DSpace at VNU: Hệ đa sóng mang - đa người dùng: Công nghệ WIMAX và lớp vật lý IEEE 802.16

Đại học quốc gia Hà nội
Tr-ờng đại học công nghệ

Hoàng Trùng D-ơng

Hệ đa sóng mang - đa ng-ời dùng:
công nghệ wimax Và lớp vật lý ieee 802.16

Luận văn thạc sĩ

Hà Nội 2006


TÓM TẮT LUẬN VĂN

Hiện nay, việc triển khai mạng WiMAX đang được triển khai mạnh mẽ trên toàn
thế giới và cả ở Việt Nam. Để áp dụng thành công công nghệ này, đòi hỏi phải nắm bắt
được bản chất của công nghệ. Với mục tiêu đó, luận văn đề cập tới công nghệ WiMAX,
phân tích kỹ thuật truyền dẫn OFDM, phân tích chi tiết quy trình của lớp Vật lý IEEE
802.16 và thực hiện mô phỏng quy trình đó.
Trong phần tổng quan công nghệ WiMAX, luận văn đề cập đến sự phát triển của
các công nghệ truyền dẫn không dây; sự hình thành chuẩn IEEE 802.16 và phát triển
thành WiMAX; sự ra đời của các phiên bản IEEE 802.16 khác nhau; các đặc tính cũng
như ứng dụng của WiMAX.
Trong phần kỹ thuật OFDM, luận văn đưa ra cái nhìn tổng quát về kỹ thuật ghép
kênh phân chia theo tần số trực giao; phân tích khả năng chống đa đường, hiệu suất phổ;
Các đặc tính kỹ thuật cơ bản như tính trực giao và dải bảo vệ của OFDM cũng được đề
cập tới. Ngoài ra luận văn cũng xem xét việc triển khai thuật toán Fourier rời rạc để thực
hiện điều chế OFDM.
Trong phần Lớp vật lý 802.16a, luận văn phân tích chi tiết cơ chế hoạt động, từ
kiểm soát lỗi, định khung tới các nguyên lý điều chế, giải điều chế, sắp xếp khung, xử lý

Fourier, ... Trên cơ sở đó, nắm rõ quy trình hoạt động của lớp vật lý, lấy đó làm cơ sở
thiết lập mô phỏng.
Trong phần mô phỏng lớp vật lý, luận văn sử dụng phần mềm MatLab7 để xây
dựng chương trình. Tiến trình mô phỏng được thực hiện từ dữ liệu đầu vào cho đến khi
xử lý điều chế, với sự tham gia của các bộ tham số QAM, kích thước khối dữ liệu, tỷ lệ
mã hóa, mã hóa chập, Reed-Solomon,... áp dụng cho trường hợp đường lên và đường
xuống. Sau đó, hiển thị trực quan tín hiệu sau khi giải điều chế với các giản đồ chòm sao,
đồ thị tương quan và phổ tín hiệu.


LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn trân trọng nhất tới thày giáo PGS TS

Nguyễn

Viết Kính, người đã tận tình hướng dẫn tôi trong quá trình thực hiện luận văn. Luận văn
này được thực hiện trong khuôn khổ của đề tài mang mã số QC.06.21
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thày giáo trong Trường Đại học
Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội đã dạy dỗ và tạo mọi điều kiện cho tôi trong suốt
quá trình học tập tại trường.

Hoàng Trùng Dương


CHƢƠNG 1 – TỔNG QUAN WIMAX

1.1. GIỚI THIỆU
1.1.1. Sự ra đời của WiMAX [17]
Chúng ta đã biết đến các công nghệ truy nhập internet phổ biến hiện nay như quay

