Ước lượng kênh truyền sử dụng mô hình bộ lọc kalman mở rộng kết hợp phương pháp giảm nhiễu ici theo tiêu chuẩn wimax di động

ĐẠI HỌC
C QUỐC GIA
G THÀN
NH PHỐ HỒ
H CHÍ M
MINH
T
TRƯỜNG
G ĐẠI HỌC
C BÁCH KHOA
K
----------------o0o-----------------

NGU
UYỄN MẠNH
M
TH
HẮNG

ƯỚC
C LƯỢ
ỢNG KÊNH
K
TRUYỀ
T
ỀN SỬ
Ử DỤNG
G MƠ
HÌNH
H BỘ LỌC
L

K
KALMA
AN MỞ
Ở RỘN
NG KẾT HỢP
P
PHƯƠ
ƠNG PHÁP
P
G M NHIỄ
GIẢM
ỄU ICI THEO
O TIÊU
U
C
CHUẨN
N WIM
MAX DI
D ĐỘN
NG
Chuyêên ngành : Kỹ thuậật điện tử
Mã sốố : 60527
70

L
LUẬN
VĂN THẠC
C SĨ

TP.HCM

M, tháng 12 năm 2013
2


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học :. ...........................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1 : ..................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2 : ..................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP. HCM
Ngày 30 tháng 12 năm 2013
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. ........................................................................................................................................
2 .........................................................................................................................................
3 .........................................................................................................................................
4 .........................................................................................................................................

5 .........................................................................................................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng khoa quản lý chuyên ngành sau
khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

Trưởng khoa Điện-Điện tử


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Tp. HCM, ngày 06 tháng 12 năm 2013

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Nguyễn Mạnh Thắng

MSHV: 12143168

Ngày, tháng, năm sinh: 18- 10 - 1988

Nơi sinh: Quảng Bình

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
I- TÊN ĐỀ TÀI:
Ước lượng kênh truyền sử dụng mơ hình bộ lọc Kalman mở rộng kết hợp phương pháp giảm
nhiễu ICI theo tiêu chuẩn WiMAX di động
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Tìm hiểu và nghiên cứu về kỹ thuật OFDM được sử dụng trong WiMAX, các chuẩn trong
WiMAX di động, mơ hình kênh truyền B, ITU-R.
- Nghiên cứu về bộ lọc Kalman mở rộng, từ đó xây dựng phương pháp ước lượng kênh truyền
dựa trên bộ lọc Kalman mở rộng áp dụng cho các chuỗi huấn luyện pilot dạng lược
- Phân tích ảnh hưởng của nhiễu ICI trong WiMAX di động, đề xuất phương pháp nhằm mục
đích giảm nhiễu ICI cho hệ thống, kết hợp với phương pháp ước lượng kênh truyền sử dụng bộ
lọc Kalman mở rộng để xây dựng một hệ thống hồn chỉnh
- Thực hiện mơ phỏng nhằm đánh giá kết quả của phương pháp có sử triệt nhiễu ICI so với
phương pháp ước lượng thông thường bỏ qua ảnh hưởng của nhiễu ICI
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 19-08-2013
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 06 – 12 - 2013
V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS. PHẠM HỒNG LIÊN
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

CN BỘ MÔN
QL CHUYÊN NGÀNH


Lời Cám ơn
Đầu tiên,tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Quý thầy cô trường Đại học
Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh, đặc biệt là thầy cơ bộ mơn Điện tử - Viễn
thơng đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho tôi những kiến thức vô cùng quý báu
trong suốt thời gian vừa qua,giúp tơi có những kiến thức đáng q và bổ ích trong
q trình thực hiện luận văn cũng như trong suốt chặng đường sự nghiệp sau này
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến cơ Phạm Hồng Liên, người đã tận
tình giúp đỡ, hướng dẫn, định hướng nghiên cứu để tơi có thể hồn thành luận
văn. Đồng thời tơi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến anh Nguyễn Đức
Quang vì những lời chỉ bảo, đóng góp ý kiến, hỗ trợ tài liệu, trao đổi trong suốt

q trình tơi thực hiện luận văn này. Tôi cũng xin cảm ơn các bạn học viên lớp
Cao Học Kỹ thuật Điện tử 2012 vì những góp ý, trao đổi quan trọng trong q
trình thực hiện luận văn.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, người thân và bạn bè đã ln
bên cạnh động viên, chia sẻ, tạo động lực cho tơi hồn thành luận văn này.
Tơi xin gửi đến gia đình, thầy cơ, bạn bè, người thân lời kính chúc sức khỏe
hạnh phúc và thành cơng.
TP Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2013
Học viên

