Ứng dụng kỹ thuật OFDMA trong WiMAX

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

ỨNG DỤNG KỸ THUẬT
OFDMA TRONG WiMAX

Giảng viên hướng dẫn
Cán bộ phản biện
Sinh viên thực hiện
Lớp

: ThS. Nguyễn Thị Kim Thu
: ThS. Lê Thị Kiều Nga
: Nguyễn Đình Thìn
: 48K-ĐTVT

Nghệ An 1/2012

1


MỤC LỤC

Lời nói đầu.............................................................................................................
Tóm tắt đồ án.........................................................................................................

Danh mục các bảng biểu.......................................................................................
Danh mục các hình vẽ...........................................................................................
Danh mục các chữ viết tắt.....................................................................................
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX...................12
1.1 Giới thiệu chương..........................................................................................
1.2 Giới thiệu về WiMAX...................................................................................12
1.3 Mô hình hệ thống...........................................................................................14
1.4 Các ưu và nhược điểm của công nghệ WiMAX............................................17
1.4.1 Một số ưu điểm chính của công nghệ WiMAX....................................17
1.4.2 Một số nhược điểm của công nghệ WiMAX........................................19
1.5 Cấu trúc của WiMAX....................................................................................20
1.5.1 Các đặc tính của lớp vật lý (PHY)........................................................20
1.5.2 Các đặc tính của lớp truy nhập (MAC)................................................22
1.6 Các chuẩn của WIMAX................................................................................
1.6.1 Chuẩn cơ bản 802.16............................................................................
1.6.2 Các chuẩn bổ sung (Amendments) của WIMAX.......................................
1.7 So sánh WiMAX với WiFi............................................................................25
1.8 Các dải tần áp dụng.......................................................................................29
1.9 Ứng dụng của WiMAX.................................................................................31
1.9.1 Các mạng riêng.....................................................................................31
1.9.1.1 Chuyển về các nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến............................32
1.9.1.2 Các mạng giáo dục......................................................................33
1.9.1.3 An ninh công cộng.......................................................................35
1.9.1.4 Các phương tiện liên lạc xa bờ....................................................36
1.9.2 Các mạng công cộng............................................................................

2


1.9.2.1 Nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến truy cập mạng...........................

1.9.2.2 Kết nối nông thôn........................................................................40
1.10 Kết Luận chương.........................................................................................
CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM..............................................12
2.1 Giới thiệu chương..........................................................................................
2.2 Giới thiệu kỹ thuật điều chế OFDM..............................................................42
2.2.1 Khái niệm.............................................................................................42
2.2.2 Lịch sử phát triển..................................................................................45
2.2.3 Sơ đồ hệ thống......................................................................................
2.3 Nguyên lý điều chế OFDM...........................................................................48
2.3.1 Sự trực giao của hai tín hiệu.................................................................48
2.3.2 Sơ đồ điều chế......................................................................................52
2.3.3 Thực hiện điều chế bằng thuật toán IFFT.............................................53
2.3.4 Chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM...................................................54
2.3.5 Phép nhân với xung cơ bản..................................................................56
2.4 Nguyên lý giải điều chế OFDM....................................................................56
2.4.1 Truyền dẫn phân tập đa đường.............................................................56
2.4.2 Nguyên tắc giải điều chế......................................................................57
2.5 Ứng dụng và hướng phát triển của kỹ thuật điều chế OFDM.......................59
2.5.1 Hệ thống DRM.....................................................................................59
2.5.2 Các hệ thống DVB................................................................................60
2.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến OFDM và giải pháp khắc phục...........................
2.6.1 Nhiễu ISI (Inter-Symbol interference) và giải pháp khắc phục...........
2.6.2 Nhiễu ICI(Inter-Channel Interference) và giải pháp khắc phục
.............................................................................................................................
2.6.3 Cải thiện hiệu năng hệ thống trên cơ sở sử dụng mã Gray ......
2.6.4 Nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần.............................................
2.7 Các ưu và nhược điểm của kĩ thuật OFDM...................................................
2.7.1 Ưu điểm................................................................................................

3

2.7.2 Nhược điểm..........................................................................................
2.8 Kết luận chương............................................................................................
CHƯƠNG 3 KỸ THUẬT OFDMA TRONG WIMAX.................................72
3.1 Giới thiệu chương..........................................................................................
3.2 Giới thiệu kỹ thuật OFDMA.........................................................................72
3.3 Đặc điểm........................................................................................................74
3.4 Độ rộng dải tần, số lượng kênh con và khung dữ liệu của OFDMA trong
WiMAX...............................................................................................................
3.5 OFDMA nhảy tần..........................................................................................81
3.6 Hệ thống OFDMA.........................................................................................82
3.6.1 Chèn chuỗi dẫn đường ở miền tần số và miền thời gian......................86
3.6.2 Điều chế thích nghi...............................................................................87
3.6.3 Các kỹ thuật sửa lỗi..............................................................................89
3.6.3.1 Mã hóa LDPC (Low-Density-Parity-Check)...............................
3.6.3.2 Mã hoá Reed-Solomon................................................................
3.7 Điều khiển công suất.....................................................................................94
3.8 Kết luận chương............................................................................................
Kết luận và hướng phát triển đề tài.....................................................................
Tài liệu tham khảo...............................................................................................

