Xử lý tín hiệu điện tử bộ cảm biến cho phép máy tính có thể giao tiếp thông qua cổng máy in

Đồ án tốt nghiệp
MỤC LỤC

- -
1
Đồ án tốt nghiệp
CÁC TỪ VIẾT TẮT
AMC Adaptive Modulation and Code
ARQ Automatic Retransmission Request
ATM Network Asynchronous Transfer Mode
BPSK Binary Phase Shift Keying
BS Base Station
CI CRC Indicator
CID Connection Identifier
CPE Customer Premise Equipment
CPS Common Part Sublayer
CRC Cyclic Redundancy Checks
CS Centralized Scheduling
CSMA Carrier Sense Multiple Access
DES Data Encryption Standard
DHCP Dynamic Host Configuration Protocol
DL-MAP Downlink Map
DL-MAP Downlink Map
DSL Digital Subscriber Line
EC Encryption Control
EKS Encryption Key Sequence
FDD Frequency Division Multiplexing
FEC Forward Error Correction
FFT Fast Fourier Transformation
GMH Generic Mac Header
HCS Header Check Sequence

HT Header Type
IEEE Institute of Electrical anh Electronics Engineers
ITU International Telecommunication Union
IV Initialising Vectors
LEN Length
LOS Line Of Sight
- -
2
Đồ án tốt nghiệp
MAC Media Access Control
MAC CPS Mac Common Part Sublayer
MAC CS Mac Service Specific Convergence Sublayer
MAC PDU MAC Protocol Data Unit
MSDU Mac Service Data Unit
NLOS Non Line Of Sight
nrtPS Non Real Time Polling Service
OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing
PDA Persional Digital Assitant
PDU Protocol Data Units
PHY Physical Layer
PMP Point MultiPoint
PS PHY Slots
16QAM 16-State Quadrature Amplitude Modulation
QoS Quality of Service
QPSK Quadrature Phase Shift Keying
SC Single Carrier
SINR Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio
SOFDMA Scalable Orthogonal Frequency Division Multiplexing
SS Subscriber Station
SSCS Service-Specific Convergence Sublayer

TDD Time Division Duplexing
TDMA Time Division Multiple Access
UGS Unsolicited Grant Service
UL-MAP Uplink Map
VoIP Voice over IP
Wi-Fi Wireless Fidelity
WiLANs Wireless Local Area Networks
WiMax Worldwide Interoperability for Microwave Access
WirelessHUMAN Wireless HighSpeed Unlicensed Metropolitan Area Networks
WISPs Wireless Internet Providers
WMAN Wireless Metropolitan Area Network
- -
3
Đồ án tốt nghiệp
MỞ ĐẦU
***
Ngày nay nhu cầu thông tin liên lạc của con người ngày càng cao, nhất là đối
với các thiết bị không dây tốc độ cao, băng thông rộng như điện thoại không dây,
internet không dây... để mọi người có thể liên lạc với nhau ở mọi lúc, mọi nơi và
quan trọng hơn là việc mở rộng dân trí cho người dân ở các vùng xa xôi hẻo lánh trên
đất nước ta, nơi mà cơ sở hạ tầng viễn thông chưa đến được. Hiện nay đã có rất nhiều
hệ thống mạng không dây ra đời như là WiFi, bluetooth... và một trong số đó có thể
đáp ứng được nhu cầu trên là WiMax. WiMAX chủ yếu cung cấp dịch vụ internet
không dây với giá thành rẻ, tốc độ truyền cao kết nối đến các thiết bị đầu cuối trong
một khoảng cách truyền lớn.
Hiện nay, ở nước ta WiMAX đang được thử nghiệm ở tỉnh miền núi như: Lào
Cai,Cao Bằng. Mặc dù có những khó khăn bước đầu, nhưng em tin với sự đầu tư
đúng hướng của Đảng và nhà nước dành cho Wimax thì nó sẽ được phát triển ra toàn
quốc.
Tuy nhiên, việc triển khai hệ thống còn gặp nhiều khó khăn do những ảnh