Nguyễn Mạnh Thắng


Abstract
Mobile WiMAX is a rapidly growing broadband wireless access technology based on
IEEE 802.16-2004 and IEEE 802. 16e-2005 air-interface standards . The OFDM has
been chosen to be used in WiMAX since it shows many advantages. OFDM
divides the overall frequency band into a number of sub-band and transmits a
low- rate data stream in each sub-band. In addition, OFDM allows overlap of the
sub-channels but keeps the orthogonality of the sub-carriers. Therefore,high spectral
efficiency is achieved . It has been adopted in state-of-art communication standards.
Under the condition of same data rate, the symbol of an OFDM system is much longer
than that of a single-carrier system.
OFDM systems with long symbol durations are more vulnerable to time-selective
fading than Single-carrier systems. This is specially the case in mobile environments and
closely related to Doppler spread. Under this condition, the orthogonality between
subchannels cannot be maintained and the inter-carrier interference (ICI) will be
introduced. ICI will decrease the signal to interference ratio (SIR). Low SIR will
introduce an error floor in signal detection . Therefore, ICI suppression has a great
significance for WiMAX system.

This thesis introduce the channel estimation system for mobile WiMAX and the method
for ICI suppression. The channel estimation can be performed by inserting pilot tones
into OFDM symbol.In this thesis, channel estimation is studied for comb-type pilot.
The comb-type pilot channel estimation consists of al gorithms to estimate the channel
at pilot frequencies and to interpolate the channel.The interpolation of the channel for
comb-type can use one of the different interpolation methods such as linear
interpolation, second order interpolation, low-pass interpolation,
spline cubic
interpolation, and time domain interpolation .
In this thesis,we introduce an ICI analysis in both time and frequency-domain while
existing literatures analyze the ICI effects mainly in frequency domain . Based on this
analysis,we proposed a method to reduce ICI in mobile WiMAX system. Then, I
proposed a improvement algorithm based Extended Kalman Filter to estimate channel in
mobile WiMAX system.


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Ngày nay,với sự phát triển của khoa học kỹ thuật kèm theo đó là nhu cầu thơng
tin liên lạc ngày càng cao, do đó địi hỏi hệ thống thông tin đặc biệt là về viễn
thông ngày càng phát triển nhanh chóng,chính xác.Nhiều kỹ thuật,cơng nghệ mới
đã ra đời nhằm đáp ứng những nhu cầu đó.Hệ thống WiMAX ra đời cũng không
phải là một ngoại lệ.
Hệ thống mobile WiMAX là hệ thống vừa mới ra đời vào tháng 12 năm 2005,
nó hứa hẹn có một sự phát triển mạnh mẽ trong tương lai.Sự ra đời của nó đáp ứng
cho sự thông tin liên lạc ở các vùng sâu,vùng xa, những nơi mà thơng tin liên lạc
cịn hạn chế.Trên thế giới, công nghệ này đang ngày càng phát triển, nhưng ở Việt
Nam thì nó cịn đang trong q trình khảo sát,nghiên cứu,chưa được ứng dụng rộng
rãi. WiMax cung cấp khả năng kết nối Internet không dây nhanh hơn so với WiFi,
tốc độ uplink và downlink cao hơn, sử dụng được nhiều ứng dụng hơn, và quan
trọng là vùng phủ sóng rộng hơn, và khơng bị ảnh hưởng bởi địa hình. WiMAX có