4


LỜI NÓI ĐẦU
Sự ra đời của chuẩn 802.16 cho mạng WiMAX (Worldwide
Interoperability for Microwave Access - Khả năng tương tác toàn cầu với
truy nhập vi ba) nó đánh dấu sự bắt đầu cho một kỷ nguyên truy nhập không
dây băng rộng cố định đang đến giai đoạn phát triển. Nó mang đến những

thách thức lớn cho mạng hữu tuyến hiện tại vì nó có một chi phí thấp khi lắp
đặt và bảo trì. Chuẩn này cũng áp dụng cho mạng truyền thông vô tuyến
đường dài (lên tới 50km) trong thực tế và có thể sẽ là một sự bổ sung hoặc
thay thế cho mạng 3G. Tất cả những đặc tính đầy hứa hẹn này của WiMAX
sẽ mang lại một thị trường lớn trong tương lai.
Xuất phát từ những vấn đề nêu trên, em đã lựa chọn đề tài “ỨNG
DỤNG KỸ THUẬT OFDMA TRONG WiMAX”.
Mục tiêu đầu tiên của đồ án này là nghiên cứu những đặc tính mới của
WiMAX và tập trung chủ yếu vào việc phân tích lớp vật lý và lớp truy nhập.
Mục tiêu thứ hai là tìm hiểu về kỹ thuật điều chế OFDM (Orthogonal
Frequency Division Multiple – Ghép kênh phân tần trực giao) và kỹ thuật
OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access - Đa truy nhập
phân tần trực giao) được sử dụng trong WiMAX.
Nội dung đồ án gồm 3 chương chính như sau :
Chương 1: Tổng quan về công nghệ WiMAX. Trong chương 1 này sẽ
trình bày về những khái niệm cơ bản, về cấu trúc, các băng tần sử dụng, các
ứng dụng thực tế và những ưu nhược điểm của công nghệ WiMAX.
Chương 2: Kỹ thuật điều chế OFDM. Trong chương 2 sẽ trình bày
những khái niệm cơ bản, ưu nhược điểm, nguyên lý điều chế và giải điều chế
của kỹ thuật điều chế OFDM, và những ứng dụng của kỹ thuật này.
Chương 3: Kỹ thuật OFDMA trong WiMAX. Trong chương này sẽ
trình bày về những khái niệm cơ bản, các đặc điểm và tính chất nổi bật của kỹ

5


thuật đa truy nhập phân tần trực giao OFDMA. Qua đó chúng ta có thể thấy
được những ưu điểm của kỹ thuật này trong việc xử lý truyền nhận tín hiệu
nói chung và ứng dụng trong công nghệ WiMAX nói riêng.
Trong thời gian làm đồ án, em đã cố gắng rất nhiều song do kiến thức

còn hạn chế, thời gian nghiên cứu đề tài có hạn và nguồn tài liệu chủ yếu là
các bộ chuẩn và các bài báo tiếng Anh trên mạng nên đồ án còn nhiều sai sót
trong quá trình dịch thuật. Em rất mong nhận được sự phê bình, các ý kiến
đóng góp chân thành của các thầy cô và các bạn để đồ án được hoàn thiện
hơn.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô giáo trong khoa,
trong tổ viễn thông đặc biệt là cô giáo Th.S. Nguyễn Thị Kim Thu đã tận tình
hướng dẫn cho em, mình xin cảm ơn các bạn trong lớp đã giúp đỡ mình trong
quá trình làm đồ án!
Vinh, tháng 12 năm 2011
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Đình Thìn

6


TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Kỹ thuật OFDM được lựa chọn làm phương pháp điều chế sử dụng trong
mạng thông tin thành thị băng rộng WiMAX theo tiêu chuẩn IEEE 802.16a và
hệ thống thông tin di động thứ tư 4G. Trong 4G, kỹ thuật OFDM sẽ
được kết hợp với kỹ thuật đa anten thu phát MIMO nhằm nâng cao dụng
lượng kênh thông tin vô tuyến, hay kế thợp với CDMA nhằm phục vụ dịch vụ
đa truy nhập. WiMAX sử dụng công nghệ OFDM ở giao diện vô tuyến để
truyền tải dữ liệu và cho phép các thuê bao truy nhập kênh.
Trong đồ án này, chúng ta sẽ tìm hiểu về hệ thống thông tin vô tuyến nói
chung và hệ thống sử dụng kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao OFDM,
kỹ thuật đa truy nhập sử dụng đa sóng mang trực giao OFDMA nói riêng. Ta
sẽ tìm hiểu về mô hình hệ thống OFDM, tạo và thu tín hiệu OFDM,tìm
hiểu, phân tích công nghệ WiMAX và kỷ thuật xử lý OFDM trong

WiMAX.
OFDM technique was selected as a modulation method used in the
information network of urban broadband WiMAX standard IEEE 802.16a and
information systems 4G Mobile Wednesday. In 4G, OFDM techniques are
combined with multi-antenna transceiver techniques to improve the use of
MIMO wireless communication channels, or plan to serve soft spot for
CDMA multiple access services. WiMAX uses OFDM technology in the
radio interface for data transfer and allows subscribers to access the channel.
In this project, we will learn about information systems in general and
radio systems using modulation technique OFDM multi-carrier orthogonal,
multiple

access

techniques

using

orthogonal

multi-carrier

OFDMA

particular . I will find out OFDM system model, create and OFDM receivers,

7


learn, analyze WiMAX technology and technology in the WiMAX OFDM

processing.
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1. Đặc tính của các giao diện vô tuyến…………. .………………… 19
Bảng 2.1. So sánh giữa DVB-T và DVB-H.......................... ..........................53
Bảng 2.2. Bảng chuyển đổi mã Gray………………………...………………57
Bảng 3.1. Độ rộng dải tần và số lượng kênh truyền con OFDMA của WiMAX di
động…………………………………………………………….....………............68