hưởng có tính truyền thống của mạng không dây. Vì vậy, em đã chọn đề tài “Nghiên
cứu tổng quan về WiMAX, nhiễu và ảnh hưởng của nhiễu trong WiMAX”. Trong đề
tài này, em đi sâu tìm hiểu những kỹ thuật khắc phục nhiễu của WiMAX mà ở các
thế hệ trước chưa có được, ảnh hưởng của kênh truyền đến chất lượng truyền tín
hiệu. Với cỏ sở lý thuyết này, em đã mô phỏng trực quan chứng minh ảnh hưởng của
nhiễu và biên pháp khắc phục bằng ngôn ngữ Matlab.
Đồ án gồm có năm chương:
Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật điều chế OFDM.
Chương 2: Giới thiệu về WiMAX.
- -
4
Đồ án tốt nghiệp
Chương 3: Ảnh hưởng của nhiễu trong WiMAX và các biện pháp khắc phục.
Chương 4: Ảnh hưởng của kênh vô tuyến đến truyền dẫn tín hiệu.
Chương 5: Chương trình mô phỏng và hường phát triển đề tài.
Để hoàn thành đồ án này em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của
thầy Nguyễn Văn Tuấn và các thầy cô giáo trong Khoa Điện Tử-Viễn Thông ĐH
Bách Khoa Đà Nẵng.
Đà Nẵng, tháng 6 năm 2008
Sinh viên
Phan Thị Minh Huyền
- -
5
Đồ án tốt nghiệp
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM
1.1. Giới thiệu chương
Wimax được phát triển dựa trên công nghệ OFDM. Vì thế trước khi đi vào
Wimax, ta tìm hiểu về những nguyên lý cơ bản của kỹ thuật OFDM. Trong chương
này giải thích một cách dễ hiểu nhất về sự trực giao sóng mang theo tần số, từ đó đưa

ra những công thức tổng quát để mô tả kỹ thuật OFDM cũng như các sơ đồ điều chế
của kỹ thuật này.
1.2. Nguyên lý cơ bản của OFDM[1]
Ý tưởng OFDM là truyền dẫn song song (đồng thời) nhiều băng con chồng
lấn nhau trên cùng một

độ rộng băng tần cấp phát

của hệ thống. Việc xếp chồng
lấn các băng tần con trên toàn bộ băng tần

được cấp phát dẫn

đến không những
đạt

được hiệu quả sử dụng phổ tần cao mà còn có tác dụng phân tán lỗi cụm khi
truyền qua kênh, nhờ tính phân tán lỗi mà khi

được kết hợp với các kỹ thuật mã
hoá kênh kiểm soát lỗi hiệu năng hệ thống được cải thiện

đáng kể. So với hệ
thống ghép kênh phân chia theo tần số FDM truyền thống thì,

ở FDM cũng
truyền theo cơ chế song song nhưng các băng con không những không

được phép
chồng lấn nhau mà còn phải dành khoảng băng tần bảo vệ (để giảm thiểu

độ
phức tạp bộ lọc thu) dẫn

đến hiệu quả sử dụng phổ tần kém.
Vậy làm thế nào tách

các băng con từ băng tổng chồng lấn hay nói cách
khác sau khi được tách ra

chúng không giao thoa với nhau trong các miền tần số
(ICI) và giao thoa nhau trong miền thời gian (ISI). Câu trả lời và cũng là vấn

đề
mấu chốt của truyền dẫn OFDM là nhờ tính trực giao

của các sóng mang con. Vì
vậy ta kết luận rằng nhờ

đảm bảo

được tính trực giao của các sóng mang con
cho

phép truyền dẫn

đồng thời nhiều băng tần con chồng lấn nhưng phía thu vẫn
tách chúng ra

được,

đặc biệt là tính khả thi và kinh tế cao do sử dụng xử lý tín
hiệu số và tần dụng tối

đa

ưu việt của VLSI.

Theo

đó trước hết ta

định nghĩa tính
trực giao, sau

đó ta áp dụng tính trực giao này vào hệ thống truyền dẫn OFDM
hay nói cách khác sử dụng tính trực giao vào quá trình tạo và thu tín hiệu OFDM
- -
9
Đồ án tốt nghiệp
cũng như các

điều kiện cần thiết

để

đảm bảo tính trực giao.

1.3. Đa sóng mang (Multicarrier)
Nếu truyền tín hiệu không phải bằng một sóng mang mà bằng nhiều sóng

mang, mỗi sóng mang tải một phần dữ liệu có ích và được trải đều trên cả băng thông
thì khi chịu ảnh hưởng xấu sẽ chỉ có một phần dữ liệu có ích bị mất, dựa trên cơ sở
dữ liệu của các sóng mang khác có thể khôi phục lại dữ liệu có ích.
HDo vậy, khi dùng nhiều sóng mang có tốc độ bit thấp, nhiều dữ liệu gốc sẽ
được thu chính xác. Để hồi phục dữ liệu đã mất, người ta dùng phương pháp sửa lỗi
FEC-Forward Error Correction. Ở máy thu mỗi sóng mang được tách ra khi dùng các
bộ lọc thông thường và giải điều chế. Tuy nhiên để không có can nhiễu giữa các sóng
mang (ICI) cần phải có khoảng bảo vệ khi hiệu quả phổ kém.
- -
i
b
1
cos(2 )f t
π
2
cos(2 )f t
π
cos(2 )
N
f t
π
( )s t
S/
S/
S/
P
P
P
∑
cos(2Π f

