Nghiên cứu công nghệ OFDM và ứng dụng trong wimax

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------Phan Thị Thu Hường

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG WIMAX

Chuyên ngành : ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
PGS.TS.NGUYỄN VĂN KHANG

Hà Nội – Năm 2010


MỤC LỤC
MỤC LỤC....................................................................................................................i
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT..............................................v
DANH MỤC CÁC BẢNG...................................................................................... viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ....................................................................ix
MỞ ĐẦU....................................................................................................................xi
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN.......................................................................................1
1.1. Tóm tắt vấn đề nghiên cứu...............................................................................1
1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước.............................................1
1.3. Nội dung nghiên cứu, giới hạn vấn đề .............................................................3
1.4. Mục tiêu nghiên cứu.........................................................................................3
1.5 Phương pháp nghiên cứu...................................................................................3
CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT OFDM .............................................................................4

2.1. Giới thiệu chung..............................................................................................4
2.2. Nguyên lý làm việc của OFDM ......................................................................5
2.3. Tính trực giao của tín hiệu OFDM...................................................................7
2.4. Sử dụng biến đổi IFFT để tạo sóng mang con(subcarrier). ..........................10
2.5. ISI, ICI trong hệ thống OFDM......................................................................13
2.6. Ưu nhược điểm của hệ thống OFDM. ..........................................................17
CHƯƠNG 3: CÔNG NGHỆ WIMAX .....................................................................19
3.1. Giới thiệu chung.............................................................................................19
3.2. Đặc điểm của WiMax.....................................................................................21
3.3. Dải tần hoạt động của Wimax........................................................................22
3.4. Chuẩn IEEE 802.16........................................................................................23
3.5. Truyền sóng tầm nhìn thẳng và tầm nhìn hạn chế NLOS và LOS ................27
3.5.1. LOS (Light Of Sight) ..............................................................................27
3.5.2 NLOS .......................................................................................................28

i


3.5.3. Ảnh hưởng của khoảng cách đến mô hình truyền của hệ thống WiMax29
3.6. Các mô hình ứng dụng WiMax......................................................................30
3.6.1. Mô hình ứng dụng cố định (Fixed WiMAX)..........................................30
3.6.2. Mô hình ứng dụng WiMAX di động ......................................................31
3.7. Cấu hình mạng ...............................................................................................33
3.7.1. Cấu hình điểm – điểm PP........................................................................33
3.7.2 Cấu hình điểm – đa điểm PMP ................................................................33
3.7.3. Cấu hình MESH ......................................................................................34
3.8. Ứng dụng WiMAX ........................................................................................36
3.9. Ưu nhược điểm của WiMAX.........................................................................37
CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG OFDM TRONG HỆ THỐNG WIMAX VÀ TRIỂN
KHAI WIMAX TẠI VIỆT NAM .............................................................................42

4.1. OFDM sử dụng cho việc truyền dẫn vô tuyến ở hệ thống WiMax................42
4.2. Sơ đồ khối quá trình truyền - nhận tin ...........................................................45
4.3. OFDM Symbol...............................................................................................48
4.4 . Cấu trúc khung ..............................................................................................49
4.5. Triển khai thí điểm WiMax tại tỉnh Lào Cai..................................................51
4.5.1. Lựa chọn tần số và thiết bị Wimax .........................................................52
4.5.1.1 Lựa chọn tần số .................................................................................52
4.5.1.2. Lựa chọn thiết bị Wimax..................................................................53
4.5.2. Sơ đồ thiết kế tổng thể ............................................................................56
4.5.2.1 . Các yêu cầu thiết kế mô hình thử nghiệm.......................................56
4.5.2.2. Mô hình thiết kế tổng thể .................................................................57
4.5.2.3. Địa chỉ IP sử dụng............................................................................59
4.5.3. Mô hình triển khai thử nghiệm WiMax pha 1 tại TP Lào Cai ................60
4.5.3.1. Triển khai mô hình kết nối phía trạm gốc BS ..................................60
4.5.3.2. Triển khai mô hình kết nối phía người dùng....................................61
4.5.3.3. Phương án triển khai ứng dụng VoIP...............................................62
4.5.3.4. Kết quả thử nghiệm giai đoạn 1 tại thành phố Lào Cai ...................64

ii


4.5.4. Mô hình triển khai thử nghiệm WiMax pha 2 tại Tả Van, Xa Pa...........66
4.5.4.1. Triển khai mô hình kết nối phía trạm gốc........................................66
4.5.4.2. Triển khai mô hình kết nối phía người dùng....................................67
4.5.4.3. Phương án triển khai ứng dụng VoIP...............................................68
4.5.4.4. Kết quả thử nghiệm giai đoạn 2 tại bản Tả Van ..............................69
4.5.5. Cài đặt, cấu hình và kiểm tra hệ thống....................................................69
4.5.5.1. Cài đặt và cấu hình Router Zoom 4X ..............................................69
4.5.5.2. Cài đặt và cấu hình Router LinkSys.................................................71
4.5.5.3. Cài đặt và cấu hình tại trạm gốc BTS ..............................................73