8


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Mô hình hệ thống WiMAX…………………………...……………3
Hình 1.2. Miền Fresnel trong trường hợp LOS…………………....………….4
Hình 1.3. Truyền sóng trong trường hợp NLOS…………………...………....5
Hình 1.4. Phân lớp của WiMAX so với mô hình OSI.....................................12
Hình 1.5. Minh hoạ chuyển về nhà cung cấp dịch vụ……………. .………...21
Hình 1.6. Minh hoạ về mạng giáo dục……………………………. .………..23
Hình 1.7. Minh hoạ về mạng an ninh công cộng………………...…………..25
Hình 1.8. Minh hoạ về mạng liên lạc xa bờ………………………. .………..26
Hình 1.9. Minh hoạ về mạng WiMAX của nhà cung cấp dịch vụ…. .………28
Hình 1.10. Minh hoạ về mạng WiMAX cho kết nối ở vùng nông thôn…..…29
Hình 2.1. Kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a) và kỹ thuật sóng mang
chồng xung (b)…………………………………………………………...…..32
Hình 2.2. Sơ đồ hệ thống OFDM……………………………. .……………..35
Hình 2.3. Tín hiệu và phổ OFDM……………………………. .……………36
Hình 2.5. Bộ điều chế OFDM…………………………………. .…………...41
Hình 2.6. Chuỗi bảo vệ GI………………………………………...…………43

Hình 2.7. Tác dụng của chuỗi bảo vệ……………………………. .………...44
Hình 2.8. Xung cơ bản……………………………………………...………..45
Hình 2.9. Mô hình kênh truyền………………………………. .…………….46
Hình 2.10. Bộ thu tín hiệu OFDM...................................................................46
Hình 2.11. Tách chuỗi bảo vệ……………………………………...………...47
Hình 2.12. Hệ thống DRM………………………………………. .………...49
Hình 2.13. Sơ đồ khối bộ DVB-T…………………………………. .………50
Hình 3.1. ODFM và OFDMA………………………………. .……………..65

9


Hình 3.2. Ví dụ của biểu đồ tần số, thời gian với OFDMA……. .…………..67
Hình 3.3. Một khung dữ liệu OFDMA trong WiMAX…………………..………….69
Hình 3.4. Biểu đồ tần số thời gian với 3 người dùng nhảy tần a, b, c đều có 1
bước nhảy với 4 khe thời gian………………………………….....…………70
Hình 3.5. Sáu mẫu nhảy tần trực giao với 6 tần số nhảy khác nhau…. .…...71
Hình 3.6. Tổng quan hệ thống sử dụng OFDMA……………………..……..71
Hình 3.7. Mẫu tín hiệu dẫn đường trong OFDMA……………………..……72
Hình 3.8. OFDMA downlink…………………………………………...……73
Hình 3.9. Cấu trúc cụm trong OFDMA downlink……………………...……73
Hình 3.10. OFDMA uplink……………………………………………. .…...74
Hình 3.11. Cấu trúc cụm trong OFDMA uplink………………………. .…...74
Hình 3.12. Chèn chuỗi dẫn đường trong miền tần số và thời gian……..……75
Hình 3.13. Điều chế thích nghi…………………………………………...….77
Hình 3.13. Ví dụ về một ma trận mã LDPC……………………………...….79
Hình 3.14. Sơ đồ tạo mã RS……………………………………………...….82
Hình 3.15. Sơ đồ syndrome thu của RS………………………………. .……83

10

BẢNG THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Thuật ngữ
2G
3G
4G
A
AAS

Nghĩa tiếng Anh
Second Generation
Third Generation
Fourth Generation

Nghĩa tiếng Việt
Hệ thống thông tin di động thế hệ 2
Hệ thống thông tin di động thế hệ 3
Hệ thống thông tin di động thế hệ 4

Adaptive Antenna System

Hệ thống anten thích ứng

ADSL

Asymmetric Digital subcribe

Mạng số truy câp internet băng rộng

AM
AWGN
AMC
ARPU

Line
Amplified modulation
Điều biên
Addictive White Gausse Noise Nhiễu trắng cộng
Adaptive modulation and coding Mã hóa và điều chế thích nghi
Average Revenue Per User
thu nhập trung bình trên mỗi người sử

ARQ
B
BS
BTS
BPSK
BER
BCH
BWA
C
CDMA
CIR
CTR
CP
CID
D

dụng
Tự động yêu cầu lặp lại

Automatic repeat request
Base Station
Base Tranceiver Station
Binary phase shift keying
Bit error Rate
Bose-Chaudhuri-Hocquenghem
Broadband Wireless Access

Trạm gốc
Trạm thu phát gốc
Điều chế pha 2 mức
Tỷ lệ lỗi bít

Code Division Multiple Access
Channel Impulse Response
Channel Transfer Function
Cyclic Prefix
Connection Identifer

Đa truy nhập phân chia theo mã
Đáp ứng xung kênh
Chức năng kênh chuyển giao
Tiền tố chu kỳ
kết nối

11

Truy cập không dây băng thông rộng


DAB
DL
DSL
DVB-T

Digital Audio Broad casting
Downlink
Digital Subcriber Line
Digital Video Broadcasting-