2
t)
cos(2Π f
N
t)
S
/
P
cos(2Π f
1
t)
b
i
S(t)
Hình 1.2. Sự tạo ra tín hiệu OFDM
Hình 1.1. Sự trực giao của các sóng mang
10
Đồ án tốt nghiệp
Giải pháp khắc phục việc hiệu quả phổ kém khi có khoảng bảo vệ (GUARD
PERIOD) là giảm khoảng cách các sóng mang và cho phép phổ của các sóng mang
cạnh nhau trùng lắp nhau. Sự trùng lắp này là được phép nếu khoảng cách giữa các
sóng mang được chọn chính xác. Khoảng cách này được chọn ứng với trường hợp
các sóng mang trực giao với nhau. Đó là phương pháp ghép kênh theo tần số trực
giao (OFDM).
Cho tới nay dựa trên những thành tựu của công nghệ mạch tích hợp phương
pháp này đã được thực hiện một cách dễ dàng.
1.4. Sự trực giao (Orthogonal)
ORTHOGONAL chỉ ra rằng có một mối quan hệ toán học chính xác giữa các
tần số của các sóng mang trong hệ thống OFDM.
Về mặt toán học, trực giao có nghĩa là các sóng mang được lấy ra từ nhóm

trực chuẩn (Orthonomal basis) {{Фi(t)/i= 0,1…} có tính chất sau:

Trong toán học, số hạng trực giao có được từ việc nghiên cứu các vectơ. Theo định
nghĩa, hai vectơ được gọi là trực giao với nhau khi chúng vuông góc với nhau(tạo
nhau một góc vuông 90) và tích của 2 vectơ là bằng 0. Điểm chính ở đây là ý tưởng
nhân hai hàm số với nhau, tổng hợp các tích và nhận được kết quả là 0.
- -
Hình 1.3. FDM thông thường và OFDM
(1.1)
11
Đồ án tốt nghiệp
. Điều này gọi là tính trực giao của dạng sóng sin. Nó cho thấy rằng miễn là hai
dạng sóng sin không có cùng tần số, thì tích phân của chúng sẽ bằng không. Thông
tin này là điểm mấu chốt để hiểu quá trình điều chế OFDM.
Hình 1.4. Tích của hai vectơ trực giao bằng 0
Nếu chúng ta nhân và cộng(tích

phân) hai dạng sóng sin có tần số khác
nhau. Ta

nhận thấy quá trình này

cũng bằng 0.
Vậy hai sóng sin khác tần số thì tích
phân của chúng sẽ bằng không và ngược lại. Điều này gọi là tính trực giao của dạng
sóng sin. Hình 1.5 và 1.6

.

- -

Hình 1.5.Tích phân của hai sóng sin khác tần số
12
Đồ án tốt nghiệp
Việc giải điều chế chặt chẽ được thực hiện kế tiếp trong miền tần số (digital
domain) bằng cách nhân một sóng mang được tạo ra trong máy thu đơn với một sóng
mang nhận được trong máy thu có cùng chính xác tần số và pha. Sau đó phép tích
phân được thực hiện, tất cả các sóng mang sẽ về không ngoại trừ sóng mang được
nhân, nó được dịch lên trục x, được tách ra, hiệu quả và giá trị symbol của nó khi đó
đã được xác định. Toàn bộ quá trình này được lặp lại khá nhanh chóng cho mỗi sóng
mang, đến khi tất cả các sóng mang đã được giải điều chế.
1.4.1. Mô tả toán học của OFDM
Trong toán học, mỗi sóng mang được mô tả như một sóng phức:
S
c
(t) = A
c
(t)e
j[ωct + Фc(t)]
(1.2)
Tín hiệu thực là phần thực của Sc(t). Cả Ac(t) và Фc(t) (biên độ và pha tương
ứng của sóng mang) có thể thay đổi trên mỗi symbol bởi symbol cơ bản.
Phương pháp điều chế OFDM sử dụng rất nhiều sóng mang, vì vậy tín hiệu
phức Sc(t) được thể hiện bởi công thức :
S
s
(t) =
∑
−
=
1