4.5.5.4. Cài đặt và cấu hình CPE ..................................................................78
4.5.5.5. Cài đặt và cấu hình Server quản trị hệ thống WiMax......................80
4.5.5.6. Cài đặt và cấu hình thiết bị thử nghiệm Voice.................................83
4.5.6. Kiểm tra chất lượng và tính ổn đinh của hệ thống..................................90
4.5.6.1. Kiểm tra chất lượng mạng tại các điểm thử nghiệm........................90
4.5.6.2. Kiểm tra chất lượng thử nghiệm VoIP trên nền WiMax .................91
KẾT LUẬN ...............................................................................................................93
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................95

iii


LỜI CAM ĐOAN

Luận văn tốt nghiệp “ Nghiên cứu công nghệ OFDM và ứng dụng trong
WiMax” này đã được hoàn thành sau một thời gian nghiên cứu, tìm hiểu các nguồn
tài liệu sách báo chuyên ngành và thông tin trên mạng mà theo em là hoàn toàn tin
cậy. Nội dung của luận văn này được tổng hợp từ các tài liệu tham khảo được liệt kê
ở cuối luận văn. Em xin cam đoan luận văn này không hoàn toàn giống với các
công trình nghiên cứu cũng như các luận văn trước đây.

Học viên: Phan Thị Thu Hường
Lớp cao học ĐTVT khóa 2008-2010

iv


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
BER

Bit Error Rate

Tỷ lệ lỗi bit

BPSK

Binary Phase Shift Keying

Khoá dịch pha nhị phâ

BS

Base Station

Trạm gốc

BSC

Base Station Controler

Trạm điều khiển cơ sở

BTS

Base Transceiver Station

Trạm thu phát gốc

CDMA

Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo
mã

CC

Confirmation Code

Mã xác nhận

CPE

Customer Premise Equipment

Thiết bị tại nhà khách hàng

DAB

Digital Audio Broadcasting

Hệ thống phát thanh số và
truyền số liệu tốc độ cao

DFT

Discrete Fourier Transform

Phép biến đổi Fourier

DL

Downlink

Đường xuống

DVB-T

Digital Video Broadcasting – Hệ thống truyền hình số mặt

FDD

Terrestrial

đất

Frequency Division Duplexing

Song công phân chia theo
tần số

FDMA

Frequency Division Multiple Đa truy nhập phân chia theo
Access

tần số

FEC

Forward Error Correction

Hiệu chỉnh lỗi

FFT

Fast Fourier Transform

Thuật toán biến đổi nhanh
Fourier

GI

Guard Interval

Chuỗi bảo vệ

ICI

Intercarrier Interference

Nhiễu liên kênh

v


IDFT

Inverse

Discrete

Fourier Phép biến đổi ngược Fourier

Transform
IEEE
IFFT

Institute

of

Electrical

and Hiệp hội các kỹ sư Điện và

Electronic Engineers

Điện tử

Inverse Fast Fourier Transform

Thuật toán biến đổi nhanh
ngược Fouier

ISI

Intersymbol Interference

Nhiễu liên mẫu tín hiệu

LOS

Light Of Sight

Tầm nhình thẳng

MAC

Media Access Control

Điều khiển truy nhập đường
truyền

MAN

Metropolitan Area Network

Mạng diện rộng

MIMO

Multiple Input Multiple Output

Hệ thống đa anten phát và
thu

NLOS

Non Light Of Sight

Không theo tầm nhìn thẳng

NMS

Network Reference Provide

Phần mềm quản lý hệ thống

ODU

Outdoor Unit

Thiết bị ngoài trời

OFDM

Orthogonal

Frequency Ghép kênh phân chia theo

Division Multiplexing

tần số trực giao

Orthorgonal Frequency

Đa truy nhập phân chia theo

Division Multiple Access

tần số trực giao

PAN

Personal Access Network

Mạng truy nhập cá nhân

PC

Personal Computer

Máy tính cá nhân

PDA

Personal Digital Assistant

Hỗ trợ cá nhân dùng kĩ thuật

OFDMA

số
PMP

Point – to - MultiPoint

Điểm – Đa điểm

PP

Point – to - Point

Điểm – Điểm

PSK

Phase Shift Keying

Khoá dịch chuyển pha

QAM

Quadrature

Amplitude Phép điều chế biên độ cầu

Modulation

phương

vi


QoS

Quality of Service

Chất lượng dịch vụ

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

Khoá dịch chuyển pha cầu
phương

RS

Reed - Solomon

Mã Reed - Solomon

RF

Radio frequency

Tần số vô tuyến

Rx

Receiver

Đầu thu

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm

SS

Subscriber Stations

Trạm thuê bao

TDD

Time Division Duplexing

Song công phân chia theo
thời gian

TDMA

Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo
thời gian

Tx

Transmiter

Đầu phát

UL

Uplink

Đường lên

VoIP

Voice Over IP

Thoại qua IP

WiMAX

Worlwide Interoperability for Tương tác toàn cầu cho truy
Microwave Access

nhập vi ba

WLAN

Wireless Local Area Network

Mạng vô tuyến cục bộ

WMAN

Wireless

Metropolitan

Network

vii

Area Mạng vô tuyến diện rộng

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1: Các thông số kỹ thuật của chuẩn IEEE 802.16 ........................................26
Bảng 4.1: Sự suy giảm tín hiệu trong môi trường vô tuyến......................................43
Bảng 4.2: Bảng mô tả sửa lỗi với các lựa chọn khác nhau .......................................46
Bảng 4.3: Bảng mô tả các thông số trong khâu biến đổi OFDM..............................48