Âm thanh kỷ thuật số
Đường xuống
kênh thuê bao số
Truyền hình số mặt đất quảng bá mặt

DVB-H

Terrestrial
Digital Video Brocasting-

đất
Truyền hình số mặt đất quảng bá cầm

Handheld
Digital Radio Mondiale
Furrier transform discrete

tay
Đài phát thanh kỷ thuật số
Biến đổi Furrier rời rạc

Equipment Identity Register
Evolved UMTS Terrestrial

Bộ ghi nhận dạng thiết bị
Phát triển truy cập phổ vô tuyến mặt

Radio Access

đất

Fast fourrier transform
Frequency Division Deplex
Forward Error Correcting

Chuyển đổi fourier nhanh
Song công theo tần số
Sữa lỗi lũy tiến

General Packet Radio Service
Global System For Mobile

Dịch vụ vô tuyến gói chung
Hệ thống thông tin di động toàn cầu

DRM
DFT

E
EIR
EUTRA
F
FFT
FDD
FEC
G
GPRS
GSM

Communications
H
HARQ
I
IP
ISDN

Hybrid automatic repeat request Kĩ thuật sửa lỗi bằng dò lặp
Internet Protocol
Integrated Sevices Digital

Giao thức Internet
Mạng số tích hợp đa dịch vụ

IDFT

Network
Furrier transform the discrete

Biến đổi Furrier rời rạc ngược

ICI
IEEE

opposite
Inter-carrier interference
Institute of Electrical and

Nhiễu giữa các sóng mang
Viện các kỹ sư điện và điện tử

ElectronicsEngineers

12


ISI
IFFT
L
LOS
LTE
LDPC
M
MAC
MAI
MIMO
MPEG
N
NLOS

O
OFDM

Inter-symbol interference
Inverse Fast Fourier Trasform

Nhiễu giữa các biểu tượng
Biến đổi Fourier ngược nhanh

Line of sight
Long Term Evolution
Low-Density-Parity-Check

Tầm nhìn thẳng
Phát triển dài hạn
Kiểm tra mật độ

Medium Access Control
multiplex access interference
Multiple input multiple Output
Moving Pictues Expert Group

Điều khiển truy nhập môi trường
Nhiễu đa truy cập
Hệ thống đa anten phát và thu
Các tiêu chuẩn nén

Noneline of sight

Không phải tầm nhìn thẳng

Orthogonal Frequency Division Ghép kênh phân chia theo tần số trực

Multiplexing
giao
OFDMA Orthogonal Frequency Division Đa truy cập phân chia theo tần số trực
P
PSK
PHY
Q
QAM

Multiplexing Access

giao

Phase shift keying
Physical Layer

Điều pha
Lớp vật lý

Quadrature Amplitude

Điều chế biên độ cầu phương

Modulation
Quadrature phase shift keying
Quality of Service

Điều chế cầu phương PSK
Chất lượng dịch vụ

QPSK
QoS
R
RC
Rised Cosin
S
SOFDMA Scalable Orthogonal Frequency
Division Multiplex access

13

Khoảng bảo vệ cosin tăng
Ghép kênh phân chia theo tầnsố trực
giao theo tỉ lệ


SER
SC
SNR
S/P
T
Tc
TDD
U
UMTS
UL
UTRA

V
VCO
VLAN
VoIP
W
WiMAX
WLAN
WMAN

Symbol Error Rate
Single Carrier
Signal noise to ratio
Serial/Parrallel

Tỷ lệ biểu tượng lỗi
Sóng mang đơn
Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm
nối tiếp/song song

Time Channel coherence
Time Division Duplex

Kết nối kênh thời gian
Song công theo thời gian

Universal Mobile

Hệ thống viễn thông di động toàn cầu

Telecommunications System

Uplink
Đường lên
UMTS Terrestrial Radio Access Truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS
Voltage Controlled Oscillator
virtual local area network
Voice over IP

Điện áp kiểm soát
Mạng cục bộ ảo
Thoại trên IP

Worldwide Interoperability for

Khả năng tương tác toàn cầu với truy

Microwave Access
Wireless Local Area Network
Wireless Metropolitan Area

nhập vi ba
Mạng cục bộ vô tuyến
Mạng vô tuyến đô thị

Network

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WiMAX
1.1. Giới thiệu chương

14

Trong chương 1 này sẽ tìm hiểu về những khái niệm cơ bản, về cấu trúc,
các băng tần sử dụng trong hệ thống mạng WiMAX. Qua đó chúng ta có thể
thấy được các ứng dụng thực tế và những ưu, nhược điểm của công nghệ
WiMAX so với các phương thức truyền thông khác.
1.2. Giới thiệu về WiMAX

WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access - Khả năng
tương tác toàn cầu với truy nhập vi ba) là một công nghệ ra đời dựa trên
chuẩn 802.16 của IEEE cho phép truy cập vô tuyến đầu cuối (last mile) như
một phương thức thay thế cho cáp, DSL và WLAN.
Họ tiêu chuẩn IEEE 802.16 định nghĩa các giao diện vô tuyến trong mạng
vô tuyến nội thị (WiMAX) cho việc truy nhập vô tuyến băng rộng cố định
(BWA), nó cung cấp “chặng cuối” cho công nghệ truy nhập tới các hotpot với
thoại, video và những dịch vụ dữ liệu tốc độ cao. Ưu điểm nổi bật nhất của
BWA là nó có chi phí thấp cho sự lắp đặt và bảo trì so với những mạng hữu
tuyến truyền thống hoặc so với mạng truy nhập quang, đặc biệt là cho những
vùng xa xôi hoặc những vùng có địa hình khó khăn. WiMAX chính là một
giải pháp cho việc mở rộng mạng truyền dẫn quang và nó có thể cung cấp một
dung lượng lớn hơn so với các mạng cáp hoặc các đường thuê bao số (DSL).
Các mạng WiMAX có thể được xây dựng dễ dàng trong một thời gian ngắn
bằng cách triển khai một số lượng nhỏ các trạm gốc (BS) trên các toà nhà
hoặc trên các cột điện để tạo ra những hệ thống truy nhập vô tuyến dung
lượng lớn.
Hệ thống WiMAX cho phép kết nối băng rộng vô tuyến cố định (người
sử dụng có thể di chuyển nhưng cố định trong lúc kết nối), mang xách được
(người sử dụng có thể di chuyển ở tốc độ đi bộ), di động với khả năng phủ
sóng của một trạm anten phát lên đến 50km dưới các điều kiện tầm nhìn thẳng
(LOS) và bán kính lên tới 8km không theo tầm nhìn thẳng (NLOS).
- WIMAX có 2 mô hình ứng dụng là cố định và di động:

+ Mô hình ứng dụng WIMAX cố định (Fixed WIMAX)

15


Mô hình cố định sử dụng các thiết bị theo tiêu chuẩn IEEE.802.16-2004.
Tiêu chuẩn này gọi là “không dây cố định” vì thiết bị thông tin làm việc với
các anten đặt cố định tại nhà các thuê bao. Anten đặt trên nóc nhà hoặc trên
cột tháp tương tự như chảo thông tin vệ tinh. Tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004
cũng cho phép đặt anten trong nhà nhưng tất nhiên tín hiệu thu không tốt bằng
anten ngoài trời. Băng tần công tác (theo quy định và phân bổ của quốc
gia) trong băng 2,5GHz hoặc 3,5GHz. Độ rộng băng tầng là 3,5MHz.
Trong mạng cố định, WiMAX thực hiện cách tiếp nối không dây đến các
modem cáp, đến các đôi dây thuê bao của mạch xDSL hoặc mạch
Tx/Ex (truyền phát/chuyển mạch) và mạch OC-x (truyền tải qua sóng
quang).[1]
WiMAX cố định có thể phục vụ cho các loại người dùng như: các xí
nghiệp, các khu dân cư nhỏ lẻ, mạng cáp truy nhập WLAN công cộng
nối tới mạng đô thị, các trạm gốc BS của mạng thông tin di động và
các mạch điều khiển trạm BS. Về cách phân bố theo địa lý, người
dùng có thể phân tán tại các địa phương như nông thôn và các vùng sâu
vùng xa khó đưa mạng cáp hữu tuyến đến đó.[1]
+ WIMAX di động (Mobile WIMAX).
Mô hình WiMAX di động sử dụng các thiết bị phù hợp với tiêu chuẩn
IEEE802.16e được 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
động, làm việc trong băng tần thấp hơn 6GHz. Mạng lưới này phối hợp
cùng WLAN, mạng di động cellular 3G có thể tạo thành mạng di động có
vùng phủ sóng rộng. Hy vọng các nhà cung cấp viễn thông hiệp đồng cộng
tác để thực hiện được mạng viễn thông số truy nhập không dây có

phạm vi phủ sóng rộng thỏa mãn được các nhu cầu đa dạng của thuê bao.[1]
WIMAX di động cũng có các đặc điểm giống EV-DO hoặc HSxPA nhằm
tăng tốc độ truyền thông (Data Rate). Những đặc điểm đó bao gồm: mã hoá
và điều chế thích nghi (Adaptive Modulation and coding-AMC), kĩ thuật sửa

16


lỗi bằng dò lặp (Hybrid Automatic Repeat Request-HARQ). Phân bố nhanh
(Fast Scheduling) và chuyển giao mạng (Handover) nhanh và hiệu quả.
1.3. Mô hình hệ thống

Mô hình phủ sóng mạng WiMAX tương tự như một mạng điện thoại di
động được cho trên hình 1.1.

Hình 1.1. Mô hình hệ thống WiMAX
- Một hệ thống WiMAX được mô tả như hình trên gồm có 2 phần :
+ Trạm phát: giống như các trạm BTS trong mạng thông tin di động
với công suất lớn.

17


+ Trạm thu: có thể là các anten nhỏ như các loại card mạng tích hợp
(hay gắn thêm) trên các mainboard của máy tính như WLAN.
Các trạm phát được kết nối tới mạng Internet thông qua các đuờng truyền
Internet tốc độ cao hay kết nối tới các trạm khác như là trạm trung chuyển
theo đường truyền trực xạ (line of sight) nên WiMAX có thể phủ sóng đến
những khu vực xa.