0
1
N
n
N
A
n
(t)e
j[ωnt + Фn(t)]
(1.3)
Trong đó : ω
n
= ω
o
+nΔω
- -
Hình 1.6. Tích phân của hai sóng sin cùng tần số
13
Đồ án tốt nghiệp
Tất nhiên, đây là một tín hiệu liên tục. Nếu ta xem các dạng sóng của mỗi
phần tử tín hiệu trên một chu kỳ symbol thì các biến số Ac(t) và Фc(t) và nhận các
giá trị cố định mà các giá trị này phụ thuộc vào tần số của sóng mang cụ thể đó, như
vậy có thể viết lại như sau:
Фn(t) → Фn
An(t) → An
Nếu tín hiệu được lấy mẫu với tần số lấy mẫu có giá trị là 1/T ( với T là chu
kỳ lấy mẫu), thì tín hiệu hợp thành được thể hiện bởi công thức :
S
s
(kT) =

∑
−
=
1
0
1
N
n
N
A
n
e
j[(ω0 + nΔω)kT + Фn]
(1.4)
Ở đây, chúng ta chia tín hiệu thành N mẫu. Nó thuận lợi để lấy mẫu trong một
chu kỳ của một symbol dữ liệu. Vì thế có mối liên hệ : τ=NT
Nếu bây giờ đơn giản biểu thức trên mà không làm mất tính tổng quát bằng
cách cho ω
o
= 0, thì tín hiệu trở thành :
S
s
(kT) =
∑
−
=
1
0
1
N

n
N
A
n
e
jФn
e
j(nΔω)kT
(1.5)
Tiếp theo ta có thể so sánh biểu thức này với dạng tổng quát của biến đổi Fourier
ngược:
g(kT) =
∑
−
=
1
0
1
N
n
N
G(
NT
n
)

e
j2пnk/N
(1.6)
Trong biểu thức (1.5), hàm số A

n
e
jФ
giống như định nghĩa của tín hiệu trong
khoảng tần số lấy mẫu và S
s
(kT) là một biểu diễn trong miền thời gian.
Biểu thức (1.5) và (1.6) là tương đương nếu :
Δf=
NT
1
=
τ
1
Đây cũng là điều kiện yêu cầu cho tính trực giao. Do đó kết quả của việc bảo
toàn tính trực giao là tín hiệu OFDM có thể được xác định bằng cách biến đổi
Fourier.
- -
14
Đồ án tốt nghiệp
1.4.2. Trực giao miền tần số
Cách khác để xem xét tính trực giao của những tín hiệu OFDM là xem phổ
của nó. Trong miền tần số mỗi sóng mang thứ cấp OFDM có đáp tuyến tần số
sinc(sin(x)/x). Kết quả của thời gian symbol tương ứng với nghịch đảo của khoảng
cách sóng mang. Dạng sinc có 1 búp chính hẹp, với nhiều búp biên có cường độ giảm
dần theo tần số khi đi ra khỏi tần số trung tâm. Mỗi tải phụ có một đỉnh tại tần số
trung tâm và một số giá trị null được đặt theo các lỗ trống tần số bằng khoảng cách
sóng mang. Bản chất trực giao của việc truyền là kết quả của đỉnh của mỗi tải phụ
tương ứng với Nulls của các tải phụ khác. Khi tín hiệu này được phát hiện nhờ sử
dụng biến đổi Fourier rời rạc (DFT).

1.5. Tạo và thu OFDM

Phần máy phát biến đổi dữ liệu số cần truyền, ánh xạ vào biên độ và pha của
các tải phụ. Sau đó nó biến đổi biểu diễn phổ của dữ liệu vào trong miền thời gian
nhờ sử dụng biến đổi fourier rời rạc đảo (inverse Discrecte Fourier Transform). Biến
đổi nhanh Fourier đảo (Inverse Fast fourier Transform) thực hiện cùng một thuật toán
như IDTF, ngoại trừ rằng nó tính hiệu quả hơn nhiều và do vậy nó được sử dụng
trong tất cả các hệ thống thực tế. Để truyền tín hiệu OFDM tín hiệu miền thời gian
được tính toán phách lên tần số cần thiết. Máy thu thực hiện thuật toán ngược lại với
máy phát. Khi dịch tín hiệu RF xuống băng cơ sở để xử lý, sau đó sử dụng biến đổi
- -
Hình1.7. Sơ đồ khối của thiết bị đầu cuối OFDM
15
Đồ án tốt nghiệp
Fourier nhanh để phân tích tín hiệu trong miền tần số. Sau đó biên độ và pha của các
tải phụ được chọn ra và được biến đổi ngược lại thành dữ liệu số.
1.6. Điều chế tải phụ
Cứ mỗi lần tải phụ được phân phối bit để truyền, chúng được ánh xạ vào biên
độ và pha của tải phụ nhờ dùng sơ đồ điều chế biểu diễn bởi vectơ đồng pha và
vuông pha. Hình 1.8 là ví dụ của ánh xạ điều chế tải phụ. Nó chỉ ra chòm sao 16-
QAM, ánh xạ 4 bit cho mỗi symbol. Mỗi kết hợp của dữ liệu tương ứng với 1 vectơ
duy nhất được chỉ ra như một điểm trên hình vẽ. Một số lớn sơ đồ điều chế là có sẵn,
cho phép thay đổi số bit được truyền trên một sóng mang trên mỗi symbol
Hình 1.8. Ví dụ chòm điểm (constellation) điều chế IQ,16 – QAM, với mã gray dữ
liệu tới mỗi vị trí.
1.7. Các sơ đồ điều chế
Dữ liệu số được truyền trong kết nối OFDM bằng cách dùng sơ đồ điều chế
trên mỗi tải phụ. Sơ đồ điều chế là sự ánh xạ các dữ liệu vào chòm sao thực(đồng
pha) và phức (vuông pha), được biết như chòm sao IQ(inphase Quadrature). Số bit có
thể được truyền khi dùng một symbol tương ứng với log