viii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 2.1: Sóng mang OFDM (N=8) ...........................................................................6
Hình 2.2: Kỹ thuật đa sóng mang không chồng xung và chồng xung. .......................7
Hình 2.3: Đáp ứng tần số của các subcarrier .............................................................9
(a) Mô tả phổ của mỗi subcarrier và mẫu tần số.........................................................9
rời rạc được nhìn thấy của bộ thu OFDM. ..................................................................9
(b) Mô tả đáp ứng tổng cộng của 5 subcarrier (đường tô đậm). .................................9
Hình 2.4: Bộ điều chế OFDM ...................................................................................11
Hình 2.5: Mô tả truyền tín hiệu đa đường tới máy thu. ............................................13
Hình 2.6: Chèn thời khoảng bảo vệ vào tín hiệu OFDM ..........................................15
Hình 2.7: Phổ của bốn sóng mang trực giao .............................................................16
Hình 2.8: Phổ của bốn sóng mang không trực giao ..................................................16
Hình 3.1: Môi trường LOS........................................................................................27
Hình 3.2: Môi trường NLOS.....................................................................................28
Hình 3.3: Ảnh hưởng của khoảng cách tới hệ thống WiMax ...................................29
Hình 3.4 : Mô hình ứng dụngWiMAX cố định.........................................................30
Hình 3.5: Mô hình ứng dụng WiMAX di động ........................................................32
Hình 3.6: Cấu hình điểm – đa điểm PMP .................................................................34
Hình 3.7: Cấu hình Mesh ..........................................................................................35

Hình 3.8: Ứng dụng cho mạng Backhaul..................................................................36
Hình 3.9: Các tính năng của WiMax.........................................................................37
Hình 4.1: Suy giảm tín hiệu theo khoảng cách .........................................................43
Hình 4.2: Quá trình truyền nhận tin ..........................................................................45
Hình 4.4: Cấu trúc symbol trong miền thời gian ......................................................49
Hình 4.5: Cấu trúc symbol trong miền tần số ...........................................................49
Hình 4.6: Cấu trúc khung WMAN-OFDM PHY với trường hợp TDD ...................50
Hình 4.7: Cấu trúc khung WMAN-OFDM PHY với trường hợp FDD....................51
Hình 4.8: Trung tâm quản lý .....................................................................................55

ix


Hình 4.9 : Sơ đồ kết nối tổng thể ..............................................................................57
Hình 4.10: Sơ đồ kết nối trạm gốc BS ......................................................................60
Hình 4.11: Sơ đồ kết nối đầu cuối ( End-User).........................................................62
Hình 4.12: Sơ đồ kết nối cho ứng dụng VoIP...........................................................63
Hình 4.13: Mô hình đấu nối trạm gốc .......................................................................66
Hình 4.14: Sơ đồ kết nối phía người dùng ................................................................67
Hình 4.15: Sơ đồ đấu nối hệ thống VoIP/WIMAX ..................................................68

x


MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, các dịch vụ ứng dụng trên Internet đã có bước
phát triển bùng nổ với nhiều loại hình dịch vụ mới như các dịch vụ mua bán trực
tuyến, ngân hàng, du lịch hay các dịch vụ đào tạo từ xa, game trực tuyến... Cùng với
sự phát triển bùng nổ của các loại hình dịch vụ trên Internet, các công nghệ truy
nhập cũng liên tục được phát triển để đáp ứng những đòi hỏi ngày càng cao về băng

thông cho truy nhập Internet. Các công nghệ truy nhập băng rộng đã được phát triển
nhanh chóng trong những năm gần đây bao gồm các công nghệ truy nhập hữu tuyến
và công nghệ vô tuyến.
Một loạt các chuẩn về mạng truy nhập vô tuyến băng rộng đã được nhiều tổ
chức nghiên cứu, xây dựng và phát triển như chuẩn IEEE 802.11x, IEEE 802.15,
IEEE 802.16, IEEE 802.20, HIPERLAN 1/2, HomeRF, chuẩn Bluetooth, vv...
Phạm vi ứng dụng của các chuẩn này bao trùm từ mạng cá nhân (PAN), mạng nội
bộ (LAN), mạng diện rộng (MAN) và mạng diện rộng (WAN).
Hệ thống WiMAX được sản xuất dựa trên họ tiêu chuẩn IEEE 802.16 đang
được các hãng cung cấp thiết bị cũng như nhà cung cấp dịch vụ quan tâm đặc biệt.
Các hệ thống WiMAX cố định dựa trên chuẩn 802.16-2004 đã được sản xuất, đưa
vào thử nghiệm và đã được diễn đàn WiMAX cấp chứng nhận đã cho thấy rõ những
ưu điểm của công nghệ này. Hệ thống WiMAX di động dựa trên tiêu chuẩn 802.16e
cũng đang được các nhà cung cấp thiết bị lên kế hoạch để đưa thiết bị vào thử
nghiệm .
WiMax được phát triển dựa trên nền tảng công nghệ ghép kênh phân chia
theo tần số trực giao. Lợi ích của WiMax là khả năng ghép kênh cao, vì thế các nhà
cung cấp dịch vụ có thể dễ dàng cung cấp cho khách hàng dịch vụ truy nhập không
dây. Ngoài ra WiMax có khả năng họat động trong môi trường NLOS.
Mạng Viễn thông Việt Nam trong những năm qua đã có sự phát triển mạnh
mẽ, các hệ thống cung cấp dịch vụ truy nhập băng rộng đã và đang được triển
khai tại hầu hết các tỉnh thành. Tuy nhiên, phần lớn vẫn là các hệ thống xDSL

