Điều chế tín hiệu trong wimax và nghiên cứu khả năng triển khai ứng dụng hệ thống wimax trên mạng viễn thông việt nam

LỜI GIỚI THIỆU
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 “ĐIỀU CHẾ TÍN
HIỆU TRONG WIMAX VÀ NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG TRIỂN KHAI ỨNG DỤNG
HỆ THỐNG WIMAX TRÊN MẠNG VIỄN THÔNG VIỆT NAM ”.

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, đồng thời tìm hiểu quá trình xử lý tín hiệu trong
WIMAX dựa trên kỹ thuật OFDM.
Mục tiêu thứ ba là nghiên cứu khả năng triển khai và ứng dụng hệ thống
wimax trên mạng Việt Nam
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 tín hiệu trong wimax
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, các đặc điểm và tính chất

1


nổi bật của kỹ thuật đa truy nhập phân tần trực giao OFDMA trong wimax và
những ứng dụng của kỹ thuật này trong việc điều chế tín hiệu trong wimax.
Chương 3: Nghiên cứu khả năng triển khai và ứng dụng hệ thống wimax trên
mạng viễn thông Việt Nam
Trong chương cuối cùng này sẽ trình bày về khả năng triển khai và ứng dụng của
hệ thống wimax trên mạng Việt Nam.
Thái Nguyên, ngày 15 tháng 5 năm 2013
Sinh viên thực hiện

2


MỤC LỤC
3.2.2.Các mạng phục vụ cộng đồng.................................................................................52

3


THUẬT NGỮ VÀ VIẾT TẮT TIẾNG ANH
ADSL

Asymmetric Digital Subcriber Line

AWGN

Addictive White Gausse Noise

BER

Bit error Rate

BCH

Bose-Chaudhuri-Hocquenghem

BPSK

Binary phase shift keying

BWA

Broadband Wireless Access

BS

Base Station

CIR

Channel Impulse Response

CTR

Channel Transfer Function

CP

Cyclic Prefix

CDMA

Code Division Multiple Access

DRM

Digital Radio Mondiale

DVB-H

Digital Video Brocasting-Handheld

DVB-T

Digital Video Broadcasting-Terrestrial

DSL

Digital Subcriber Line

FFT

fast fourrier transform

FDD

Frequency Division Deplex

GI

Guard Interval

ISI

Inter symbol Interfearence

ICI

Inter Channel Interfearence

IFFT

Inverse fast fourrier transform

LOS

Line of sight

LDPC

Low-Density-Parity-Check

MIMO

Multiple Input Multiple Output

NLOS

Non line of sight

OFDM

Orthogonal Frequency Division Multiplexing

OFDMA

Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access

QPSK

Quadrature phase shift keying

QAM

Quadrature Amplitude Modulation
4


QoS

Quality of Service

S-OFDMA

Scalable Orthogonal Frequency Division Multiplex access

SER

Symbol Error Rate

SC

Single Carrier

Tc

Channel coherence time

TDD

Time Division Duplex

WiMAX

Worldwide Interoperability for Microwave Access

WLAN

Wireless Local Area Network

WMAN

Wireless Metropolitan Area Network

BTS

(Base Transceiver Station)

5


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WiMAX
1.1 . Giới thiệu về wimax
WiMAX là một mạng không dây băng thông rộng viết tắt là (Worldwide
Interoperability for Microwave Access - Khả năng tương tác toàn cầu với truy nhập
vi ba.)
WiMax ứng dụng trong thiết bị mạng Internet dành số lượng người sử dụng lớn
thêm vào đó giá thành rẻ. 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.)
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).
1.2. Các chuẩn của Wimax

1.2.1. Chuẩn IEEE 802.16 – 2001
Chuẩn IEEE 802.16 - 2001 được hoàn thành vào tháng 10/2001 và được công bố
vào tháng 4/2002, định nghĩa đặc tả kỹ thuật dao diện không gian WirelessMAN™
cho các mạng vùng đô thị.
6