2
(M) với M là số các điểm
trong chòm sao. Mỗi từ dữ liệu được ánh xạ vào một vị trí IQ duy nhất trong chòm
sao. Vectơ phức hợp thành I +јQ tương ứng với biên độ
22
QI
+
và pha argument (I+
- -
16
Đồ án tốt nghiệp
јQ) với ј=
1
−
. Việc tăng số điểm trong chòm sao không thay đổi dải thông truyền,
do vậy việc dùng sơ đồ điều chế với nhiều điểm chòm sao sẽ cho phép cải thiện hiệu
quả phổ (hoặc hiệu suất băng thông). Tuy nhiên số điểm trong giản đồ chòm sao càng
lớn bao nhiêu thì việc giải quyết chúng ở máy thu càng khó bấy nhiêu. Đó là vì khi
đó các vị trí IQ được đặt càng gần nhau nên chỉ cần một giá trị nhỏ nhiễu là có thể
gây ra lỗi truyền.
* Mã GRAY
Giản đồ IQ cho sơ đồ điều chế chỉ ra vectơ truyền cho tất cả các liên hợp từ
dữ liệu. Mỗi liên hợp từ dữ liệu phải được phân phối một vectơ IQ duy nhất. Mã
Gray là một phương pháp cho sự phân phối này, sao cho các điểm cạnh nhau trong
vòm sao chỉ khác nhau một bit đơn. Mã này giúp giảm thiểu tỉ lệ lỗi bit . Mã Gray có
thể được sử dụng cho tất cả các sơ đồ điều chế PSK(BPSK,QPSK,...) và
QAM(16QAM, 64QAM, 256QAM...).
Bảng 1.1. Mã Gray

- -

17
Đồ án tốt nghiệp
Hình1.9. Giản đồ IQ của 16QAM khi dùng mã Gray
1.8. Khoảng bảo vệ (GUARD PERIOD)
Ta thấy ở hình trên, phần ISI của việc truyền tín hiệu OFDM có thể bị sai do
điều kiện của quá trình xử lý tín hiệu, bởi vì máy thu không nhận được thông tin của
symbol được truyền tiếp theo. Điều đó có nghĩa là máy thu cần một khoảng thời gian
có độ dài xác định bằng thời gian symbol có ích để có thể xác định được symbol
OFDM. Khoảng thời gian này gọi là orthogonality Interval.
Có thể giảm ảnh hưởng ISI tới tín hiệu OFDM bằng cách thêm vào các
khoảng bảo vệ ở trước của mỗi symbol. Khoảng bảo vệ này là bản copy tuần hoàn
theo chu kỳ, làm mở rộng chiều dài của dạng sóng symbol. Nó được tạo ra bằng cách
lấy phần cuối của symbol OFDM để đưa vào phần đầu. Do vậy việc đưa vào các bản
copy của symbol nối đuôi nhau tạo thành một tín hiệu liên tục, không có sự gián đoạn
ở chỗ nối. Như vậy việc sao chép đầu cuối của symbol đã tạo ra một khoảng thời gian
symbol dài hơn và giải điều chế nó mà không có lỗi.
- -
Hình 1.10.Chèn khoảng thời gian bảo vệ cho mỗi ký hiệu OFDM
18
Đồ án tốt nghiệp
1.9. Bảo vệ chống lại ISI
Trong tín hiệu OFDM biên độ và pha của tải phụ phải được duy trì không đổi
trong chu kỳ symbol để bảo đảm tính trực giao cho mỗi sóng mang. Nếu chúng bị
thay đổi có nghĩa là dạng phổ của các tải phụ sẽ không có dạng sinc đúng và như vậy
điểm không null sẽ không đúng, dẫn đến can nhiễu giữa các sóng mang ICI(inter-
Carrier Interference). Ở biên của symbol biên độ và pha thay đổi tới giá trị mới cần
thiết cho symbol dữ liệu tiếp theo. Trong môi trường multipath ISI gây ra sự trải rộng
năng lượng giữa các symbol, dẫn đến sự thay đổi nhanh biên độ, pha của tải phụ ở
điểm đầu symbol. Nó dẫn đến sự mở rộng độ trễ của kênh vô tuyến.Việc đưa vào các
khoảng bảo vệ cho phép có thời gian để phần tín hiệu thay đổi nhanh này bị suy hao.