xi


cung cấp truy nhập hữu tuyến và hệ thống WiFi với phạm vi phục vụ còn rất hạn
chế. Trong khi đó, nhu cầu sử dụng dịch vụ băng rộng lại đang đòi hỏi rất cấp
thiết tại nhiều vùng, nhiều khu vực mà các giải pháp hiện có rất khó triển khai
hoặc triển khai chậm. Để có thể triển khai nhanh chóng và hiệu quả hệ thống truy

nhập băng rộng tại các khu vực này thì việc nghiên cứu triển khai các hệ thống truy
nhập vô tuyến băng rộng WiMAX là hết sức cần thiết.
Với mục đích tìm hiểu về công nghệ WiMAX để đánh giá, lựa chọn giải
pháp, thiết bị và hệ thống mạng phù hợp với điều kiện tại Việt Nam, luận văn sẽ
gồm 4 chương cụ thể như sau:
Chương 1: Tóm tắt nội dung sẽ trình bày trong luận văn
Chương 2: Giới thiệu tổng quan kỹ thuật OFDM và các ưu điểm của
OFDM.
Chương 3: Trình bày công nghệ WiMax và đặc điểm của WiMax
Chương 4: Trình bày ứng dụng kỹ thuật OFDM trong hệ thống WiMax
và triển khai thực tế tại Việt Nam, trong đó luận văn sẽ đi sâu vào dự án
triển khai thử nghiệm công nghệ WiMax tại Lào Cai.
Do hạn chế về nhiều mặt nên Luận văn chắc chắn không tránh khỏi những
thiếu xót, rất mong được sự đóng góp ý kiến của Thầy, Cô và các bạn để Luận văn
được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo, PGS.TS. Nguyễn Văn Khang đã tận
tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá trình hoàn thành luận văn. Em cũng
xin trân thành cảm ơn các thầy, cô, bạn bè cùng toàn thể người thân đã giúp đỡ và
chỉ bảo cho em trong thời gian thực hiện luận văn này.

xii


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Tóm tắt vấn đề nghiên cứu
Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao là một kĩ thuật truyền mà trong đó
tập hợp những sóng mang trực giao với nhau rồi truyền đồng thời. Ứng dụng kĩ
thuật OFDM, ta có khả năng truyền thông tin tốc độ cao, sử dụng băng thông hiệu
quả, chống được nhiễu liên kí tự ISI, nhiễu liên sóng mang ICI, chống được fading
chọn lọc tần số.... Kĩ thuật OFDM được biết đến cách đây khoảng 40 năm nhưng

mà nó mới được ứng dụng rộng rãi những năm gần đây. Những sản phẩm ứng dụng
kĩ thuật OFDM có thể kể đến WIMAX (Worlwide interoperationability for
Microwaves Access), WLAN (Wireless Local Area Network) 802.1, x-DSL (xDigital Subcriber Line) và DVT (Digital Video Broadcasting)…
Luận văn tốt nghiệp: “ Nghiên cứu công nghệ OFDM và ứng dụng trong
WiMax” sẽ trình bày những nét cơ bản nhất của công nghệ OFDM, công nghệ
WiMax và ứng dụng công nghệ OFDM trong hệ thống WiMax. Ngoài ra, đồ án còn
đề cập đến tình hình triển khai công nghệ WiMax tại Việt Nam.

1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước
Công nghệ WiMAX, hay còn gọi là chuẩn 802.16 được biết tới là công nghệ
không dây băng thông rộng. Không giống các chuẩn không dây khác, WiMAX cho
phép truyền dữ liệu trên nhiều dải tần, có thể tránh “đụng độ” với những ứng dụng
không dây khác.
WiMAX cho tốc độ cao một phần nhờ kỹ thuật OFDM (Orthogonal
Frequency Division Multiplexing) cho phép tăng băng thông bằng cách chia tách
các kênh băng rộng thành nhiều kênh băng hẹp, mỗi kênh dùng tần số khác nhau để
truyền đồng thời các gói dữ liệu.
Theo thống kê trên Website của liên minh Wimax, thế giới hiện có 568 mạng
ở 148 quốc gia đang triển khai công nghệ Wimax. Riêng khu vực châu Á có 100
mạng triển khai công nghệ không dây này. Tại Việt Nam công nghệ này cũng đã
được triển khai thử nghiệm khá sớm từ năm 2004 tới giờ.