Đặc điểm chính của IEEE 802.16 - 2001:
- Giao diện không gian cho hệ thống truy nhập không dây băng rộng cố định hoạt
động ở dải tần 10 - 66 GHz, cần thỏa mãn tầm nhìn thẳng.
- Lớp vật lý PHY: WirelessMAN-SC.
- Tốc độ bit: 32 - 134 Mbps với kênh 28 MHz.
- Điều chế QPSK, 16 QAM và 64 QAM.
- Các dải thông kênh 20 MHz, 25 MHz, 28 MHz.
- Bán kính cell: 2 - 5 km.
- Kết nối có định hướng, MAC TDM/TDMA, QoS, bảo mật.
1.2.2. Chuẩn IEEE 802.16a
Vì những khó khăn trong triển khai chuẩn IEEE 802.16, hướng vào việc sử dụng
tần số từ 10 - 66 GHz, một dự án sửa đổi có tên IEEE 802.16a đã được hoàn thành
vào tháng 11/2002 và được công bố vào tháng 4/2003. Chuẩn này được mở rộng hỗ
trợ giao diện không gian cho những tần số trong băng tần 2-11 GHz, bao gồm cả
những phổ cấp phép và không cấp phép và không cần thoả mãn điều kiện tầm nhìn
thẳng. Đặc điểm chính của IEEE 802.16a như sau:
- Bổ sung 802.16, các hiệu chỉnh MAC và các đặc điểm PHY thêm vào cho dải
2 - 11 GHz ( NLOS).
- Tốc độ bit : tới 75Mbps với kênh 20 MHz.
- Điều chế OFDMA với 2048 sóng mang, OFDM 256 sóng mang, QPSK, 16
QAM, 64 QAM
- Dải thông kênh có thể thay đổi giữa 1,25MHz và 20MHz.
- Bán kính cell: 6 - 9 km.

- Lớp vật lý PHY: WirelessMAN-OFDM, OFDMA, SCa.
- Các chức năng MAC thêm vào: hỗ trợ PHY OFDM và OFDMA, hỗ trợ công
nghệ Mesh, ARQ.
1.2.3. Chuẩn IEEE 802.16 – 2004.
Tháng 7/2004, chuẩn IEEE 802.16 - 2004 hay IEEE 802.16d được chấp nhận
thông qua, kết hợp của các chuẩn IEEE 802.16 - 2001, IEEE 802.16a, ứng dụng
LOS ở dải tần số 10 - 66 GHz và NLOS ở dải 2 - 11 GHz. Khả năng vô tuyến bổ
sung như là “beam forming” và kênh con OFDM.

7


1.2.4. Chuẩn IEEE 802.16e.
Đầu năm 2005, chuẩn không dây băng thông rộng 802.16e với tên gọi Mobile
WiMax đã được phê chuẩn, cho phép trạm gốc kết nối tới những thiết bị đang di
chuyển. Chuẩn này giúp cho các thiết bị từ các nhà sản xuất này có thể làm việc,
tương thích tốt với các thiết bị từ các nhà sản xuất khác. 802.16e họat động ở các
băng tần nhỏ hơn 6 GHz, tốc độ lên tới 15 Mbps với kênh 5 MHz, bán kính cell từ
2 - 5 km.
WiMAX 802.16e có hỗ trợ handoff và roaming. Sử dụng SOFDMA, một công
nghệ điều chế đa sóng mang. Các nhà cung cấp dịch vụ mà triển khai 802.16e cũng
có thể sử dụng mạng để cung cấp dịch vụ cố định. 802.16e hỗ trợ cho SOFDMA
cho phép số sóng mang thay đổi, ngoài các mô hình OFDM và OFDMA. Sự phân
chia sóng mang trong mô hình OFDMA được thiết kế để tối thiểu ảnh hưởng của
nhiễu phía thiết bị người dùng với anten đa hướng. Cụ thể hơn, 802.16e đưa ra hỗ
trợ cải tiến hỗ trợ MIMO và AAS, cũng như các handoff cứng và mềm. Nó cũng
cải tiến các khả năng tiết kiệm công suất cho các thiết bị di động và các đặc điểm
bảo mật linh hoạt hơn.
1.3. Băng tần của Wimax.
1.3.1. Dải băng tần được đề xuất cho WiMAX trên thế giới