thể thay đổi một cách tự động phương thức điều chế để có thể tăng vùng phủ bằng
cách giảm tốc độ truyền và ngược lại.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 cho phép linh động thay đổi băng tần lên hoặc xuống chứ không
phải cố định như trong ADSL và CDMA.
Kỹ thuật ngày càng đòi hỏi dung lượng lớn và tốc độ dữ liệu cao trong khi băng
thông cho phép lại không được mở rộng. Đồng thời môi trường truyền dẫn vô
tuyến lại rất phức tạp do các hiện tượng như suy hao , xen nhiễu Phading ,hiệu ứng
Doppler… gây ra nhiều khó khăn cho việc nhận dạng tín hiệu ở đầu thu. Để đảm
bảo và nâng cao việc nhận dạng tín hiệu đầu thu thì có khá nhiều phương pháp như
áp dụng kỹ thuật phân tập,mã hóa nhằm tăng dung lượng kênh truyền ,cải thiện
hiệu quả phổ mà không phải tăng công suất hay băng thông. Phương pháp được tôi
lựa chọn nghiên cứu để giảm sự sai lệch tín hiệu giữa bên phát và bên thu là ước
lượng kênh truyền dựa vào bộ lọc Kalman mở rộng kết hợp với phương pháp giảm
nhiễu ICI cho hệ thống WiMAX di động.
Trong thông tin vơ tuyến,ước lượng kênh truyền đóng vai trị quan trọng trong
việc đảm bảo và nâng cao chất lượng tín hiệu đầu thu. Ước lượng kênh truyền có 3
phương pháp phổ biến : ước lượng dựa trên chuỗi huấn luyện pilot, ước lượng
kênh mù và ước lượng kênh bán mù. Trong giới hạn đề tài này,tôi tập trung nghiên
cứu phương pháp ước lượng kênh truyền dựa trên chuỗi huấn luyện pilot dạng lược


sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng. Ưu điểm của bộ lọc Kalman mở rộng khi sử dụng
cho ước lượng kênh truyền là bám sát được sự thay đổi kênh truyền,cho kết quả
ước lượng tốt hơn so với các giải thuật ước lượng như LS( Least Square) ,giảm
thiểu sai lệch giữa tín hiệu phát và thu.
Mặt khác WiMAX sử dụng kỹ thuật điều chế đa sóng mang ghép kênh phân chia
theo tần số trực giao OFDM. OFDM chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành dòng dữ
liệu song song tốc độ thấp hơn và vì thế làm tăng khoảng bảo vệ lớn hơn độ trễ
kênh truyền, điều này nhằm loại bỏ nhiễu liên ký tự ISI. Trong OFDM, phổ của

các sóng mang chồng lấn nhưng vẫn trực giao với các sóng mang khác. Điều này
có nghĩa là tại tần số cực đại thì phổ mỗi sóng mang khác bằng khơng. Máy thu
lấy mẫu các ký tự dữ liệu trên các sóng mang riêng lẽ tại điểm cực đại và điều chế
chúng tránh nhiễu từ các sóng mang khác. Nhiễu gây ra trên các sóng mang kế cận
này được gọi là nhiễu xuyên kênh ICI. Nhiễu này xảy ra khi kênh đa đường thay
đổi trên thời gian ký tự OFDM. Dịch Doppler trên mỗi thành phần đa đường gây ra
dịch tần số trên mỗi sóng mang, kết quả là dẫn đến mất tính trực giao giữa chúng.
ICI cũng xảy ra khi 1 ký tự OFDM bị nhiễu ISI. Việc xuất hiện nhiễu ICI trong quá
trình truyền dẫn cũng gây ra tác động khơng nhỏ ảnh hưởng đến tín hiệu thu,dẫn
đến sai sót trong q trình khơi phục dữ liệu. Vì vậy việc triệt nhiễu và làm giảm
ảnh hưởng của nhiễu ICI trong WiMAX có ý nghĩa rất quan trọng.Trong đề tài
này, tơi sẽ phân tích ảnh hưởng của nhiễu ICI, từ đó xây dựng một phương pháp
mới nhằm làm giảm nhiễu ICI kết hợp với phương pháp ước lượng kênh truyền
dựa trên bộ lọc Kalman mở rộng cho hệ thống WiMAX di động
Đề tài sẽ tập trung nghiên cứu các vấn đề sau :
- Tìm hiểu và nghiên cứu về kỹ thuật OFDM được sử dụng trong WiMAX, các
chuẩn trong WiMAX di động, mơ hình kênh truyền B, ITU-R.
- Nghiên cứu về bộ lọc Kalman mở rộng, từ đó xây dựng phương pháp ước
lượng kênh truyền dựa trên bộ lọc Kalman mở rộng áp dụng cho các chuỗi huấn
luyện pilot dạng lược
- Phân tích ảnh hưởng của nhiễu ICI trong WiMAX di động, đề xuất phương
pháp nhằm mục đích giảm nhiễu ICI cho hệ thống, kết hợp với phương pháp ước
lượng kênh truyền sử dụng bộ lọc Kalman để xây dựng một hệ thống hồn chỉnh
- Thực hiện mơ phỏng nhằm đánh giá kết quả của phương pháp có sử dụng triệt
nhiễu ICI so với phương pháp ước lượng thông thường bỏ qua ảnh hưởng của
nhiễu ICI