1


Hiện nay Việt Nam đang có bốn doanh nghiệp được Bộ Bưu chính Viễn
thông cấp phép thử nghiệm dịch vụ Wimax là Tập đoàn bưu chính viễn thông
VNPT (thực hiện cả Wimax cố định Fixed và di động Mobile), Tổng công ty truyền
thông đa phương tiện VTC (tập trung vào dịch vụ hình, ví dụ IPTV), Tổng công ty
viễn thông quân đội Viettel (Wimax di động) và Công ty cổ phần viễn thông FPT

Telecom (thực hiện cả Wimax cố định và di động ở dải tần 2,3 Ghz và 3,3 Ghz).
Trong đó FPT telecom đang triển khai trong giai đoạn lựa chọn thiết bị, thử nghiệm
kỹ thuật và nghiên cứu các dự án tiến hành thí nghiệm. Viettel Telecom đã thử
nghiệm tại Hà Nội với 72 thiết bị đầu cuối và khoảng 60 khách hàng. Trước mắt khi
giá thiết bị còn cao Viettel sẽ cung cấp cho khách hàng lớn chưa cung cấp rộng rãi
cho khách hàng bình dân.
WiMax với thế mạnh là phủ sóng Internet rộng, không căn cứ vào địa hình
bằng phẳng hay hiểm trở, nên rất phù hợp cho việc phổ cập Internet băng thông
rộng tại mọi miền đất nước, kể cả vùng sâu, vùng xa của Việt Nam. Wimax được
coi là công nghệ lý tưởng cho toàn bộ khu vực Đông Nam Á, giúp các nước trong
khu vực thực hiện các mục tiêu cấp thiết như: Chính phủ điện tử, Phát triển giáo dục
và y tế, Phát triển nông nghiệp,…
Gồm hai loại hình: Wimax cố định (Fixed Wimax) và Wimax di động (Mobile
Wimax), công nghệ này sẽ trở thành phổ biến trên toàn bộ các thiết bị: máy tính,
điện thoại di động, PDA.... Wimax cố định có tốc độ tương đương với ADSL
(256/512/1024/2048...) trong khi không cần phải đi dây dẫn đến các nhà thuê bao.
Người dùng đầu cuối chỉ cần mua một thiết bị Indoor Wimax (kích thước bằng một
modem ADSL), rồi cắm dây mạng là có thể dùng được Internet tốc độ cao. Ngoài
ra, Wimax cố định cũng có thể thay thế đường truyền leased-line của các DN.
Bốn nhà cung cấp Việt Nam hiện tại (VNPT, FPT, VTC và Viettel) chỉ đang
được cấp phép thử nghiệm dịch vụ Wimax cố định, trên tần số 3.3GHz đến 3.4GHz.
Cuối năm 2007, Bộ BCVT đã cấp phép cung cấp dịch vụ Wimax di động. Wimax di
động mới là triển vọng lớn nhất của Wimax. Với công nghệ này, người dùng đầu
cuối có thể được sử dụng Internet tốc độ cao lên đến 1Mbps, tại bất kỳ nơi nào

2


trong vùng phủ sóng bán kính rộng nhiều km. Thiết bị đầu cuối của dịch vụ Wimax
di động có thể là các card PCMCIA, USB, hoặc đã được tích hợp sẵn vào trong con

chip máy tính (kiểu như công nghệ Centrino của Intel).

1.3. Nội dung nghiên cứu, giới hạn vấn đề
Đề tài tốt nghiệp: “ Nghiên cứu công nghệ OFDM và ứng dụng trong
WiMax” sẽ tập trung chủ yếu tìm hiểu, nghiên cứu những vấn đề sau:
- Tìm hiểu những vấn đề cơ bản nhất của công nghệ OFDM và ưu điểm của
công nghệ này.
- Tìm hiểu tổng quan công nghệ WiMax, các ứng dụng của WiMax.
- Nghiên cứu kỹ thuật OFDM sử dụng trong hệ thống WiMax.
- Nghiên cứu phương án triển khai hệ thống WiMax tại tỉnh Lào Cai.

1.4. Mục tiêu nghiên cứu
- Nghiên cứu việc triển khai công nghệ truy cập băng rộng không dây Wimax
tại các khu vực nông thôn, vùng sâu, vùng xa và tại những địa bàn phức tạp, nhiều
đồi núi sông suối, việc triển khai cáp truyền thống sẽ hết sức khó khăn.

1.5 Phương pháp nghiên cứu
- Tìm hiểu và phân tích tài liệu kỹ thuật, công nghệ OFDM và WiMax
- Tìm hiểu hiện trạng, yêu cầu cũng như ứng dụng công nghệ WiMax tại Việt
Nam.
- Nghiên cứu, tìm hiểu một số phương án triển khai thử nghiệm hệ thống
WiMax.

3


CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT OFDM
2.1. Giới thiệu chung
Ghép kênh phân chia theo tấn số trực giao OFDM là một trường hợp đặc biệt
của truyền dẫn đa sóng mang, tức là chia nhỏ một luồng dữ liệu tốc độ cao thành

nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn được truyền đồng thời trên cùng một kênh
truyền.OFDM là một phương thức điều chế hấp dẫn cho các kênh có đáp tuyến tần
số không phẳng, lịch sử của OFDM được bắt đầu từ 1960.
Trong OFDM, băng thông khả dụng được chia thành một số lượng lớn các
kênh con, mỗi kênh con nhỏ đến nỗi đáp ứng tần số có thể giả sử như là không đổi
trong kênh con. Luồng thông tin tổng quát được chia thành những luồng thông tin
con, mỗi luồng thông tin con được truyền trên một kênh con khác nhau. Những
kênh con này trực giao với nhau và dễ dàng khôi phục lại ở đầu thu. Chính điều
quan trọng này làm giảm xuyên nhiễu giữa các symbol (ISI) và làm hệ thống
OFDM hoạt động tốt trong các kênh fading nhiều tia. Dựa vào các lợi ích của sự
tiến bộ trong kỹ thuật RF và DSP, hệ thống OFDM có thể đạt được tốc độ cao trong
truy xuất vô tuyến với chi phí thấp và hiệu quả sử dụng phổ cao.
Trong hệ thống FDM (Frequency Division Multiplexer) truyền thống, băng tần
số của tổng tín hiệu được chia thành N kênh tần số con không trùng lắp. Mỗi kênh
con được điều chế với một symbol riêng lẻ và sau đó N kênh con được ghép kênh
tần số với nhau. Điều này giúp tránh việc chồng lấp phổ của những kênh và giới hạn
được xuyên nhiễu giữa các kênh với nhau. Tuy nhiên, điều này dẫn đến hiệu suất sử
dụng phổ thấp. Để khắc phục vấn đề hiệu suất, nhiều ý kiến đã được đề xuất từ giữa
những năm 60 là sử dụng dữ liệu song song và FDM với các kênh con chồng lấp
nhau, trong đó mỗi sóng mang tín hiệu có băng thông 2b được cách nhau một
khoảng tần b để tránh hiện tượng cân bằng tốc độ cao, chống lại nhiễu xung và
nhiễu đa đường, cũng như sử dụng băng tần một cách có hiệu quả.