Trở lại trạng thái ban đầu, do vậy FFT được lấy từ trạng thái đúng của symbol. Điều
này loại bỏ ảnh hưởng của ISI. Để khắc phục ISI thì khoảng bảo vệ phải dài hơn sự
mở rộng độ trễ của kênh vô tuyến.
- -
19
Đồ án tốt nghiệp
Hình 1.11. Chức năng của khoảng bảo vệ chống lại ISI
1.10. Độ dịch Doppler
Do khoảng cách giữa nơi phát và thu có sự thay đổi nên tạo ra độ dịch
Doppler (vì khoảng cách giữa nơi phát và thu thay đổi theo thời gian). Độ dịch
Doppler gây ra sự thay đổi tần số của tín hiệu. Khi giảm khoảng cách giữa nơi phát
và thu làm tăng tần số, và khi tăng khoảng cách sẽ làm giảm tần số.
Với hệ thống OFDM, độ dịch Doppler gây ra sự thay đổi vị trí sóng mang, có
nghĩa là sóng mang sẽ dịch chuyển xuống tần số thấp hơn khi khoảng cách giữa nơi
phát và thu tăng và ngược lại.
Hình vẽ dưới đây chỉ rõ tín hiệu không có fading(1) và tín hiệu chịu ảnh
hưởng của fadinh(2).
Độ dịch tần Δf cho xe cộ di chuyển với vận tốc v và ở tần số f
o
được tính như
sau:Δf ≈ v x fo/c
Với c là vận tốc ánh sáng (3x 10
8
m/s)
(Công thức cho rằng v<<c, là đúng cho môi trường thu - phát)
Hình 1.12. Hiệu ứng của độ lệch Doppler
- -
20
Đồ án tốt nghiệp
1.11. OFDMA

OFDMA sử dụng giống với kỹ thuật OFDM, nhưng thêm vào chức năng chia
tổng số sóng mang bằng cách sử dụng tín hiệu OFDM gộp thành các nhóm của các
sóng mang không kề nhau , mà những user khác nhau được chỉ định các sóng mang
khác nhau. Điều này là cần thiết với việc chia tổng số sóng mang OFDM để cho
nhiều hơn một người sử dụng ở một thời điểm. Phần này sẽ được tìm hiểu kỹ ở
chương sau.[3]
- -
21
Đồ án tốt nghiệp
1.12. Kết luận chương
Qua những hiểu biết về OFDM ở trên, nó sẽ là cơ sở để ta có thể tìm hiểu sâu
hơn về chuẩn 802.16 OFDM của WIMAX. Từ đó, có thể rút ra các kết luận như sau:
- Để khắc phục hiện tượng không bằng phẳng của đáp tuyến kênh cần dùng
nhiều sóng mang, mỗi sóng mang chỉ chiếm một phần nhỏ băng thông, do vậy bị ảnh
hưởng không lớn của đáp tuyến kênh đến dữ liệu nói chung.
-Số sóng mang càng nhiều càng tốt nhưng cần phải có khoảng bảo vệ để tránh
can nhiễu giữa các sóng mang. Tuy nhiên để tận dụng tốt nhất thì dùng các sóng trực
giao, khi đó các sóng mang có thể trùng lắp nhau mà vẫn không gây can nhiễu.
- -
Hình 1.13. Sự sắp xếp theo hai chiều trong
OFDMA
22
Đồ án tốt nghiệp Tài liệu tham khảo
CHƯƠNG 2
GIỚI THIỆU VỀ WIMAX
2.1. Giới thiệu chương
Chương này giới thiệu về WiMax, lịch sử phát triển của chuẩn IEEE 802.16,
cấu trúc và các thông số kỹ thuật của chuẩn 802.16 OFDM, 802.16-2004 OFDMA ,
802.16e cũng như tìm hiểu một cách khái quát về lớp MAC và lớp PHY. Qua đó,
giúp người đọc hiểu được những ưu điểm và nhược điểm của Wimax so với các thế

