OFDM và ứng dụng trong wimax

NGUYỄN TIẾN DŨNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

NGUYỄN TIẾN DŨNG

ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG WIMAX

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

KHOÁ 20082010

Hà Nội–2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------NGUYỄN TIẾN DŨNG

OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG WIMAX

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Chuyên ngành: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
PGS.TS Nguyễn Quốc Trung

Hà Nội– 2011


MỤC LỤC
MỤC LỤC ................................................................................................................................... i
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT .......................................................... iii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ..................................................................................... v
MỞ ĐẦU .................................................................................................................................... 1
NỘI DUNG ................................................................................................................................. 3
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WiMAX ............................................................. 3
1.1 Giới thiệu về wimax............................................................................................................. 3
1.2 Mô hình hệ thống .................................................................................................................. 4
1.3 Các ưu và nhược điểm của công nghệ WiMAX .................................................................. 6
1.3.1 Một số ưu điểm chính của công nghệ WiMAX ................................................................. 6
1.3.1.1 Lớp vật lí của WiMAX dựa trên nền kĩ thuật OFDM (ghép kênh phân tần trực giao) .. 6
1.3.1.2 Hệ thống WiMAX có công suất cao .............................................................................. 7
1.3.1.3 Lớp MAC dựa trên nền OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Accesstruy nhập OFDM) ....................................................................................................................... 7
1.3.1.4 Chuẩn cho truy cập vô tuyến cố định và di động tương lai ............................................ 8
1.3.1.5 Chi phí thấp ..................................................................................................................... 8
1.3.2 Một số nhược điểm của công nghệ WiMAX ..................................................................... 8
1.4 Cấu trúc của WiMAX ........................................................................................................... 9
1.4.1 Các đặc tính của lớp vật lý ( PHY) .................................................................................... 9
1.4.2 Các đặc tính của lớp truy nhập (MAC) ............................................................................ 12
1.5 So sánh WiMAX với WiFi ................................................................................................. 13
1.6 Các dải tần áp dụng ............................................................................................................. 14
1.6.1 Các dải tần cấp phép 11-66 GHz .................................................................................... 14
1.6.2 Các dải tần cấp phép dưới 11 GHz ................................................................................ 14
1.6.3 Các dải tần được miễn cấp phép dưới 11 GHz (chủ yếu từ 5-6 GHz) ............................. 15
1.7 Ứng dụng của WiMAX..................................................................................................... 15

1.7.1 Các mạng riêng .............................................................................................................. 16
1.7.1.1 Chuyển về các nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến ........................................................... 16
1.7.1.2 Các mạng giáo dục ........................................................................................................ 17
1.7.1.3 An ninh công cộng ...................................................................................................... 18
1.7.1.4 Các phương tiện liên lạc xa bờ .................................................................................. 19
1.7.2 Các mạng công cộng ...................................................................................................... 20
1.7.2.1 Nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến truy cập mạng ........................................................... 21
1.7.2.2 Kết nối nông thôn ....................................................................................................... 22
Chương 2: KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM ............................................................................ 24
2.1 Giới thiệu kỹ thuật điều chế OFDM ................................................................................... 24
2.1.1 Khái niệm ......................................................................................................................... 24
2.1.2 Lịch sử phát triển ............................................................................................................. 26
2.1.3 Các ưu và nhược điểm của kĩ thuật OFDM ..................................................................... 26
2.2 Nguyên lý điều chế OFDM ................................................................................................. 27
2.2.1 Sự trực giao của hai tín hiệu ............................................................................................ 27
2.2.2 Sơ đồ điều chế .................................................................................................................. 28

i


2.2.3 Thực hiện bộ điều chế bằng thuật toán IFFT ................................................................. 29
2.2.4 Chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM ............................................................................. 30
2.2.5 Phép nhân với xung cơ bản ............................................................................................ 32
2.3 Nguyên lý giải điều chế OFDM .......................................................................................... 33
2.3.1 Truyền dẫn phân tập đa đường ........................................................................................ 33
2.3.2 Nguyên tắc giải điều chế .................................................................................................. 34
2.3.2.1 Sơ đồ ............................................................................................................................ 34
2.3.2.2 Thực hiện giải điều chế bằng thuật toán FFT .............................................................. 35
2.4 Ứng dụng và hướng phát triển của kỹ thuật điều chế OFDM .......................................... 36
2.4.1 Hệ thống DRM................................................................................................................ 37