4


Ý nghĩa của trực giao cho ta biết rằng có một sự quan hệ toán học chính xác
giữa những tần số của các sóng mang trong hệ thống. Trong hệ thống ghép kênh
phân chia tần số thông thường, nhiều sóng mang được cách nhau ra một phần để
cho tín hiệu có thể thu được tại đầu thu bằng các bộ lọc và bộ giải điều chế thông

thường. Trong những bộ thu như thế, các khoảng tần bảo vệ được đưa vào giữa
những sóng mang khác nhau và trong miền tần số sẽ làm cho hiệu suất sử dụng phổ
giảm đi.
Vào năm 1971, Weinstein và Ebert đã ứng dụng biến đổi Fourier rời rạc (DFT)
cho hệ thống truyền dẫn dữ liệu song song như một phần của quá trình điều chế và
giải điều chế. Điều này làm giảm đi số lượng phần cứng cả ở đầu phát và đầu thu.
Thêm vào đó, việc tính toán phức tạp cũng có thể giảm đi một cách đáng kể bằng
việc sử dụng thuật toán biến đổi Fourier nhanh (FFT), đồng thời nhờ những tiến bộ
gần đây trong kỹ thuật tích hợp với tỷ lệ rất cao (VLSI) và kỹ thuật xử lý tín hiệu số
(DSP) đã làm được những chíp FFT tốc độ cao, kích thước lớn có thể đáp ứng cho
mục đích thương mại và làm giảm chi phí bổ sung của những hệ thống OFDM một
cách đáng kể.
Hiện nay, OFDM được sử dụng trong nhiều hệ thống như ADSL,các hệ thống
không dây như IEEE802.11 (Wi-Fi) và IEEE 802.16 (WiMAX), phát quảng bá âm
thanh số (DAB), và phát quảng bá truyền hình số mặt đất chất lượng cao (HDTV) .

2.2. Nguyên lý làm việc của OFDM
a) Khái niệm OFDM
OFDM là kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao. OFDM phân
toàn bộ băng tần thành nhiều kênh băng hẹp, mỗi kênh có một sóng mang. Các sóng
mang này trực giao với các sóng mang khác có nghĩa là có một số nguyên lần lặp
trên một chu kỳ kí tự. Vì vậy, phổ của mỗi sóng mang bằng “không” tại tần số trung
tâm của tần số sóng mang khác trong hệ thống. Kết quả là không có nhiễu giữa các
sóng mang phụ. Hình 2.1 minh họa phổ sóng mang khi N=8.

5


Hình 2.1: Sóng mang OFDM (N=8)
b) Nguyên lý cơ bản của OFDM

Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia nhỏ một luồng dữ liệu tốc độ cao trước
khi phát thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu đó
trên một sóng mang con khác nhau . Các sóng mang này là trực giao với nhau , điều
này được thực hiện bằng cách chọn độ giãn tần số một cách hợp lý . Bởi vì khoảng
thời symbol tăng lên cho các sóng mang con song song tốc độ thấp hơn, cho nên
lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đường được giảm xuống. Nhiễu xuyên ký tự ISI
được hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảng thời bảo vệ trong mỗi
symbol OFDM. Trong khoảng thời bảo vệ, symbol OFDM được mở rộng theo chu
kỳ (cyclicall extended) để tránh xuyên nhiễu giữa các sóng mang ICI.

6


Ch.1

Ch.10

Tần số

(a)

Khoảng thông tiết kiệm

Tần số

(b)

Hình 2.2: Kỹ thuật đa sóng mang không chồng xung và chồng xung.
Hình 2.2 minh họa sự khác nhau giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang không
chồng xung và kỹ thuật đa sóng mang chồng xung. Bằng cách sử dụng kỹ thuật đa

sóng mang chồng xung, ta có thể tiết kiệm được khoảng 50% băng thông. Tuy
nhiên, trong kỹ thuật đa sóng mang chồng xung, chúng ta cần triệt để giảm xuyên
nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này cần phải trực giao với nhau.