hệ trước.
2.2. Khái niệm về WiMax[2]
WiMax là một mạng không dây băng thông rộng viết tắt là Worldwide
Interoperability for Microwave Access. WiMax được thiết kế dựa vào tiêu chuẩn
IEEE 802.16. WiMax đã giải quyết tốt nhất những vấn đề khó khăn trong việc quản
lý đầu cuối.
WiMax sử dụng kỹ thuật sóng vô tuyến để kết nối các máy tính trong mạng
Internet thay vì dùng dây để kết nối như DSL hay cáp, modem. Trong Wimax, người
sử dụng có thể sử dụng trong phạm vi từ 3 đến 5 dặm so với trạm chủ (BS) nếu thiết
lập một đường dẫn công nghệ NLOS (Non-Line-Of-Sight) với tốc độ truyền dữ liệu
rất cao là 75Mbps. Còn nếu người sử dụng trong phạm vi lớn hơn 30 dặm so với trạm
chủ (BS) thì sẽ có anten sử dụng công nghệ LOS (Line-Of-Sight) với tốc độ truyền
dữ liệu gần bằng 280Mbps.
Nếu so với Wimax thì WiLANs (Wireless Local Area Networks) cũng là
mạng không dây kết nối các thiết bị trong một phạm vi hẹp hơn so WiMax như là
một văn phòng hay một gia đình. Các thiết bị theo chuẩn 802.11b sẽ cung cấp tốc độ
11Mbps và các thiết bị theo chuẩn 802.11g sẽ cung cấp tốc độ 54Mbps.
Bảng 2.1. So sánh giữa WiLANs và WiMAX
Technology Primary use Data rates
WiMAX 802.16 External 75 – 250 Mbps
WiLAN 802.11g Internal Up to 54Mbps
- -
23
Đồ án tốt nghiệp Tài liệu tham khảo
WiLAN 802.11b Internal Up to 11Mbps
Bảng trên cho ta thấy WiMax có tốc độ truyền dữ liệu lớn hơn so với
WiLANs. Chính điều này đã làm cho WiMax trở nên ưu điểm hơn so với mạng
không dây khác.
2.3. Khái niệm về IEEE 802.16[8]
Ngày nay đã có rất nhiều hệ thống mạng không dây ra đời như là WiFi,

bluetooth nhưng chúng không bằng những ưu điểm mà WiMax đã thể hiện. Trong vài
năm gần đây, những vấn đề đang được quan tâm hiện nay như bảo mật, QoS, giá
thành và những vấn đề khác nữa… gặp rất nhiều khó khăn. Nhưng đối với WiMax thì
những vấn đề trên trở nên khá đơn giản, nó đáp ứng được nhu cầu internet không dây
do chính WISPs (Wireless Internet Providers) cung cấp với giá thành rẻ và tốc độ
truyền cao khi kết nối đến thiết bị đầu cuối trong một khoảng cách truyền lớn.
- -
Hình 2.1. Sự hoạt động của mạng WiMax.
24
Đồ án tốt nghiệp Tài liệu tham khảo
Về tiêu chuẩn, WiMax là một bộ tiêu chuẩn dựa trên họ tiêu chuẩn 802.16 của
IEEE nhưng hẹp hơn và tập trung vào một số cấu hình nhất định. Hiện có 2 chuẩn
của WiMax là 802.16-2004, 802.16-2005.
- Chuẩn 802.16-2004 (trước đó là 802.16 REVd) được IEEE đưa ra tháng 7
năm 2004. Tiêu chuẩn này sử dụng phương thức điều chế OFDM và có thể cung cấp
các dịch vụ cố định, nomadic (người sử dụng có thể di chuyển nhưng cố định trong
lúc kết nối) theo tầm nhìn thẳng (LOS) và không theo tầm nhìn thẳng (NLOS).
- Chuẩn 802.16-2005 (hay 802.16e) được thông qua IEEE tháng 12/2005. Tiêu
chuẩn này sử dụng phương thức điều chế SOFDMA (Scalable Orthogonal Frequency
Division Multiplexing), cho phép thực hiện các chức năng chuyển vùng(handover) và
chuyển mạng(roaming) nên có thể cung cấp đồng thời dịch vụ cố định, nomadic,
mang xách được (người sử dụng có thể di chuyển với tốc độ đi bộ), di động hạn chế
và di động.
IEEE 802.16 sử dụng ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM như
là phương pháp truyền cho kết nối NLOS. Tín hiệu OFDM được tạo từ nhiều sóng
mang trực giao và mỗi một sóng mang được điều chế số với tốc độ ký tự thấp.
WiMax có băng thông không phải là một hằng số mà thay đổi từ 1.25MHz đến
28MHz. Trong chuẩn IEEE 802.16-2004, một khác biệt có thể nhận thấy được giữa
hai phương pháp: OFDM và OFDMA. Trong chế độ OFDM thông thường, 200 sóng
mang đã có sẵn cho việc truyền dữ liệu và cả hai phương pháp song công TDD và