Miền Fresnel thứ nhất

Hình 1.2. Miền Fresnel trong trường hợp LOS
Các anten thu phát có thể trao đổi thông tin qua qua các đường truyền
LOS hay NLOS. Trong trường hợp truyền thẳng LOS, các anten được đặt
cố định tại các điểm trên cao, tín hiệu trong trường hợp này ổn định và đạt
tốc độ truyền tối đa. Băng tần sử dụng có thể ở tần số cao, khoảng 66GHz,
vì ở tần số này ít bị giao thoa với các kênh tín hiệu khác và băng thông sử

18


dụng lớn. Một đường truyền LOS yêu cầu phải có đặc tính là toàn bộ miền
Fresnel thứ nhất không hề có chướng ngại vật, nếu đặc tính này không được
bảo đảm thì cường độ tín hiệu sẽ suy giảm đáng kể. Không gian miền Fresnel
phụ thuộc vào tần số hoạt động và khoảng cách giữa trạm phát và trạm thu.
Trong trường hợp truyền NLOS, hệ thống sử dụng băng tần thấp hơn 211GHz, tương tự như WLAN, tín hiệu có thể vượt các vật chắn thông qua
đường phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ …để đến đích. Các tín hiệu nhận được ở phía
thu bao gồm sự tổng hợp các thành phần nhận được từ đường đi trực tiếp, các
đường phản xạ, năng lượng tán xạ và các thành phần nhiễu xạ. Những tín hiệu
này có những khoảng trễ, sự suy giảm, sự phân cực và trạng thái ổn định liên
quan tới đường truyền trực tiếp là khác nhau.

Hình 1.3. Truyền sóng trong trường hợp NLOS
Hiện tượng truyền sóng đa đường cũng là nguyên nhân dẫn đến sự thay
đổi phân cực tín hiệu. Do đó sử dụng phân cực cũng như tái sử dụng tần số

19

mà được thực hiện bình thường trong triển khai LOS lại khó khăn trong các
ứng dụng NLOS. Nếu chỉ đơn thuần tăng công suất phát để “vượt qua” các
chướng ngại vật không phải là công nghệ NLOS. Điều kiện phủ sóng của cả
LOS và NLOS bị chi phối bởi các đặc tính truyền sóng của môi trường, tổn
hao trên đường truyền (path loss) và quỹ công suất của đường truyền vô
tuyến.
1.4. Các ưu và nhược điểm của công nghệ WiMAX
1.4.1. Một số ưu điểm chính của công nghệ WiMAX

- Lớp vật lí của WiMAX dựa trên nền kĩ thuật OFDM (ghép kênh phân
tần trực giao).
+ Kỹ thuật này giúp hạn chế hiệu ứng phân tập đa đường, cho phép
WiMAX hoạt động tốt trong môi truờng NLOS nên độ bao phủ rộng hơn, do
đó khoảng cách giữa trạm thu và trạm phát có thể lên đến 50km.
+ Cũng nhờ kĩ thuật OFDM, phổ các sóng mang con có thể chồng lấn lên
nhau nên sẽ tiết kiệm, sử dụng hiệu quả băng thông và cho phép truyền dữ
liệu với tốc độ cao: phổ tín hiệu 10MHz hoạt động ở chế độ TDD (song công
phân thời) với tỉ số đường xuống/đường lên (downlink-to-uplink ratio) là 3:1
thì tốc độ đỉnh tương ứng sẽ là 25Mbps và 6.7Mbps.
- Hệ thống WiMAX có công suất cao.
+ Trong WiMAX hướng truyền tin chia thành hai đường : hướng
lên(uplink) và hướng xuống (downlink), hướng lên có tần số thấp hơn hướng
xuống và đều sử dụng kĩ thuật OFDM. OFDM sử dụng tối đa 2048 sóng
mang, trong đó 1536 sóng mang dành cho thông tin được chia thành 32 kênh
con, mỗi kênh con tương đương 48 sóng mang. WiMAX còn sử dụng thêm
điều chế nhiều mức thích ứng từ BPSK, QPSK đến 256 - QAM kết hợp các
phương pháp sửa lỗi như ngẫu nhiên hoá, mã hoá sửa lỗi Reed Solomon, mã
xoắn tỉ lệ mã từ 1/2 đến 7/8, làm tăng độ tin cậy kết nối với hoạt động phân
loại sóng mang và tăng công suất qua khoảng cách xa hơn.

20


+ Ngoài ra WiMAX còn cho phép sử dụng công nghệ TDD và FDD cho
việc phân chia truyền dẫn hướng lên và hướng xuống.
- Lớp MAC dựa trên nền OFDMA (Orthogonal Frequency Division
Multiple Access- truy nhập OFDM).
Độ rộng băng tần của WiMAX từ 5MHZ đến trên 20MHz được chia nhỏ
thành nhiều băng con 1.75Mhz, mỗi băng con này được chia nhỏ hơn nhờ kỹ
thuật OFDM, cho phép nhiều thuê bao truy cập đồng thời một hay nhiều kênh
một cách linh hoạt, đảm bảo hiệu quả sử dụng băng thông. OFDMA cho phép
thay đổi tốc độ dữ liệu để phù hợp với băng thông tương ứng nhờ thay đổi số
mức FFT ở lớp vật lí; ví dụ một hệ thống WiMAX dùng biến đổi FFT lần lượt
là: 128 bit, 512 bit, 1048 bit tương ứng với băng thông kênh truyền là:
1.25MHz, 5MHz, 10MHz; nhờ vậy sẽ dễ dàng hơn cho user kết nối giữa các
mạng có băng thông kênh truyền khác nhau.
- Chuẩn cho truy cập vô tuyến cố định và di động tương lai
+ WiMAX do diễn đàn WiMAX đề xuất và phát triển dựa trên nền
802.16, tập chuẩn về hệ thống truy nhập vô tuyến băng rộng cho di động
và cố định của IEEE, nên các sản phẩm, thiết bị phần cứng sẽ do diễn đàn
WiMAX chứng nhận phù hợp, tương thích ngược với HiperLAN của ETSI
cũng như WiFi.
+ Hỗ trợ các kĩ thuật anten: phân tập thu phát, mã hoá không gian, mã hoá
thời gian.
+ Hỗ trợ kĩ thuật hạ tầng mạng trên nền IP: QoS (trong các dịch vụ đa
phương tiện, thoại), ARQ (giúp bảo đảm độ tin cậy kết nối), …
- Chi phí thấp
+ Thiết lập, cài đặt dịch vụ WiMAX dễ dàng sẽ giảm chi phí cho nhà
cung dịch vụ cũng như khách hàng.
+ Tạo điều kiện thuận lợi để phát triển các dịch vụ truyền thông đa