số qua modem thoại (Dial Up), ADSL, các đường thuê kênh riêng (leased-line), hay sử
dụng các hệ thống vô tuyến như điện thoại di động, hay mạng không dây WiFi. Mỗi
phương pháp truy cập mạng có đặc điểm riêng. Đối với Modem thoại thì tốc độ quá thấp,
ADSL tốc độ có thể lên tới 8Mbps nhưng phải có đường dây kết nối, các đường thuê
kênh riêng thì giá thành đắt lại rất khó khăn khi triển khai ở các khu vực có địa hình phức
tạp. Hệ thống thông tin di động hiện tại cung cấp tốc độ truyền 9,6Kbps quá thấp so với
nhu cầu người sử dụng. Ngay cả các mạng thế hệ sau GSM như GPRS (2,5G) cho phép
truy cập với tốc độ đến 171,2Kbps hoặc EDGE cũng chỉ tới 300-400Kbps. Như vậy rõ
ràng chưa thể đáp ứng nhu cầu sử dụng các dịch vụ mạng internet ngày càng tăng. Hệ
thống di động thế hệ tiếp theo 3G thì tốc độ truy cập internet cũng không vượt quá
2Mbps. Còn với mạng WiFi thì chỉ có thể áp dụng cho các máy tính trao đổi thông tin với
khoảng cách ngắn.
Với thực tế như vậy, WiMAX (Khả năng tương tác toàn cầu với truy nhập vi ba)
ra đời nhằm cung cấp một phương tiện truy cập Internet không dây tổng hơp có thể thay
thế cho ADSL và WiFi. Hệ thống WiMAX có khả năng cung cấp đường truyền với tốc
độ lên đến 70Mbit/s và với bán kính phủ sóng của một trạm anten phát lên đến 50km. Mô
hình phủ sóng của mạng WiMAX tương tự như mạng điện thoại tế bào. Bên cạch đó,
WiMAX cũng hoạt động mềm dẻo như WiFi khi truy cập mạng. Mỗi khi một máy tính
muốn truy nhập mạng nó sẽ tự động kết nối với trạm anten WiMAX gần nhất.
Diễn đàn WiMAX là một tổ chức của các nhà khai thác và các công ty thiết bị và
cấu kiện truyền thông hàng đầu. Mục tiêu của Diễn đàn WiMAX là thúc đẩy và chứng
nhận khả năng tương thích của các thiết bị truy cập vô tuyến băng rộng tuân thủ chuẩn
802.16 của IEEE và các chuẩn HiperMAN của ETSI. Diễn đàn WiMAX được thành lập


để dỡ bỏ các rào cản tiến tới việc chấp nhận rộng rãi công nghệ truy cập vô tuyến băng
rộng BWA, vì riêng một chuẩn thì không đủ để khuyến khích việc chấp nhận rộng rãi
một công nghệ. Theo mục tiêu này, Diễn đàn đã hợp tác chặt chẽ với các nhà cung cấp và
các cơ quan quản lý để đảm bảo các hệ thống được Diễn đàn phê chuẩn đáp ứng các yêu
cầu của khách hàng và của các chính phủ.

Hình 1.1 - Ứng dụng WiMAX

1.1.2. Cơ chế hoạt động chung của WiMAX [18]
Thực tế WiMAX hoạt động tương tự WiFi nhưng ở tốc độ cao và khoảng cách lớn
hơn rất nhiều cùng với một số lượng lớn người dùng. Một hệ thống WiMAX gồm 2 phần:
-

Trạm phát: giống như các trạm BTS trong mạng thông tin di động với công suất
lớn có thể phủ sóng một vùng rộng tới 8000km2

Trạm thu: có thể là các anten nhỏ như các thẻ mạng cắm vào hoặc được thiết lập
sẵn trên bảng mạch bên trong các máy tính, theo cách mà WiFi vẫn dùng.
Các trạm phát BTS được kết nối với mạng Internet thông qua các đường truyền tốc độ
cao dành riêng hoặc có thể được nối với một BTS khác như trạm trung chuyển bằng
-

đường truyền thẳng LOS và chính vì vậy WiMAX có thể phủ sóng đến những vùng rất
xa.
Các anten thu/phát có thể trao đổi thông tin với nhau qua các tia sóng truyền thẳng
hoặc các tia phản xạ. Trong trường hợp truyền thẳng, các anten được đặt cố định trên các
điểm cao, tín hiệu trong trường hợp này ổn định và tốc độ truyền có thể đạt tối đa. Băng
tần sử dụng có thể dùng ở tần số cao đến 66 GHz vì ở tần số này tín hiệu ít bị giao thoa
với các kênh tín hiệu khác và băng thông sử dụng cũng lớn hơn. Đối với các trường hợp


nhiễu xạ, WiMAX sử dụng băng tần thấp hơn, 2-11GHz, tương tự như WiFi, ở tần số
thấp tín hiệu dễ dàng vượt qua các vật cản, có thể phản xạ, nhiễu xạ, uốn cong, vòng qua
các vật thể để đến đích.