2.4.2 Các hệ thống DVB .......................................................................................................... 38
2.4.2.1 DVB-T ......................................................................................................................... 38
2.4.2.2 DVB-H : Điện thoại di động truyền hình ................................................................... 39
Chương 3: KỸ THUẬT OFDM TRONG WIMAX ................................................................. 44
3.1 Giới thiệu kỹ thuật OFDMA .............................................................................................. 44
3.2 Đặc điểm ............................................................................................................................ 44
3.3 OFDMA nhảy tần ............................................................................................................. 46
3.4 Hệ thống OFDMA ............................................................................................................ 47
3.4.1 Chèn chuỗi dẫn đường ở miền tần số và miền thời gian ................................................ 51
3.4.2 Điều chế thích nghi ......................................................................................................... 52
3.4.3 Các kĩ thuật sửa lỗi ........................................................................................................ 53
3.4.3.1 Mã hóa LDPC (Low-Density-Parity-Check) .............................................................. 54
3.4.3.2 Mã hoá Reed-Solomon ............................................................................................... 57
3.5 Điều khiển công suất......................................................................................................... 59
Chương 4: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG OFDM ......................................... 61
4.1 Mô phỏng hệ thống OFDM bằng simulink ......................................................................... 61
4.2 Một số lưu đồ thuật toán của chương trình ....................................................................... 65
4.2.1 Lưu đồ mô phỏng kênh truyền ....................................................................................... 65
4.2.2 Lưu đồ mô phỏng thu phát tín hiệu OFDM ................................................................... 66
4.2.3 Lưu đồ mô phỏng thu phát tín hiệu QAM .................................................................... 67
4.2.4 Lưu đồ mô phỏng thuật toán tính BER .......................................................................... 69
4.3 So sánh tín hiệu QAM và OFDM ..................................................................................... 70
Chương 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 72
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................ 74

ii


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT
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

iii


`OFDM

Orthogonal Frequency Division Multiplexing

OFDMA

Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access

QPSK

Quadrature phase shift keying

QAM

Quadrature Amplitude Modulation

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)

iv


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Mô hình hệ thống WiMAX .................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.2 Miền Fresnel trong trường hợp LOS ...................... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.3 Truyền sóng trong trường hợp NLOS..................... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.5 Minh hoạ chuyển về nhà cung cấp dịch vụ ........... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.6 Minh hoạ về mạng giáo dục ................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.7 Minh hoạ về mạng an ninh công cộng ................... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.8 Minh hoạ về mạng liên lạc xa bờ ........................... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.9 Minh hoạ về mạng WiMAX của nhà cung cấp dịch vụ....... Error! Bookmark not
defined.
Hình 1.10 Minh hoạ về mạng WiMAX cho kết nối ở vùng nông thôn ..... Error! Bookmark
not defined.
Hình 2.1: So sánh giữa FDMA và OFDM ............................. Error! Bookmark not defined.
Hình 2.4 Bộ điều chế OFDM ................................................ Error! Bookmark not defined.
Hình 2.5 Chuỗi bảo vệ GI .................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.6 Tác dụng của chuỗi bảo vệ .................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.7 Xung cơ bản .......................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.8 Mô hình kênh truyền ............................................. Error! Bookmark not defined.