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này là kết quả nghiên cứu của cá nhân tôi và thực

hiện dưới sự hướng dẫn PGS.TS Phạm Hồng Liên.
Kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong
bất kỳ cơng trình nào khác.
Tơi hồn toàn chịu trách nhiệm về nội dung của luận văn này.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 12 năm 2013
Người Cam Đoan

Nguyễn Mạnh Thắng


MỤC LỤC
Chương I : Giới thiệu đề tài ............................................................................................... 1
1.1 Đặt vấn đề .................................................................................................................. 1
1.2 Các nội dung nghiên cứu trước đây ........................................................................... 2
1.3 Nội dung nghiên cứu .................................................................................................. 4
Chương II : Tổng quan về WiMAX ................................................................................... 5
2.1 Sự ra đời của công nghệ Wimax ................................................................................ 5
2.2 Các chuẩn khác nhau của WiMAX ............................................................................ 6
2.3 Ứng dụng công nghệ WiMAX..................................................................................... 9
2.3.1 Mạng đường trục: .............................................................................................. 10
2.3.2 Kết nối mạng không dây doanh nghiệp: ............................................................ 10
2.3.3 Băng rộng theo nhu cầu: ................................................................................... 10
2.3.4 Mở rộng nhanh vùng phủ sóng .......................................................................... 11
2.3.5 Roaming dich vụ ............................................................................................... 11
2.4 .Đặc điểm của hệ thống WiMAX .............................................................................. 12
2.5 Tình hình chuẩn hóa cơng nghệ Wimax ................................................................... 17
Chương III : Kỹ thuật điều chế OFDM ......................................................................... 19
3.1 Giới thiệu chương .................................................................................................... 19
3.2.Kĩ thuật OFDM ........................................................................................................ 19
3.2.1.Giới thiệu về kỹ thuật OFDM ............................................................................ 19

3.2.1.1.Lịch sử phát triển ........................................................................................ 19
3.2.1.2.Khái niệm .................................................................................................... 20
3.2.1.3.Các ưu và nhược điểm của kĩ thuật OFDM ................................................ 21
3.2.2.Nguyên lý điều chế OFDM ................................................................................ 21
3.2.2.1 Nguyên lý cơ bản của OFDM...................................................................... 21
3.2.2.2 Sơ đồ hệ thống OFDM ................................................................................ 23
3.2.3 Mơ tả tốn học - ứng dụng IFFT/FFT trong kĩ thuật OFDM ........................... 30
3.2.4 Các thông số đặc trưng và dung lượng hệ thống truyền dẫn OFDM................ 32
3.2.4.1. Cấu trúc tín hiệu OFDM ............................................................................ 32
3.2.4.2. Các thông số trong miền thời gian TD ....................................................... 33
3.2.4.3. Các thông số trong miền tần số FD ........................................................... 33
3.2.4.4. Quan hệ giữa các thông số trong miền thời gian và miền tần số .............. 34