FDD đều được sử dụng. Còn đối với chế độ OFDMA, những thuê bao khác nhau có
thể được phục vụ đồng thời bởi việc cho mỗi thuê bao một nhóm sóng mang riêng
biệt để mang dữ liệu đến thuê bao đó. Số lượng sóng mang có thể tăng lên một cách
đáng kể. Chuẩn IEEE 802.16e là một chuẩn mở rộng của WiMax ở tần số 6 GHz với
mục đích ứng dụng trong di động . Lịch sử phát triển của các loại chuẩn IEEE 802.16
được cho trong hình sau. (Hình 2.2)
- -
Hình 2.2. Từ 802.11b tới 802.16e
25
Đồ án tốt nghiệp Tài liệu tham khảo
2.4. Giới thiệu chuẩn 802.16 OFDM
802.16 sử dụng kỹ thuật truy cập OFDM mà đã được sử dụng trong các hệ
thống khác như 802.11a. Những đặc điểm mới chính trong lớp PHY - quan hệ với
802.11a là: số sóng mang FFT dài hơn ( từ 64-FFT đến 256-FFT); thay đổi được
băng thông kênh và tần số lấy mẫu, và thay đổi được tỷ số của hai giá trị này; nhiều
người sử dụng được với một Tx burst; loại điều chế có thể thay đổi theo thời gian
trong khung; bốn thay cho hai giá trị khoảng bảo vệ cần thiết.
Bảng 2.2. Các tiêu chuẩn của 802.16
2.4.1. Bảng thông số kỹ thuật
Những đặc tính cơ bản của hệ thống 802.16-2004 được liệt kê bảng 2.3
- -
26
Đồ án tốt nghiệp Tài liệu tham khảo
2.4.2. Các băng tần số
Băng thông kênh và hệ số lấy mẫu phụ thuộc vào băng tần số. Tất cả các băng
tần số và các thông số vật lý tương ứng được liệt kê bảng 2.4
Bảng 2.3. Các thông số kỹ thuật của chuẩn 802.16

Bảng 2.4. Các băng tần số

2.4.3. Chức năng phân kênh (Subchannelization)[2]
WIMAX được thiết kế để vận hành như là một mạng cơ sở hạ tầng, và sự phân chia
tài nguyên này cũng là một vấn đề quan trọng.
- -
27
Đồ án tốt nghiệp Tài liệu tham khảo
Với WIMAX ( OFDM và OFDMA), Subchannelization cho phép ta nhóm
hoàn toàn một số các sóng mang OFDM thành các block và phân cho mỗi block
thành các segment khác nhau của trạm BS. Những block được trải ra trên hoàn toàn
vùng tần số và gồm một số các sóng mang liên tiếp nhau. Subchannel index điều
khiển sử dụng những Block khác nhau trên toàn bộ phổ.
Số sóng mang dữ liệu hoàn tất (192) có thể được chia thành 2, 4, 8 hoặc 16
Subchannel. Tất cả các sóng mang được trải trên 4 vùng " regions" khác nhau của
vùng tần số.
Nếu bốn Subchannel được sử dụng như ví dụ dưới đây, sẽ có 16/4 = 4
subchannel khác nhau và 192/4 = 48 sóng mang trên subchannel, mà được chia trên 4
"region" khác nhau, vì vậy có thể coi 48/4 = 12 sóng mang liên tiếp / subchannel
block.
2.4.4. Cấu trúc khung
Một khung được chia thành các khung nhỏ DL và UL. Những khung nhỏ DL
và UL được bắt đầu với ô preamble (cho biết giới hạn số sóng mang của symbol) để
tìm lại thông tin về kênh truyền và cho phép máy thu tìm lại đáp ứng kênh. Ô FCH và
DL MAP chứa thông tin về nội dung khung (vị trí và kiểu điều chế của mỗi burst) và
được điều chế - BPSK. (hình 2.4)
- -
Hình 2.3 Subchannelization với 4 kênh sử dụng
28