Các băng tần được diễn đàn WiMax tập trung xem xét và vận động cơ quan quản lý
tần số các nước phân bổ cho WiMax là:
● Băng tần 2,3-2,4GHz (2 ,3GHz Band) : được đề xuất sử dụng cho Mobile
WiMAX. Tại Hàn Quốc băng này đã được triển khai cho WBA (WiBro).
● Băng tần 2,4-2,4835GHz: được đề xuất sử dụng cho WiMAX trong tương lai.
● Băng tần 2,5-2,69GHz (2,5GHz Band): được đề xuất sử dụng cho WiMAX di
động trong giai đoạn đầu.
● Băng tần 3,3-3,4GHz (3,3GHz Band): được đề xuất sử dụng cho WiMAX cố
định.
● Băng tần 3,4-3,6GHz (3,5GHz Band): được đề xuất sử dụng cho WiMAX cố định
trong giai đoạn đầu : FWA (Fixed Wireless Access)/WBA (WideBand Access).

8


● Băng tần 3,6-3,8GHz: được đề xuất sử dụng cho WiMAX cố định (WBA) và cấp
cho Châu Âu. Tuy nhiên, băng 3,7-3,8 GHz đã được dùng cho vệ tinh viễn thông
Châu Á, nên băng tần này không được sử dụng cho Wimax Châu Á.
● Băng tần 5,725-5,850GHz: được đề xuất sử dụng cho WiMAX cố định trong
giai đoạn đầu.
● Ngoài ra, một số băng tần khác phân bổ cho BWA cũng được một số nước xem
xét cho BWA/WiMax là: băng tần 700-800MHz (< 1GHz), băng 4,9-5,1GHz.
1.3.2. Dải băng tần ở Việt nam có khả năng dành cho WiMAX.
● Băng tần 2,3-2,4GHz :
Có thể dành đoạn băng tần này cho WiMAX. Băng tần 2,3-2,4GHz thích hợp cho
cả WiMAX cố định và di động.
● Băng tần 2,5-2,69GHz :
Băng tần này hiện nay đang được sử dụng nhiều cho vi ba và MMDS (tập trung
chủ yếu ở Hà nội và thành phố Hồ Chí Minh). Ngoài ra, băng tần này là một trong
các băng tần được đề xuất sử dụng cho 3G.

Băng tần này lại là băng tần được đánh giá là thích hợp nhất cho WiMAX di động
và đã được diễn đàn WiMAX xác nhận chính thức là băng tần WiMAX. Một số
nước cũng đã dành băng tần này cho WiMAX như Mỹ, Mêhicô, Brazil, Canada,
Singapo. Vì vậy, đề nghị dành băng tần 2,5-2,69GHz cho WiMAX.
● Băng tần 3,3-3,4GHz:
Theo Quy hoạch phổ tần số VTĐ quốc gia, băng tần này được phân bổ cho các
nghiệp vụ vô tuyến định vị, cố định và lưu động. Hiện nay, về phía dân sự và quân
sự vẫn chưa có hệ thống nào được triển khai trong băng tần này. Do đó, có thể cho
phép sử dụng WiMAX trong băng tần 3,3-3,4GHz.
● Băng t ần 3,4-3,6GHz, 3,6-3,8GHz:
. Đối với Việt nam, hệ thống vệ tinh VINASAT dự kiến sẽ sử dụng một số đoạn
băng tần trong băng C và Ku, trong đó cả băng tần 3,4-3,7GHz. Ngoài ra, đoạn
băng tần 3,7-3,8GHz mặc dù chưa sử dụng cho VINASAT nhưng có thể được sử
dụng cho các trạm mặt đất liên lạc với các hệ thống vệ tinh khác. Vì vậy, không nên
triển khai WiMAX trong băng tần 3,4 - 3,8 GHz.