Hình 2.9 Bộ thu tín hiệu OFDM ........................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.10 Tách chuỗi bảo vệ ................................................ Error! Bookmark not defined.
Hình 2.11 Hệ thống DRM..................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.12 Sơ đồ khối bộ DVB-T .......................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.1 ODFM và OFDMA ................................................. Error! Bookmark not defined.
Hình 3.2 Ví dụ của biểu đồ tần số, thời gian với OFDMA. .. Error! Bookmark not defined.
Hình 3.3 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. ................................................................ Error! Bookmark not defined.
Hình 3.4 6 mẫu nhảy tần trực giao với 6 tần số nhảy khác nhau ........ Error! Bookmark not
defined.
Hình 3.5: Tổng quan hệ thống sử dụng OFDMA ................ Error! Bookmark not defined.
Hình 3.6 Mẫu tín hiệu dẫn đường trong OFDMA ................ Error! Bookmark not defined.
Hình 3.7 OFDMA downlink ................................................. Error! Bookmark not defined.
Hình 3.8 Cấu trúc cụm trong OFDMA downlink .................. Error! Bookmark not defined.
Hình 3.9 OFDMA uplink ....................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.10 Cấu trúc cụm trong OFDMA uplink ..................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.11 Chèn chuỗi dẫn đường trong miền tần số và thời gian ....... Error! Bookmark not
defined.
Hình 3.12 Điều chế thích nghi ............................................. Error! Bookmark not defined.
Hình 3.13 Ví dụ về một ma trận mã LDPC ........................ Error! Bookmark not defined.
Hình 3.14 Sơ đồ tạo mã RS ................................................. Error! Bookmark not defined.
Hình 3.15 Sơ đồ syndrome thu của RS ................................ Error! Bookmark not defined.
Hình 4.8 Lưu đồ mô phỏng kênh truyền .............................. Error! Bookmark not defined.

v


Hình 4.9 Lưu đồ mô phỏng phát ký tự OFDM ..................... Error! Bookmark not defined.
Hình 4.10 Lưu đồ mô phỏng thu........................................... Error! Bookmark not defined.

vi


MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
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 “OFDM VÀ ỨNG
DỤNG TRONG WIMAX”.
Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu
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: 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
Mục tiêu thứ ba: Thực hiện việc mô phỏng quá trình xử lý tín hiệu trong WiMAX
dựa trên kỹ thuật OFDM
Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả
Nội dung đồ án gồm 4 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.

1


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 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.
Chương 4: Chương trình mô phỏng hệ thống OFDM
Để hiểu hơn những vấn đề lý thuyết được trình bày trong những chương trước.
Trong chương cuối cùng này, sẽ trình bày chương trình mô phỏng quá trình xử lý tín
hiệu trong WiMAX dựa trên kỹ thuật điều chế OFDM. Đây là chương trình được viết
bằng Matlab, chương trình bao gồm sơ đồ khối mô phỏng sự phát và thu OFDM, mô
phỏng kênh truyền, tính BER so sánh tín hiệu OFDM và QAM, sơ đồ khối mô phỏng
hệ thống OFDM bằng simulink của Matlab.
Phương pháp nghiên cứu
-

Nghiên cứu công nghệ WIMAX.

-

Nghiên cứu kỹ thuật điều chế OFDM trong WIMAX

-

Nghiên cứu kỹ thuật đa truy nhập phân tần trực giao OFDMA

-

Xây dựng hệ thống mô phỏng trên Matlab, đánh giá chất lượng của tín hiệu
OFDM với các phương pháp điều chế khác.

2


NỘI DUNG
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WiMAX
™ Giới thiệu chương: 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.
1.1 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

3


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 Mô hình hệ thống
Mô hình phủ sóng mạng WiMAX tương tự như một mạng điện thoại di động :

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.

4


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 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 Miền Fresnel trong trường hợp LOS
Trong trường hợp truyền NLOS, hệ thống sử dụng băng tần thấp hơn 2- 11GHz,
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

5


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 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.

1.3 Các ưu và nhược điểm của công nghệ WiMAX
1.3.1 Một số ưu điểm chính của công nghệ WiMAX
1.3.1.1 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.

6


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.
1.3.1.2 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.
1.3.1.3 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 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.

7


1.3.1.4 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), ….
1.3.1.5 Chi phí thấp
• Thiết lập, cài đặt dịch vụ WiMAX dễ dàng sẽ giảm chi phí cho nhà cung cấp
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.
1.3.2 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.