phương tiện ở các vùng sâu, vùng xa, những nơi khó phát triển hạ tầng

21


mạng băng rộng, khắc phục những giới hạn của đường truyền Internet
DSL và cáp.
+ CPE vô tuyến cố định có thể sử dụng cùng loại chipset modem
được sử dụng trong máy tính cá nhân (PC) và PDA, vì ở khoảng cách gần
các modem có thể tự lắp đặt trong nhà CPE sẽ tương tự như cáp, DSL và
các trạm gốc có thể sử dụng cùng loại chipset chung được thiết kế cho các
điểm truy cập WiMAX chi phí thấp và cuối cùng là số lượng tăng cũng
thỏa mãn cho việc đầu tư vào việc tích hợp mức độ cao hơn các chipset tần
số vô tuyến (RF), làm chi phí giảm hơn nữa.
1.4.2. Một số nhược điểm của công nghệ WiMAX

- Dải tần WiMAX sử dụng không tương thích tại nhiều quốc gia, làm
hạn chế sự phổ biến công nghệ rộng rãi.
- Do công nghệ mới xuất hiện gần đây nên vẫn còn một số lỗ hổng bảo
mật.
- Tuy được gọi là chuẩn công nghệ nhưng thật sự chưa được “chuẩn” do
hiện giờ đang sử dụng gần 10 chuẩn công nghệ khác nhau. Theo diễn dàn
WiMAX chỉ mới có khoảng 12 hãng phát triển chuẩn WiMAX được chứng
nhận bao gồm : Alvarion, Selex Communication, Airspan, Proxim Wilreless,
Redline, Sequnas, Siemens, SR Telecom, Telsim, Wavesat, Aperto,
Axxcelera.
- Về giá thành: Dù các hãng, tập đoàn sản xuất thiết bị đầu cuối (như
Intel, Alcatel, Alvarion, Motorola…) tham gia nghiên cứu phát triển nhưng
giá thành vẫn còn rất cao.
- Công nghệ này khởi xướng từ nước Mỹ, nhưng thực sự chưa có thông

tin chính thức nào đề cập đến việc Mỹ sử dụng WiMAX như thế nào, khắc
phục hậu quả sự cố ra sao. Ngay cả ở Việt Nam,VNPT (với nhà thầu nước
ngoài là Motorola, Alvarion) cũng đã triển khai ở một số tỉnh miền núi phía
Bắc, cụ thể là ở Lào Cai nhưng cũng chỉ giới hạn là các điểm truy cập Internet

22


tại Bưu điện tỉnh, huyện chứ chưa có những kết luận chính thức về tính hiệu
quả đáng kể của hệ thống.
1.5. Cấu trúc của WiMAX

- Về cấu trúc phân lớp, hệ thống WiMAX được phân chia thành 4 lớp:
+ Lớp con tiếp ứng (convergence) làm giữ vai trò giao diện giữa lớp đa
truy nhập và các lớp bên trên.
+ Lớp đa truy nhập ( MAC layer).
+ Lớp truyền dẫn (transmission).
+ Lớp vật lý (physical layer).
Các lớp này tương đương với 2 lớp dưới cùng cùng của mô hình OSI,
được tiêu chuẩn hoá để giao tiếp với nhiều ứng dụng lớp trên.
1.5.1. Các đặc tính của lớp vật lý ( PHY)

- Có 3 kiểu lớp vật lý ( PHY) được đưa ra trong chuẩn 802.16:
+ WirelessMAN PHY SC: Sử dụng điều chế đơn sóng mang.
+ WirelessMAN PHY OFDM 256 điểm FFT: Sử dụng ghép kênh phân
chia theo tần số trực giao có 256 điểm biến đổi Fourier nhanh (FFT). Điều
này là bắt buộc cho các băng tần được miễn cấp phép.
+ WirelessMAN PHY OFDMA 2048 điểm FFT: Sử dụng đa truy nhập
phân chia theo tần số trực giao có 2048 điểm FFT. Đa truy nhập được sử dụng
bằng cách gửi một tập con nhiều sóng mang cho các máy thu riêng biệt.