2.3. Tính trực giao của tín hiệu OFDM
Các tín hiệu là trực giao nhau nếu chúng độc lập tuyến tính với nhau.Trực giao
là một đặc tính giúp cho các tín hiệu đa thông tin(multiple information ssignal)
được truyền một cách hoàn hảo trên cùng một kênh truyền thông thường và được
tách ra mà không gây nhiễu xuyên kênh.Việc mất tính trực giao giữa các sóng mang
sẽ tạo ra sự chồng lặp giữa các tín hiệu mang tin và làm suy giảm chất lượng tín
hiệu và làm cho đầu thu khó khôi phục lại được hoàn toàn thông tin ban đầu.
Trong OFDM, các sóng mang con được chồng lắp với nhau nhưng tín hiệu vẫn
có thể được khôi phục mà không có xuyên nhiễu giữa các sóng mang kế cận bởi vì
giữa các sóng mang con có tính trực giao. Xét một tập các sóng mang con: f n (t ) ,
n=0,1,..., N −1, t1 ≤ t ≤ t 2 . Tập sóng mang con này sẽ trực giao khi:

7


t2

∫f
t1

n

⎧0
(t ). f m∗ (t )dt = ⎨
⎩K

,
,

n≠m
n=m

(2.1)

Trong đó: K là hằng số không phụ thuộc t, n hoặc m. Và trong OFDM, tập các sóng
mang con được truyền có thể được viết là:
f n (t ) = exp( j 2πf n t )

(2.2)

j = − 1 và f n = f 0 + n∆f = f 0 + n / T

Trong đó :

(2.3)

f0 là tần số offset ban đầu
Bây giờ ta chứng minh tính trực giao của các sóng mang con. Xét biểu thức (2.1) ta
có :
t2

∫
t1

t2

f n (t ). f m∗ (t )dt = ∫ exp( j 2π (n − m)t / T )dt
t1

=

exp( j 2π (n − m)t 2 / T ) − exp( j 2π (n − m)t1 / T )
j 2π (n − m) / T

=

exp( j 2π (n − m)t 2 / T )[1 − exp( j 2π (n − m)(t1 − t 2 ) / T )]
j 2π (n − m) / T

(2.4)

= 0 với n≠m
Nếu các sóng mang con trực giao nhau thì biểu thức (2.1) phải xảy ra, tức biểu thức
(2.4) luôn đúng.
Khi n=m thì tích phân trên bằng T/2 không phụ thuộc vào n, m.
Vì vậy, nếu như các sóng mang con cách nhau một khoảng bằng 1 T , thì chúng
sẽ trực giao với nhau trong khoảng t2 − t1 là bội số của T. OFDM đạt được tính trực
giao trong miền tần số bằng cách phân phối mỗi khoảng tín hiệu thông tin vào các
sóng mang con khác nhau. Tín hiệu OFDM được hình thành bằng cách tổng hợp
các sóng sine, tương ứng với một sóng mang con. Tần số băng gốc của mỗi sóng
mang con được chọn là bội số của nghịch đảo khoảng thời symbol, vì vậy tất cả
sóng mang con có một số nguyên lần chu kỳ trong mỗi symbol.

8

Trực giao trong miền tần số của tín hiệu OFDM
TX Power

Frequency (carrier spacing)
(a)
TX Power

Frequency (carrier spacing)
(b)

Hình 2.3: Đáp ứng tần số của các subcarrier
(a) Mô tả phổ của mỗi subcarrier và mẫu tần số
rời rạc được nhìn thấy của bộ thu OFDM.
(b) Mô tả đáp ứng tổng cộng của 5 subcarrier (đường tô đậm).

9


Một cách khác để xem xét tính trực giao của tín hiệu OFDM là xem phổ
của nó. Phổ của tín hiệu OFDM chính là tích chập của các xung dirac tại các tần số
sóng mang với phổ của xung hình chữ nhật (=1 trong khoảng thời gian symbol, =0
tại các vị trí khác). Phổ biên độ của xung hình chữ nhật là sinc( π fT). Hình dạng
của hình sinc có một búp chính hẹp và nhiều búp phụ có biên độ suy hao chậm với
các tần số xa trung tâm. Mỗi subcarrier có một đỉnh tại tần số trung tâm và bằng
không tại tất cả các tần số là bội số của 1/T. Hình 2.3 mô tả phổ của một tín hiệu
OFDM.
Tính trực giao là kết quả của việc đỉnh của mỗi subcarrier tương ứng với các
giá trị không của tất cả các subcarrier khác. Khi tín hiệu này được tách bằng cách sử
dụng DFT, phổ của chúng không liên tục như hình 2.3a , mà là những mẫu rời rạc.
Phổ của tín hiệu lấy mẫu tại các giá trị ‘0’ trong hình vẽ. Nếu DFT được đồng bộ

theo thời gian, các mẫu tần số chồng lắp giữa các subcarrier không ảnh hưởng tới bộ
thu. Giá trị đỉnh đo được tương ứng với giá trị ‘null’ của tất cả các subcarrier khác
do đó có tính trực giao giữa các subcarrier.