Hình 1.2 – Mô hình truyền thông của WiMAX
1.1.3. Các đặc điểm chung của WiMAX [19]
WiMAX đã được tiêu chuẩn hóa ở IEEE 802.16. Hệ thống này là hệ thống đa truy
cập không dây sử dụng công nghệ OFDMA có các đặc điểm sau:
- Khoảng cách giữa trạm thu và phát có thể tới 50km
- Tốc độ truyền có thể thay đổi, tối đa 70Mbit/s
- Hoạt động trong cả hai môi trường truyền dẫn: đường truyền tầm nhìn thẳng LOS
và đường truyền che khuất NLOS
- Dải tần làm việc 2-11GHz và từ 10-66GHz hiện đã được và đang được tiêu chuẩn
hóa.
- Trong WiMAX hướng truyền tin được chia thành hai đường lên và xuống và đều sử
dụng công nghệ OFDM để truyền. OFDM 256 được Diễn đàn WiMAX lựa chọn cho các
mô tả đầu tiên dựa trên 802.16-2004. WiMAX sử dụng điều chế nhiều mức thích hợp từ
BPSK, QPSK đến 256-QAM kết hợp với các phương pháp sửa lỗi dữ liệu như ngẫu
nhiên hóa, với mã hóa sửa lỗi Reed Solomon, mã chập tỷ lệ mã từ 1/2 đến 7/8.


- Độ rộng băng tần của WiMAX từ 5 MHz đến 20 MHz được chia thành nhiều băng
con 1,75 MHz. Mỗi băng con này được chia nhỏ hơn nữa nhờ công nghệ OFDM, cho
phép nhiều thuê bao có thể truy cập đồng thời một hay nhiều kênh một cách linh hoạt để
đảm bảo tối ưu hiệu quả sử dụng băng tần. Công nghệ này được gọi là công nghệ đa truy
nhập OFDMA. OFDMA trong WiMAX sử dụng tổng cộng 2048 sóng mang, trong đó có
1536 sóng mang dành cho thông tin được chia thành 32 kênh con, mỗi kênh con tương
đương với 48 sóng mang.
- Cho phép sử dụng cả 2 công nghệ TDD và FDD cho việc phân chia truyền dẫn của
đường lên và đường xuống.
- Về cấu trúc phân lớp, hệ thống WiMAX được phân chia thành 4 lớp: Lớp hội tụ
(Convergence) làm nhiệm vụ giao diện giữa lớp MAC và các lớp trên, lớp điều khiển truy
nhập thiết bị (MAC layer), lớp truyền dẫn (Transmission) và lớp vật lý (Physical). Các
lớp này tương đương với hai lớp dưới của mô hình OSI và được tiêu chuẩn hóa để có thể

giao tiếp với nhiều ứng dụng lớp trên như mô tả ở Hình 1.3.

Hình 1.3 – Mô hình phân lớp trong hệ thống WiMAX so sánh với OSI
1.2. SO SÁNH WIMAX VỚI WIFI [8]
1.2.1. Các chuẩn 802.11 và sự hạn chế của WiFi
Ngày nay chúng ta có 3 loại mạng LAN không dây chính: 802.11b, 802.11g và
802.11a. Hoạt động ở tốc độ 11Mbit/s, 802.11g là chuẩn mà chúng ta biết rõ nhất với cái
tên WiFi. 802.11g và 802.11a ra đời sau. 802.11g sử dụng cùng một dải phổ như 802.11b
và tương thích ngược với nó, đã trở thành công nghệ LAN không dây thông dụng như
hiện nay. Còn IEEE 802.11a thường được xem là anh em họ “đuối” hơn của 802.11g,


hoạt động hoàn toàn tương tự (kể cả việc có một chế độ “Turbo” 108Mbit/s nhưng sử
dụng một dải phổ khác).
Sự kém hiệu quả của một cách ghê gớm của 802.11a/b/g là kết quả của một loạt
nhân tố: sự chật chội nghiêm trọng và nhiễu trong dải 2,4GHz; sự xử lý kém cỏi của các
tín hiệu trả về; các cơ chế tranh chấp tương tự Ethernet; nhu cầu mã hóa cao để đảm bảo
an ninh. Tất cả những nhân tố này sẽ dẫn tới một dịch vụ vốn không giống như đã được
quảng cáo.
Giải pháp cho vấn đề hiệu quả kém này là đề xuất 802.11n. Chưa biết là khi nào
thì một chuẩn phải ra đời (một thời điểm nào đó trong năm 2006 là thời hạn chính thức)
nhưng một vài nhóm cạnh tranh phải thỏa thuận với nhau trước khi vấn đề cuối cùng
cũng được giải quyết.
1.2.2. So sánh WiFi và WiMAX
WiMAX khác biệt so với chuẩn 802.11 - chuẩn không dây thường được biết tới
với tên WiFi..
Tốc độ truyền tải: Như đã nói đến, WiMAX hổ trợ tốc độ truyền tải tới 70Mbit/s
(tốc độ phụ thuộc vào các kiểu ăngten sử dụng). Trong khi đó, WiFi5 “chỉ” hổ trợ tốc độ
54Mbit/s trong phạm vi truyền tải khá hẹp. WiFi hổ trợ tốc độ truyền tải thấp hơn, chỉ
11Mbit/s