3.2.4.5. Dung lượng của hệ thống OFDM .............................................................. 35
3.2.5 Khoảng bảo vệ (guard interval) trong kỹ thuật OFDM .................................... 36
3.2.5.1.Khoảng bảo vệ ............................................................................................. 36
3.2.5.2.Ứng dụng của khoảng bảo vệ ...................................................................... 37
3.2.6 Kĩ thuật điều chế tín hiệu trong OFDM............................................................. 38
3.2.6.1 Điều chế BPSK........................................................................................... 39
3.2.6.2 Điều chế QPSK ............................................................................................ 40
3.2.6.3. Điều chế QAM ............................................................................................ 42
Chương IV : Đặc tính kênh vơ tuyến di động ................................................................. 44
4.1 Giới thiệu chương .................................................................................................... 44
4.2 Đặc tính kênh truyền vơ tuyến trong kỹ thuật OFDM.............................................. 44
4.2.1 Đặc tính chung kênh truyền vơ tuyến ................................................................ 45
4.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền ........................................... 45
4.2.2.1 Trải trễ trong hiện tượng đa đường ............................................................ 45
4.2.2.2 Hiện tượng Doppler .................................................................................... 46
4.2.3 Các loại Fading phạm vi hẹp............................................................................. 48

4.3 Kết luận chương ....................................................................................................... 51
Chương V: Hệ thống ước lượng kênh truyền cho WiMAX di động ............................. 52
5.1.Giới thiệu chương .................................................................................................... 52
5.2.Hệ thống ước lượng kênh truyền .............................................................................. 52
5.2.1.Sơ đồ hệ thống ước lượng kênh truyền .............................................................. 52
5.2.2.Cấu trúc Pilot được chèn vào dữ liệu ................................................................ 55
5.2.2.1 Block type pilot ............................................................................................ 55
5.2.2.2 Comb type pilot .......................................................................................... 56
5.2.3.Kỹ thuật nội suy trong ước lượng kênh truyền sử dụng chuỗi huấn luyện dạng
lược ( comb pilot)........................................................................................................ 57
5.2.3.1 Nội suy nearest neighbor ............................................................................. 57
5.2.3.2 Nơi suy tuyến tính (linear interpolation) ..................................................... 57
5.2.3.3 Nội suy bậc 2 (second order) ...................................................................... 58
5.2.3.4 Nội suy lowpass ........................................................................................... 58
5.2.3.5 Nội suy spline cubic ..................................................................................... 58
5.3 Mơ hình kênh truyền ITU sử dụng cho WiMAX di động .......................................... 58
5.4 .Kết luận chương ...................................................................................................... 61


Chương VI : Ứng dụng bộ lọc Kalman mở rộng cho ước lượng kênh truyền kết hợp
phương pháp giảm nhiễu ICI cho hệ thống WiMAX di động ........................................ 62
6.1 Giới thiệu chương .................................................................................................... 62
6.2 Nhiễu ICI và ảnh hưởng của nó trong hệ thống WiMAX di động ........................... 62
6.2.1 Nhiễu liên sóng mang ICI .................................................................................. 62
6.2.2 Ảnh hưởng của nhiễu ICI................................................................................... 63
6.3 Bộ lọc Kalman mở rộng và ứng dụng trong ước lượng kênh truyền ....................... 64
6.3.1 Giới thiệu về bộ lọc Kalman mở rộng ............................................................... 64
6.3.2 Tổng quan về bộ lọc Kalman mở rộng .............................................................. 65
6.3.2.1 Xây dựng thuật toán cho bộ lọc Kalman ..................................................... 65
6.3.2.2 Xây dựng thuật toán cho bộ lọc Kalman mở rộng ...................................... 74