8


• 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 tại Bưu điện tỉnh,
huyện chứ chưa có những kết luận chính thức về tính hiệu quả đáng kể của hệ
thống.
1.4 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.
1.4.1 Các đặc tính của lớp vật lý ( PHY)
Có 3 kiểu lớp vật lý ( PHY) được đưa ra trong chuẩn 802.16 :

9


• 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, 16QAM, 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.

10


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 với
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).

11

1.4.2 Các đặc tính của lớp truy nhập (MAC)

Convergence
MAC Layer

MAC Layer
Tranmission

Physical Layer

Physical Layer

Kiến trúc phân lớp
của WiMAX

Mô hình OSI

Hình 1.4 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 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 ADSL 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

12


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
1.5 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
• 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

13


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
1.6 Các dải tần áp dụng
1.6.1 Các dải tần cấp phép 11-66 GHz
Dải tần từ 11-66 GHz hoạt động trong các môi trường vật lý có bước sóng
ngắn,tầm nhìn thẳng (LOS) và ảnh hưởng của đa đường là không đáng kể. Thông
thường, độ rộng băng tần của kênh trong dải tần này là 25 MHz hoặc 28 MHz.Ở dải tần
này, giao diện vô tuyến áp dụng kiểu điều chế sóng mang đơn WirelessMAN SC
1.6.2 Các dải tần cấp phép dưới 11 GHz
Các tần số dưới 11 GHz hoạt động trong các môi trường vật lý có bước sóng lớn
hơn,điều kiện LOS là không cần thiết và có thể chấp nhận đa đường lớn hơn. Nó có
khả năng hỗ trợ LOS gần và NLOS.
Giao diện

Khả năng

Các tuỳ chọn

áp dụng
WirelessMAN-SCTM

11-66 GHz

WirelessMAN-SCaTM

Các băng tần dưới AAS,
11GHz được cấp phép STC

Phương thức
song công
TDD, FDD

ARQ, TDD, FDD

WirelessMAN-OFDMTM Các băng tần dưới AAS, ARQ, TDD, FDD
11GHz được cấp phép Mesh, STC
WirelessMAN-OFDMA

Các băng tần dưới AAS,
11GHz được cấp phép STC

ARQ, TDD, FDD

WirelessHUMANTM

Các băng tần dưới 11 AAS,

ARQ, TDD

14


GHz được miễn cấp Mesh, STC
phép

Bảng 1.1 Đặc tính của các giao diện vô tuyến
1.6.3 Các dải tần được miễn cấp phép dưới 11 GHz (chủ yếu từ 5-6 GHz)
Đây là băng tần được nhiều nước cho phép sử dụng không cần cấp phép và với
công suất tới cao hơn so với các đoạn băng tần khác trong dải 5GHz (5125-5250 MHz
), thường được sử dụng trong các ứng dụng trong nhà. Băng tần này thích hợp để triển
khai WiMax cố định, độ rộng kênh là 10 MHz.
1.7 Ứng dụng của WiMAX
Đối với các doanh nghiệp, WiMAX cho phép truy cập băng rộng với chi phí
hợp lý. Vì phần lớn các doanh nghiệp sẽ không được chia thành khu vực để có đường
cáp, lựa chọn duy nhất của họ đối với dịch vụ băng rộng là từ các nhà cung cấp viễn
thông địa phương. Điều này dẫn tới sự độc quyền. Các doanh nghiệp sẽ được hưởng lợi
từ việc triển khai các hệ thống WiMAX, nhờ tạo ra sự cạnh tranh mới trên thị
trường,giảm giá và cho phép các doanh nghiệp thiết lập mạng riêng của mình. Điều
này đặc biệt phù hợp đối với các ngành như khí đốt, mỏ, nông nghiệp, vận tải, xây
dựng và các ngành khác nằm ở những vị trí xa xôi, hẻo lánh.
Đối với người sử dụng là hộ gia đình ở những vùng nông thôn (nơi dịch vụ DSL
và cáp chưa thể vươn tới), WiMAX mang lại khả năng truy cập băng rộng. Điều này
đặc biệt phù hợp ở các nước đang phát triển nơi mà hạ tầng viễn thông truyền thống
vẫn chưa thể tiếp cận.
Công nghệ WiMAX cách mạng hoá phương pháp truyền thông. Nó cung cấp hoàn toàn
tự do cho những người thường xuyên di chuyển, cho phép họ lưu lại kết nối thoại, dữ