Băng tần: WiMAX hoạt động trên giải băng tần phụ thuộc vào hoàn cảnh. WiFi
hoạt động trên giải băng tần 2,4GHz trong khi WiFi5 hoạt động ở hai giải băng tần
2,4GHz và 5,8GHz
Phạm vi truyền tải: Nếu không gặp phải nhiều vật cản, WiMAX có thể truyền tải
dữ liệu trong bán kính khoảng 50km. Trong môi trường có nhiều vật cản, phạm vi này rút
ngắn xuống từ 5-8km. Trên lý thuyết, WiFi có thể hoạt động trong phạm vi từ 90m300m. WiFi là lựa chọn thích hợp trong các gia đình và các điểm truy cập phạm vi nhỏ.
Với phạm vi rộng lớn của WiMAX, các nhà cung cấp dịch vụ sẽ có thể phủ sóng
toàn bộ các khu vực đô thị với chỉ một vài tháp. Mặc dù hiện nay chưa diễn ra nhưng việc
WiMAX sẽ có ứng dụng doanh nghiệp, thay thế WiFi trong các doanh nghiệp là rất khả


thi. Phạm vi tăng thêm của WiMAX sẽ làm cho việc toàn bộ một tòa nhà hay một khu
trường có thể được phủ sóng bởi chỉ một điểm truy nhập đơn được quản lý trung tâm là
hoàn toàn có thể.
1.3. WIMAX VÀ CÁC CHUẨN 802.16 [5]

WiMAX là một lĩnh vực thương mại công nghiệp, đi đầu và phát triển bởi các
công ty hàng đầu sản xuất linh kiện và thiết bị truyền thông. Tiêu chuẩn được sử dụng
cho phép kết nối thiết bị của nhiều hãng khác nhau nếu cùng thoả mãn các điều kiện của
việc cấp chứng nhận bởi Diễn đàn WiMAX dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.16 và ETSI
HIPERMAN.
Tiêu chuẩn 802.16a là công nghệ không dây mạng đô thị MAN cung cấp khả năng
thay thế các công nghệ truyền thống sử dụng cáp, DSL và T1/E1 mà không cần sử dụng
cáp. Nó cũng tương thích với việc kết nối các điểm truy cập 802.11 tới mạng Internet.
WiMAX sẽ nhanh chóng được hoàn hiện trong thời gian tới với khả năng tương
thích và khả năng đáp ứng bằng các thiết bị của các hãng khác nhau. Với ưu thế của mình
WiMAX đang là lĩnh vực được rất nhiều công ty trên thế gới để ý, nghiên cứu và phát
triển.
Sự phát triển của các chuẩn IEEE 802.16 bắt đầu với 802.16a sử dụng dải tần cấp
phép 2-11 GHz. Sau đó là các phiên bản 802.16b tăng dải phổ lên tới 5 và 6 GHz, hỗ trợ

QoS; 802.16c giới thiệu dải tần 10-66 GHz; 802.16d để xuất các cải tiến cho 802.16a;
802.16e hỗ trợ cho truy nhập di động tốc độ cao.
Trên thực tế, WiMAX đã được khởi động kể từ tháng 4-2001 dựa trên tiêu chuẩn
802.16 bằng việc kết hợp chặt chẽ với Wi-Fi 802.11. WiMAX dựa trên các tiêu chuẩn
802.16a/d và ETSI HiperMAN


Hình 1.4– IEEE802.16 và ETSI-HiperMAN
Khi chuẩn 802.11 áp dụng cho mạng LAN thì chính 802.16 là để áp dụng cho
mạng đô thị (MAN). Một ví dụ, mạng MAN với 802.16 kết nối các toàn nhà, khu vực.
Bên trong tòa nhà đó sẽ là một mạng LAN không dây hoạt động theo chuẩn 802.11
(WiFi), xem hình 1.5
Vào đầu, vào tháng 4/2002, IEEE quy định 802.16 cho dải tần 10-66GHz. Đến
tháng 1/2003, IEEE chính thức xác nhận chuẩn 802.16a, hoạt động trong vùng 2-11GHz.
Đây là chuẩn mở rộng của 802.16. Với khoảng tần 11 GHz, sẽ cho phép truyền dẫn trong
vùng không nhìn thẳng (NLOS), thích hợp khi triển khai trong đô thị.