Đầu tiên là Wireless Metropolitan Area Network - Single carrier physical
layer (MAN vô tuyến - lớp vật lý đơn sóng mang) dựa trên tập chuẩn 802.16c,
hoạt động ở băng tần 11-66GHz. Trạm gốc (Base Station-BS) chỉ cần một
anten đẳng hướng, truyền dữ liệu hướng xuống các user đã có mã số nhận
dạng kết nối (Connection Identifer - CID). Các máy thu (Subcriber Station SS) với các anten định hướng, hướng về phía các BS (máy phát). Tín hiệu xử
lí phía máy phát bao gồm: ngẫu nhiên hoá, mã hoá sửa lỗi, sắp xếp các kí
hiệu, sửa dạng xung (pulse shaping) truớc khi truyền đi. Ngẫu nhiên hoá

23


để bảo đảm khôi phục tín hiệu phía đầu thu vì nếu tín hiệu không được
mã hoá giả ngẫu nhiên thì năng lượng sẽ tập trung tại một số tần số nào
đó như phổ vạch, điều này tạo ra nguy hiểm cho máy thu, bộ dao động
VCO của máy thu có thể khoá pha tại các tần số này thay vì tại tần số
sóng mang sẽ dẫn đến không giải điều chế được và sẽ mất thông tin của
luồng dữ liệu. Bộ mã hoá sửa lỗi FEC bao gồm mã Reed Solomon, mã
chập (mã xoắn), có thể có thêm mã kiểm tra chẳn lẻ hay mã xoắn turbo
(Convolution turbo code - CTC). Tỉ lệ mã phụ thuộc vào điều kiện của
kênh truyền và tỉ số bít lỗi (Bit error rate- BER). Các kĩ thuật điều chế
thường là QPSK, 16-QAM, đôi khi sử dụng 64 - QAM. Chuẩn này áp
dụng cho kết nối vi ba điểm - điểm (point to point- PPP) và điểm - đa
điểm (point to multi point- PMP); giúp tiết kiệm thời gian, chi phí hơn
so với việc lắp đặt cáp.
Ngoài ra, tập chuẩn 802.16a cũng hỗ trợ WirelessMAN PHY SC
nhưng dành cho băng tần dưới 11GHZ và hoạt động trong NLOS. SS có
thể là một máy tính với vớ modem gắn ngoài nối với một anten đẳng
hướng. Tập chuẩn này cũng hỗ trợ song công TDD và FDD, như
802.16c, sử dụng thêm các kĩ thuật cân bằng và uớc lượng kênh để khắc
phục hiệu ứng đa đường, và để nâng chất lượng tín hiệu vẫn phải sử

dụng TCM( trellis coded modulation), FEC, ghép xen, hệ thống anten
thích ứng (Adaptive Antenna System - AAS), mã hoá không gian thời
gian (Space Time coding - STC).
WirelessMAN 256 sóng mang dựa trên tập chuẩn 802.16d, cung
cấp dịch vụ kết nối băng rộng trong nhà. Các SS là các thiết bị anten
dùng trong nhà và có thể di chuyển với tốc độ thấp (portable). Nhờ sử
dụng OFDM nên cho phép kết nối NLOS dưới 11GHz, và làm bỏ bớt
khối cân bằng trong bộ thu. Các kĩ thuật hỗ trợ cũng gồm: FEC với
Reed-Solomon, AAS, STC, ghép xen; thời gian kí hiệu và số điểm FFT
có thể thay đổi cho phù hợp với băng thông tương ứng.

24


Với WirelessMAN OFDMA 2048 sóng mang: tương tự như
WirelessMAN 256 sóng mang nhưng có nhiều ưu điểm hơn. Dựa trên tập
chuẩn 802.16e (2005), với sự hỗ trợ của OFDMA ở lớp vật lý, cho phép
các user (SS) di chuyển với tốc độ cao, khoảng gần 125km/s, sử dụng mã
hoá kênh là mã xoắn, mã xoắn turbo, mã khối, mã kiểm tra chẳn lẻ mật
độ thấp (Low Density Parity Check- LDPC); dữ liệu được ngẫu nhiên
hoá, ghép xen để tránh tổn thất khi khôi phục và lỗi cụm.Ngoài kĩ thuật
AAS, STC còn sử dụng thêm phân tập thu phát (Multi In Multi Out –
MIMO).
1.5.2. Các đặc tính của lớp truy nhập (MAC)

Chuẩn 802.16 của IEEE đưa ra cùng một lớp MAC cho tất cả lớp
PHY (đơn sóng mang, 256 OFDM, 2048 OFDMA). Lớp MAC này là kết
nối được định hướng điểm - đa điểm. Hoạt động truy nhập kênh ở lớp
MAC của WiMAX hoàn toàn khác so với WiFi. WiMAX hỗ trợ phương
pháp truyền song công FDD và TDD sử dụng kỹ thuật truy nhập

TDMA/OFDMA. Ưu điểm của phương pháp này là nó cho phép linh
động thay đổi độ rộng băng tần lên hoặc xuống, dẫn đến có thể thay đổi
tốc độ phát (Upload) hoặc thu (Download) dữ liệu chứ không phải là cố
định như trong ASDL hay CDMA. Trong WiFi tất cả các trạm truy nhập
một cách ngẫu nhiên đến điểm truy cập (Access point - AP), chính vì vậy
khoảng cách khác nhau từ mỗi nút đến AP sẽ làm giảm thông lượng
mạng. Ngược lại,ở lớp MAC của 802.16, lịch trình hoạt động cho mỗi
thuê bao được định trước, do vậy các trạm chỉ có duy nhất một lần cạnh
tranh kênh truyền dẫn là thời điểm gia nhập mạng. Sau thời điểm này,
mỗi trạm được trạm phát gốc gắn cho một khe thời gian. Khe thời gian
có thể mở rộng hay co hẹp lại trong quá trình truyền dẫn. Ưu điểm của
việc đặt lịch trình là chế độ truyền dẫn vẫn hoạt động ổn định trong
trường hợp quá tải và số lượng thuê bao đăng ký vượt quá cho phép, và
nó cũng có thể tăng được hiệu quả sử dụng băng tần. Việc sử dụng thuật

25