9


● Băng tần 5,725-5,850GHz:
Hiện nay, băng tần này đã được Bộ qui định dành cho WiFi. Nếu cho phép triển
khai WiMAX trong băng tần này thì cũng sẽ hạn chế băng tần dành cho WiFi. Băng
tần này có thể thích hợp cho các hệ thống WiMAX ở vùng nông thôn, vùng sâu,
vùng xa, ở đó có thể cho phép hệ thống WiMAX phát với công suất cao hơn để
giảm giá thành triển khai hệ thống WiMAX. Vì vậy, đề nghị cho phép triển khai
WiMAX trong băng tần 5,725-5,850GHz nhưng WiMAX phải dùng chung băng tần
và phải bảo vệ các hệ thống WiFi.
Như vậy, với hiện trạng sử dụng băng tần tại Việt Nam như trên, các băng tần có
khả năng dành cho WiMAX ở Việt Nam là:
– Băng tần 2,3-2,4GHz và 3,3-3,4GHz cho các hệ thống truy cập không dây băng

rộng, kể cả WiMAX.
– Băng tần 5,725-5,850GHz cho các hệ thống truy cập không dây băng rộng, kể cả
WiMAX nhưng các hệ thống này phải dùng chung băng tần với các hệ thống WiFi
với điều kiện bảo vệ các hệ thống WiFi hoạt động trong băng tần này.
– Băng tần 2,5-2,690GHz cho các hệ thống truy cập không dây băng rộng, kể cả
IMT-2000 và WiMAX.
Hiện tại, chính phủ đã cấp phép thử nghiệm dịch vụ WiMAX di động tại băng tần
2,3-2,4 GHz; và băng tần 2,5-2,69 GHz. (theo công văn số 5535/VPCP-CN của Văn
phòng Chính phủ).
1.4. Mô hình phủ sóng mạng WIMAX
Mô hình phủ sóng mạng WiMAX tương tự như một mạng điện thoại di động :

10


Hình 1.1: Mô hình hệ thống WiMAX
Một hệ thống WiMAX được mô tả như hình gồm có 2 phần :
• Trạm phát: giống như các trạm BTS trong mạng thông tin di động với công
suất lớn, có thể phủ sóng khu vực rộng tới 8000km2.
• 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.
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 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

11


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.

Miền Fresnel thứ nhất

Hình 1.2: Truyền sóng trong trường hợp LOS
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.

12


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 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.

1.5. Sơ đồ khối hệ thống wimax

Hình 1.4: Sơ đồ khối hệ thống wimax

13


1.5.1. Sơ đồ khối bên phát

Hình 1.5: Sơ đồ khối bên phát
Ở bên phát gồm các khối tạo dữ liệu ngẫu nhiên, khối mã hóa kênh FEC và điều
chế, khối tạo IFFT tạo gói, khối mã hóa không gian-thời gian và khối phát OFDM .
Các khối mã hóa kênh được thiết kế để cải thiện hiệu năng thông tin bằng việc cho
phép tín hiệu phát chống lại tốt hơn các tác động làm suy hao kênh truyền như
nhiễu hoặc pha đinh. Ngoài ra mã hóa kênh còn có thể sửa lỗi ban đầu nhờ vào khối
FEC. Lợi ích của mã hoá kênh là giảm tỉ lệ lỗi bit, thực hiện giới hạn công suất và
giới hạn độ rộng băng tần kênh bằng cách thêm một mã thừa vào dữ liệu được phát.
Trong chuẩn IEEE 802.16d, mã hoá kênh bao gồm ngẫu nhiên hóa, sửa lỗi trước
FEC, và khối chèn. Khối FEC bao gồm mã hoá Reed-Solomon, mã xoắn và chia cột
được sử dụng để điều chỉnh tốc độ dữ liệu khác nhau. Đây là các khối bắt buộc
trong chuẩn 802.16d.
Điều chế trong chương trình này là điều chế số, là quá trình dùng dữ liệu số để
thay đổi tín hiệu sóng mang để phát qua kênh truyền. Với một hệ thống OFDM,
thay đổi của pha và biên độ có thể được thực hiện nhưng tần số thì không thay đổi
bởi vì các tín hiệu sóng mang phải có tính trực giao với nhau. Điều chế sử dụng
trong chuẩn 802.16d là BPSK, QPSK, 16-QAM và 64-QAM. Trong chương trình
mô phỏng này dùng tất cả các bộ điều chế trên với tốc độ mã hóa khác nhau.
Khối phát OFDM bao gồm ba phần: tạo khung OFDM, tạo tín hiệu OFDM
bằng cách thực hiện IFFT, và chèn chuỗi CP trước các ký tự OFDM.
Hệ thống WiMAX được mô phỏng là hệ thống MISO, nhiễu trên kênh truyền

được mô phỏng bằng khối AWGN. Trong đó tham số tỷ lệ SNR có thể thay đổi để
có những kết quả khác nhau.
1.5.2. Sơ đồ khối bên thu

Hình 1.6: Sơ đồ khối bên phía thu
Tín hiệu sau khi nhận được sẽ được giải điều chế theo các bước ngược lại so
với bên phát để loại bỏ các bit dư thừa và nhận lại được tín hiệu thông tin ban đầu.

