc lực trong các lực lượng công an, lực lượng cứu
hỏa hay các tổ chức cứu hộ khác có thể duy trì thông tin lien lạc trong nhiều điều kiện
thời tiết, địa hình khác nhau.
Hiện tại có nhiều thành phố trên thế giới ở Mỹ, Nhật, Trung Quốc, Hàn Quốc…
đã có kế hoạch triển khai WiMAX. Ngay cả Microsoft cũng quan tâm và coi trọng
WiMAX như là một tiêu chuẩn và sẽ tích hợp trong các phân mềm của mình vào mạng.
Dự đoán các sản phẩm tích hợp WiMAX với máy tính cũng sẽ được cho ra mắt thị
trường vào cuối 2006.

12


- Mạng trục tế bào (Cellular Backhaul)
Băng thông của 802.16 là sự lựa chọn hoàn hảo cho mạng trục triển khai cho mạng
doanh nghiệp như thiết lập các điểm truy cập hotspot cũng như các ứng dụng mạng
trục điểm-điểm
- Mạng băng thông rộng theo yêu cầu
Với đặc tính kỹ thuật của băng thông rộng và triển khai dễ dàng, 802.16 kết hợp với

802.11 cung cấp cho người sử dụng các dịch vụ kết nối vô cùng linh hoạt về tốc độ và
lắp đặt thiết bị. Khả năng đáp ứng theo yêu cầu cho phép cung cấp kết nối tốc độ cao
tức thời ngay khi có yêu cầu.
- Cung cấp dịch vụ cho các thuê bao băng rộng cố định
Việc triển khai mạng cáp gặp rất nhiều khó khăn và chi phí lớn khi thực hiện trong đô
thị. Ví dụ mạng DSL truyền thống chỉ có khả năng cấp tới thuê bao cách Trung tâm tối
đa 4-5km. 802.16 hoàn toàn khắc phục điều đó.
- Dịch vụ kết nối không dây hoàn hảo
Hiện nay, rất nhiều điểm truy cập 802.11 đã được lắp đặt. Người sử dụng luôn muốn
họ duy trì kết nối ngay cả khi ngoài vùng hoạt động của các điểm truy cập này. Phiên
bản 802.16e cung cấp khả năng kết nối di động cho phép người dùng truy nhập mạng
ngay cả khi ở bên ngoài khu vực làm việc.

13