6.4 Kết luận chương ....................................................................................................... 78
Chương VII : Phương pháp thực hiện và kết quả mô phỏng ........................................ 79
7.1 Giới thiệu chương .................................................................................................... 79
7.2 Phương pháp thực hiện ............................................................................................ 79
7.2.1 Sơ đồ giải thuật .................................................................................................. 79
7.2.2 Phương pháp khử nhiễu ICI .............................................................................. 80
7.2.2.1 Phân tích nhiễu ICI trong OFDM ............................................................... 80
7.2.2.2 Phương pháp giảm nhiễu ICI cho hệ thống WiMAX .................................. 82
7.3 Kết quả mô phỏng .................................................................................................... 89
7.3.1 Thông số mô phỏng thuật tốn .......................................................................... 89
7.3.2 Kết quả mơ phỏng .............................................................................................. 90
7.3.2.1 Mô phỏng 1 .................................................................................................. 90
7.3.2.2 Mô phỏng 2 ................................................................................................ 101
7.4 Kết luận chương ..................................................................................................... 103
Chương VIII : Kết luận và hướng phát triển của luận văn ........................................ 104
8.1 Kết luận .................................................................................................................. 104
8.2 Hướng phát triển của luận văn .............................................................................. 104
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 105


DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 2.1 Chuẩn khơng dây tồn cầu ................................................................................... 8
Hình 2.2 Mơ hình triển khai mạng WIMAX ..................................................................... 11
Hình 2.3 : Cấu trúc hệ thống WiMAX ............................................................................... 15
Hình 3.1 So sánh kĩ thuật sóng mang khơng chồng xung (a) và kĩ thuật sóng mang chồng
xung (b) .............................................................................................................................. 22
Hình 3.2 :Sơ đồ hệ thống OFDM ...................................................................................... 23
Hình 3.4: Sắp xếp tần số trong hệ thống OFDM .............................................................. 24
Hình 3.5 : Phổ của sóng mang con ................................................................................... 25
Hình 3.6 Truyền dẫn sóng mang đơn ................................................................................ 25

Hình 3.7 Truyền dẫn đa sóng mang .................................................................................. 26
Hình 3.8 Tích của 2 vec tơ trực giao bằng 0 ..................................................................... 27
Hình 3.9: Giá trị của sóng sin bằng 0 ............................................................................... 28
Hình 3.10: Tích phân của hai sóng sin có tần số khác nhau. ........................................... 28
Hình 3.11: Tích hai sóng sin cùng tần số. ......................................................................... 29
Hình 3.12 Phổ của tín hiệu OFDM gồm 5 sóng mang ...................................................... 30
Hình 3.13 Cấu trúc tín hiệu OFDM .................................................................................. 30
Hình 3.14 Độ rộng băng tần hệ thống và độ rộng sóng mang con ................................... 30
Hình 3.15 Chèn thời gian bảo vệ cho mỗi ký hiệu OFDM ................................................ 30
Hình 3.16 Hiệu quả của khoảng bảo vệ chống lại ISI ...................................................... 30
Hình 3.17 : Biểu đồ khơng gian tín hiệu BPSK ................................................................. 40
Hình 3. 18 : Biểu đồ tín hiệu tín hiệu QPSK ..................................................................... 42
Hình 3.19: Chùm tín hiệu M-QAM .................................................................................... 43
Hình 4.1 : Mơ hình kênh truyền fading đa đường ............................................................. 46
Hình 4.2: Hiệu ứng Doppler.............................................................................................. 46
Hình 5.1: Sơ đồ hệ thống ước lượng kênh truyền ............................................................. 52
Hình 5.2 : Sắp xếp pilot dạng khối .................................................................................... 55
Hình 5.3 : Sắp xếp pilot dạng lược .................................................................................... 56


Hình 6.1 Lỗi dịch tần gây ra nhiễu ICI ............................................................................. 63
Hình 6.2 : Sơ đồ hệ thống Kalman .................................................................................... 67
Hình 6.3 Sơ đồ tính tốn độ lợi Kalman............................................................................ 72
Hình 6.4 Sơ đồ bộ dự đoán một bước của bộ lọc Kalman mở rộng .................................. 76
Hình 7.1: Sơ đồ giải thuật ................................................................................................. 79
Hình 7.2 : Đồ thị BER cho kênh truyền indoor 2km/h ,điều chế 4QAM .......................... 91
Hình 7.3 : Đồ thị BER cho kênh truyền indoor 2km/h ,điều chế 16QAM ........................ 92
Hình 7.4 : Đồ thị BER cho kênh truyền pedestrian 5km/h ,điều chế 4QAM .................... 93
Hình 7.5 : Đồ thị BER cho kênh truyền pedestrian 5km/h ,điều chế 16QAM .................. 94
Hình 7.6 : Đồ thị BER cho kênh truyền vehicular 10km/h điều chế 4QAM..................... 95