14


1.6. Các ưu và nhược điểm của công nghệ WiMAX
1.6.1. Một số ưu điểm chính của công nghệ WiMAX
1.6.1.1. 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.
1.6.1.2. 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.
Ngoài ra WiMAX còn cho phép sử dụng công nghệ TDD và FDD cho việc
phân chia truyền dẫn hướng lên và hướng xuống.
1.6.1.3. 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 kĩ 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

15


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.
1.6.1.4. 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 Wi-Fi.
• 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), ….
1.6.1.5. 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 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.
1.6.2. 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 rông 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
16


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 tại
Bưu điện tỉnh, huyện chứ chưa có những kết luận chính thức về tính hiệu quả
đáng kể của hệ thống.
1.7. Mô hình kiến trúc phân lớp wimax

Hình 1.7: Mô hình kiến trúc phân lớp 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)

17


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.
1.7.1. 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 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
18


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.
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).
1.7.2. Các đặc tính của lớp truy nhập (MAC)

Hình 1.8: Phân lớp của WiMAX so với mô hình OSI
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

19


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 toán lịch trình còn cho phép trạm phát gốc điều khiển chất
lượng dịch vụ (Quality of Service -QoS) bằng việc cân bằng nhu cầu truyền thông
giữa các thuê bao.
1.8. So sánh WiMAX với WiFi
WiMAX và WiFi sẽ cùng tồn tại và trở thành những công nghệ bổ sung ngày
càng lớn cho các ứng dụng riêng. Đặc trưng của WiMAX là không thay thế WiFi.
Hơn thế WiMAX bổ sung cho WiFi bằng cách mở rộng phạm vi của WiFi và mang
lại những thực tế của người sử dụng "kiểu WiFi" trên một quy mô địa lý rộng
hơn.Công nghệ WiFi được thiết kế và tối ưu cho các mạng nội bộ (LAN), trong khi
WiMAX được thiết kế và tối ưu cho các mạng thành phố (MAN).Trong khoảng thời
gian từ 2008 - 2010, hy vọng cả 802.16 và 802.11 sẽ xuất hiện trong các thiết bị
người sử dụng từ laptop tới các PDA, cả hai chuẩn này cho phép kết nối vô tuyến
trực tiếp tới người sử dụng tại gia đình, trong văn phòng và khi đang di chuyển.
Mặc dù có cùng mục đích như nhau nhưng chúng ta thấy công nghệ sử dụng trong
mạng WiMAX có một số ưu điểm so với WiFi:
• Sai số tín hiệu truyền nhận ít hơn
• Khả năng vượt qua vật cản tốt hơn
20


• Số thiết bị sử dụng kết nối lớn hơn hàng trăm so với hàng chục trong WiFi.
• Lớp vật lý MAC (Medium Access Control) dùng trong WiMAX dựa trên kỹ
thuật phân chia theo khe thời gian cho phép đồng nhất băng tần giữa các thiết
bị (TDMA) hiệu quả hơn sơ với WiFi (sử dụng CSMA-CA rất gần
CSMA-CD sử dụng trong mạng Ethernet).Chính vì vậy phổ sóng vô tuyến sẽ
đạt được tốt hơn.
Mạng WiMAX không thể thay thế được WiFi trong các ứng dụng nhưng nó
góp phần bổ sung để hình thành mạng không dây. Xu hướng chung của mạng