liệu và các dịch vụ hình ảnh. WiMAX cho phép ta đi từ nhà ra xe, sau đó đi đến công
sở hoặc bất cứ nơi nào trên thế giới, hoàn toàn không có đường nối. Để minh hoạ khả
năng của WiMAX cho các ứng dụng được phân cấp trong phần trước, một vài mô hình
sử dụng tiêu biểu được nhóm thành hai loại lớn: các mạng công cộng và riêng

15


1.7.1 Các mạng riêng
Các mạng riêng, được dùng dành riêng cho một tổ chức, cơ quan hoặc cơ sở kinh
doanh, cung cấp các liên kết thông tin chuyên dụng đảm bảo chuyển giao tin cậy thoại,
dữ liệu và hình ảnh. Triển khai đơn giản và nhanh thường được ưu tiên cao, và các cấu
hình tiêu biểu là điểm tới điểm hoặc điểm tới đa điểm.
1.7.1.1 Chuyển về các nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến
Các nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến (WSPs) sử dụng thiết bị WiMAX để chuyển
lưu lượng từ trạm gốc về các mạng truy cập của họ, như được minh hoạ ở hình 1.5

Hình 1.5 Minh hoạ chuyển về nhà cung cấp dịch vụ
Các mạng truy cập dựa trên WiFi, WiMAX hoặc bất kỳ công nghệ truy cập vô tuyến
có đăng ký độc quyền. Nếu mạng truy nhập sử dụng thiết bị WiFi, thì toàn bộ mạng
WSP được xem như một hot zone. Vì các WSP thường cung cấp thoại, dữ liệu và hình
ảnh, nên đặc điểm QoS của WiMAX gắn liền sẽ giúp ưu tiên, tối ưu hoá dung lượng
chuyển về. Thiết bị WiMAX có thể được triển khai nhanh, tạo điều kiện thuận lợi cho
việc giới thiệu nhanh mạng WSP. Như đã được minh hoạ, điều kiện thuận lợi chuyển
về thuê từ công ty điện thoại địa phương sẽ tăng chi phí hoạt động, và triển khai giải
pháp cáp quang có thể rất tốn kém và yêu cầu lượng thời gian đáng kể, tác động chống

16

lại sự giới thiệu dịch vụ mới.Hơn nữa, cáp quang, DSL không có lợi nhuận trong các
vùng nông thôn, ngoại thành, và hầu hết các phiên bản của DSL,công nghệ cáp không
cung cấp được dung lượng yêu cầu cho các mạng này.
1.7.1.2 Các mạng giáo dục

Hình 1.6 Minh hoạ về mạng giáo dục
Các ban phụ trách trường học có thể sử dụng mạng WiMAX để kết nối các trường
với trụ sở ban trong một quận (huyện), như được minh hoạ ở dưới. Một số yêu cầu
chính cho hệ thống trường học là NLOS, độ rộng băng tần cao (>15 Mbps), khả năng
điểm tới điểm điểm tới đa điểm, và độ phủ rộng. Các mạng giáo dục dựa vào WiMAX
sử dụng QoS, có thể thực hiện đầy đủ các yêu cầu thông tin liên lạc, bao gồm hệ thống
thoại, hoạt động dữ liệu (như các báo cáo của sinh viên), email, truy cập internet,
intranet (dữ liệu), giáo dục từ xa (hình ảnh) giữa trụ sở ban và tất cả các trường trong
vùng; giữa các trường với nhau.

17