2.4. Sử dụng biến đổi IFFT để tạo sóng mang con(subcarrier).
Để đạt được khả năng chống lại hiện tượng tán sắc trong các kênh truyền, kích
thướt khối N (số subcarrier) phải lớn, điều này đòi hỏi một lượng lớn modem subchannel. May mắn là chúng ta có thể chứng minh về mặt toán học rằng việc lấy biến
đổi Fourier rời rạc ngược (IDFT-inverse discrete Fourier transform) N symbol
QAM và sau đó truyền các hệ số một cách liên tiếp. Việc đơn giãn hoá phần cứng
cho việc truyền dẫn tín hiệu OFDM có thể đạt được nếu các bộ điều chế và giải điều
chế cho các kênh con được thực hiện bằng cách sử dụng cặp biến đổi IFFT (inverse
fast Fourier transform) và FFT.Một tín hiệu OFDM bao gồm tổng hợp của các sóng
mang con được điều chế sử dụng khóa dịch pha PSK (Phase Shift Keying) hoặc
điều chế biên độ vuông góc QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Nếu gọi di
là các chuỗi dữ liệu QAM phức, NS là số lượng sóng mang con, T là khoảng thời

10


symbol và fC là tần số sóng mang, thì symbol OFDM bắt đầu tại t = ts có thể được
viết như sau:
⎧ N2s −1
⎫
⎡
⎤⎪
i + 0,5 ⎞
⎪
⎛
s (t ) = Re ⎨ ∑ d i + N s / 2 exp ⎢ j 2π ⎜ f c −
⎟(t − t s )⎥ ⎬ , t s ≤ t ≤ t s + T

T ⎠
⎝
⎣
⎦⎪
⎪i = − N s
⎩ 2
⎭

(2.5)

s (t ) = 0 , t < t s và t > t s + T

Để cho dễ tính toán, ta có thể thay thế symbol OFDM trên như sau :

s(t ) =

Ns
−1
2

∑d

i =−

Ns
2

i + Ns / 2

i

⎛
⎞
exp⎜ j 2π (t − t s ) ⎟ , ts ≤ t ≤ t s + T
T
⎝
⎠

(2.6)

s (t ) = 0 , t < t s và t > t s + T

Trong biểu thức trên, phần thực và phần ảo tương ứng với thành phần cùng pha
và vuông pha của tín hiệu OFDM, mà sẽ được nhân với hàm cosin và sin của từng
tần số sóng mang con riêng rẽ để tổng hợp được tín hiệu OFDM sau cùng.
Hình 2.4 minh họa sơ đồ khối hoạt động của bộ điều chế OFDM .
exp( − jπN s (t − t s ) / T )

Serial
to

OFDM
signal

parrellel

exp( jπ ( N s − 2)(t − t s ) / T )

Hình 2.4: Bộ điều chế OFDM
Khi tín hiệu OFDM s(t) ở (2.6) được truyền đi tới phía thu, sau khi loại bỏ
thành phần tần số cao fc , tín hiệu sẽ được giải điều chế bằng cách nhân với các liên

11


hiệp phức của các sóng mang con. Nếu liên hiệp phức của sóng mang con thứ l
được nhân với s(t) , thì sẽ thu được symbol QAM dj+Ns/2 (được nhân với hệ số T ),
còn đối với các sóng mang con khác, giá trị nhân sẽ bằng không bởi vì sự sai biệt
tần số (i-j)/T tạo ra một số nguyên chu kỳ trong khoảng thời symbol T , cho nên kết
quả nhân sẽ bằng không
t s +T

∫

ts

Ns

−1

l
i
⎛
⎞ 2
⎛
⎞
exp⎜ − j 2π (t − t s ) ⎟ ∑ d i + N s / 2 exp⎜ j 2π (t − t s ) ⎟dt
T
T
⎝
⎠i = − N s

⎝
⎠
2

=

Ns
−1
2

∑

N
i =− s
2

t s +T

d i+ Ns / 2

∫

ts

i −l
⎛
⎞
exp⎜ j 2π
(t − t s ) ⎟dt = d l + N s / 2T
T

⎝
⎠

(2.7)

Tín hiệu OFDM s(t) được miêu tả trong (2.6) thực tế không khác gì hơn so với
biến đổi Fourier ngược của Ns symbol QAM ngõ vào. Lượng thời gian rời rạc cũng
chính là biến đổi ngược Fourier rời rạc, công thức được cho ở (2.8), với thời gian t
được thay thế bởi số mẫu n.
s ( n) =

N s −1

∑d
i =0

i

in ⎞
⎛
exp⎜ j 2π ⎟
N⎠
⎝

(2.8)

Trong thực tế, biến đổi Fourier ngược rời rạc (IDFT) này có thể thực hiện
nhanh hơn bằng cách thay thế bởi biến đổi Fourier ngược nhanh (IFFT). Điều này
cũng tương tự đối với biến đổi Fourier rời rạc (DFT) khi được thay thế bởi biến đổi
Fourier nhanh (FFT). Một biến đổi IDFT N điểm đòi hỏi tổng cộng có N2 phép nhân

phức, thực sự chỉ là phép quay pha. Ngoài ra, cũng có thêm một số phép cộng,
nhưng vì phần cứng của bộ cộng ít phức tạp hơn bộ nhân nhiều cho nên ta chỉ so
sánh số phép nhân mà thôi. Trong khi đó, biến đổi IFFT N điểm, nếu sử dụng thuật
toán cơ số 2 chỉ cần có ( N / 2) log 2 ( N ) phép nhân phức, nếu sử dụng thuật toán cơ
số 4 thì chỉ cần (3 / 8) log 2 ( N − 2) phép nhân mà thôi. Sở dĩ thuật toán IFFT, FFT có
được hiệu suất như vậy là do biến đổi IDFT có thể phân tích thành nhiều biến đổi
IDFT nhỏ hơn cho đến khi còn là các biến đổi IDFT một điểm.

12