không dây đó là cải thiện phạm vi phủ sóng với hiệu quả tốt nhất. Kỹ thuật nổi bật
đó là chiếm lĩnh về không gian, tích hợp với các kỹ thuật hiện tại và quan tâm đến
các yếu tố cơ bản như công suất tiêu thụ thấp, phạm vi lớn, tốc độ truyền dữ liệu
cao. Trong mạng không dây chất lượng tại lớp thấp nhất để có thể điều khiển trễ
trong quá trình truyền và các dịch vụ như thoại, video.
WiMAX và WiFi ứng dụng trong hai môi trường khác nhau. Mục đích của
WiMAX sẽ hướng tới không chỉ là phạm vi phủ sóng mạng di động mà cả những
mạng công cộng khác. Một trong các hướng phát triển quan trọng khác của
WiMAX đó là giải quyết kết nối cho mạng VoIP trong tương lai không xa.

21


CHƯƠNG 2
KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ TRONG WIMAX
2.1 Giới thiệu kỹ thuật điều chế OFDM
2.1.1 Khái niệm
Kỹ thuật điều chế OFDM, về cơ bản, là một trường hợp đặc biệt của phương
pháp điều chế FDM, chia luồng dữ liệu thành nhiều đường truyền băng hẹp trong
vùng tần số sử dụng, trong đó các sóng mang con (hay sóng mang phụ, sub-carrier)
trực giao với nhau. Do vậy, phổ tín hiệu của các sóng mang phụ này được phép
chồng lấn lên nhau mà phía đầu thu vẫn khôi phục lại được tín hiệu ban đầu. Sự
chồng lấn phổ tín hiệu này làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn
hơn nhiều so với các kĩ thuật điều chế thông thường.

Hình 2.1: Phổ của tín hiệu FDMA và OFDM
Số lượng các sóng mang con phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ rộng kênh và
mức độ nhiễu. Con số này tương ứng với kích thước FFT. Chuẩn giao tiếp vô tuyến
802.16d (2004) xác định 256 sóng mang con tương ứng FFT 256 điểm, hình thành
chuẩn Fixed WiMAX, với độ rộng kênh cố định.Chuẩn giao tiếp 802.16e (2005)

cho phép kích cỡ FFT từ 512 đến 2048 phù hợp với độ rộng kênh 5MHz đến
20MHz, hình thành chuẩn Mobile WiMAX (Scalable OFDMA ), để duy trì tương
đối khoảng thời gian không đổi của các kí hiệu và khoảng dãn cách giữa các sóng
mang với độ rộng kênh.
2.1.2. Lịch sử phát triển:

22


Dù thuật ngữ OFDM mới phổ biến rộng rãi gần đây nhưng kĩ thuật này đã được
xuất hiện cách nay hơn 40 năm:
• Năm 1966, R.W. Chang đã phát minh ra kĩ thuật OFDM ở Mỹ.
• Năm 1971, một công trình khoa học của Weisteins và Ebert đã chứng minh
rằng phương pháp điều chế và giải điều chế OFDM có thể được thực hiện
thông qua phép biến đổi IDFT (biến đổi Fourier rời rạc ngược) và DFT ( biến
đổi Fourier rời rạc). Sau đó, cùng với sự phát triển của kĩ thuật số, người ta
sử dụng phép biến đổi IFFT và FFT cho bộ điều chế OFDM.
• Năm 1999, tập chuẩn IEEE 802.11 phát hành chuẩn 802.11a về hoạt động
của OFDM ở băng tần 5GHz UNI.
• Năm 2003,IEEE công bố chuẩn 802.11g cho OFDM hoạt động băng tần
2.4GHz và phát triển OFDM cho hệ thống băng rộng, chứng tỏ sự hữu dụng
của OFDM với các hệ thống có SNR( tỉ số S/N) thấp.
Ngày nay, kĩ thuật OFDM còn kết hợp với các phương pháp mã hóa kênh sử
dụng trong thông tin vô tuyến, gọi là Coded OFDM, nghĩa là tín hiệu trước khi điều
chế sẽ được mã hóa với nhiều loại mã khác nhau để hạn chế các lỗi xảy ra trên kênh
truyền. Do chất lượng kênh (độ fading và tỉ số S/N) của mỗi sóng mang con phụ là
khác nhau, người ta thực hiện điều chế tín hiệu trên mỗi sóng mang đó với các mức
điều chế khác nhau, gọi là điều chế thích nghi (adaptive modulation) hiện đang
được sử dụng trong hệ thống thông tin máy tính băng rộng HiperLAN của ETSI ở
Châu Âu.

2.1.3. Các ưu và nhược điểm của kĩ thuật OFDM
Ngoài ưu điểm tiết kiệm băng thông kênh truyền kể trên, OFDM còn có một
số ưu điểm sau đây :
• Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hiện tượng nhiễu xuyên kí hiệu ISI (InterSymbol Interference) nếu độ dài chuỗi bảo vệ (guard interval) lớn hơn độ trễ
truyền dẫn lớn nhất của kênh truyền.
• OFDM phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng.
• Cấu trúc máy thu đơn giản.
Tuy nhiên, bên cạnh đó, OFDM cũng có một số nhược điểm sau :

23


• Việc sử dụng chuỗi bảo vệ giúp giảm hiện tượng ISI do phân tập đa đường
nhưng chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích, chiếm một phần băng
thông của đường truyền làm giảm hiệu suất đường truyền.
• Do yêu cầu về tính trực giao giữa các sóng mang phụ nên hệ thống OFDM
khá nhạy cảm với hiệu ứng Dopler, dịch tần (frequency offset) và dịch thời
( time offset) do sai số đồng bộ.
• Đường bao biên độ của tín hiệu phía phát không bằng phẳng, gây ra méo phi
tuyến ở các bộ khuếch đại công suất ở đầu phát và đầu thu.
2.2 Nguyên lý điều chế OFDM
2.2.1 Sự trực giao của hai tín hiệu
Nếu ký hiệu các sóng mang con được dùng trong hệ thống OFDM là s i(t) và
sj(t). Để đảm bảo tính trực giao cho OFDM, các hàm sin của sóng mang con phải
thỏa mãn điều kiện sau :

1
T
Trong đó :

t s +T

*
∫ si ( t )⋅ s j ( t ) dt =

ts

k,
0,

i=j
i≠j

e(j2пk∆ft) , k=1,2,….,N
sk (t) =
Δf=

0

(2.1)

(2.2)

, k khác

1
là khoảng cách tần số giữa hai sóng mang con, T là thời gian ký hiệu, N
T

là số các sóng mang con, N.Δf là băng thông truyền dẫn và ts là dịch thời gian.

Dấu “*” trong công thức (2.1) chỉ sự liên hợp phức.Ví dụ: nếu tín hiệu là
sin(mx) với m = 1,2…. thì nó trực giao trong khoảng từ -π đến π.

Hình 2.2: Phổ của các sóng mang trực giao

24


Trong toán học, số hạng trực giao có được từ việc nghiên cứu các vector.
Theo định nghĩa, hai vectơ được gọi là trực giao với nhau khi chúng vuông góc
với nhau (tạo nhau một góc 900) và tích của 2 vectơ là bằng 0.

Hình 2.3: Tích của hai vectơ vuông góc bằng 0
2.2.2 Sơ đồ điều chế
ai , + L

d k ,+ L

Xung cơ
sở

X
ejL ω s t

ai ,n

d k ,n

{ al }
ai , − L

d k ,−L

Xung cơ
sở

m,(t)
X

m(t)

ejn ω s t

Xung cơ
sở

X
e- jL ω s t

Hình 2.4: Bộ điều chế OFDM
Giả sử băng thông hệ thống là B chia thành Nc kênh con, với chỉ số kênh con
là n, n ∈ { − L,− L + 1,...,−1,0,1,..., L − 1, L} , nên NFFT=2L+1. Dòng dữ liệu đầu vào { al }
chia thành NFFT dòng song song với tốc độ dữ liệu giảm đi N FFT lần thông qua bộ
chia nối tiếp/song song. Dòng bit trên mỗi luồng song song { al } lại được điều chế
thành mẫu của tín hiệu phức đa mức d k ,n , n là chỉ số song mang phụ, i là chỉ số khe
thời gian tương ứng với Nc bit song song sau khi qua bộ S/P, k là chỉ số khe thời
gian ứng với Nc mẫu tín hiệu phức.Các mẫu tín hiệu phát d k ,n được nhân với xung
25