Hình 7.7 : Đồ thị BER cho kênh truyền vehicular 20km/h điều chế 4QAM..................... 96
Hình 7.8 : Đồ thị BER cho kênh truyền vehicular 20km/h điều chế 16QAM................... 97
Hình 7.9 : Đồ thị BER cho kênh truyền vehicular 50km/h điều chế 4QAM..................... 98
Hình 7.10 : Đồ thị BER cho kênh truyền vehicular 50km/h điều chế 16QAM................. 99
Hình 7.11 : Đồ thị BER cho kênh truyền vehicular 100km/h điều chế 4QAM............... 100
Hình 7.12 : Đồ thị BER theo vận tốc cho kênh truyền vehicular tại SNR=15dB ........... 101
Hình 7.13 : Đồ thị BER theo vận tốc cho kênh truyền vehicular tại SNR=20dB ........... 102
Hình 7.14 : Đồ thị BER theo vận tốc cho kênh truyền vehicular tại SNR=20dB ........... 102


DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Thông số của hệ thống WiMAX.......................................................................... 13
Bảng 3.1. Mối quan hệ giữa các tham số OFDM ............................................................. 35
Bảng 3.2 :Quan hệ của cặp bit điều chế và tọa độ của các điểm tín hiệu điều chế .......... 42
Bảng 4.1 : Các loại Fading phạm vi hẹp........................................................................... 48
Bảng 5.1: Mơ hình kênh truyền indoor ............................................................................. 59
Bảng 5.2: Mơ hình kênh truyền pedestrian ....................................................................... 60
Bảng 5.3 Mơ hình kênh truyền vehicular .......................................................................... 60
Bảng 7.1:Thơng số mơ phỏng thuật toán Kalman............................................................. 89
Bảng 7.2 : Dữ liệu BER cho kênh truyền indoor 2km/h,điều chế 4QAM .......................... 91
Bảng 7.3 : Dữ liệu BER cho kênh truyền indoor 2km/h,điều chế 16QAM ........................ 92
Bảng 7.4 : Dữ liệu BER cho kênh truyền pedestrian 5km/h,điều chế 4QAM ................... 93
Bảng 7.5 : Dữ liệu BER cho kênh truyền pedestrian 5km/h,điều chế 16QAM ................. 94
Bảng 7.6 : Dữ liệu BER cho kênh truyền vehicular 10km/h,điều chế 4QAM ................... 95
Bảng 7.7 : Dữ liệu BER cho kênh truyền vehicular 20km/h,điều chế 4QAM ................... 96
Bảng 7.8 : Dữ liệu BER cho kênh truyền vehicular 20km/h,điều chế 16QAM ................. 97
Bảng 7.9 : Dữ liệu BER cho kênh truyền vehicular 50km/h,điều chế 4QAM ................... 98
Bảng 7.10 : Dữ liệu BER cho kênh truyền vehicular 50km/h,điều chế 16QAM ............... 99
Bảng 7.11 : Dữ liệu BER cho kênh truyền vehicular 100km/h,điều chế 4QAM ............. 100

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
OFDM

Orthogonal Frequency Devision Multiplexing

GI

Guard Interval

CP

Cyclic Prefix

FDD

Frequency Division Duplex

TDD

Time Division Duplex

IEEE

Institute of Electrical and Electronics Engineerings

FFT

Fast Fourrier Transform

IFFT

Inverse Fast Fourrier Transform

ICI
ISI

Inter Channel Interference
Inter Symbol Interference

QAM

Quadrature Amplitude Modulation

ITU
EKF

International Telecommunication Union
Extended Kalman Filter

LS

Least Square

BER

Bit Error Rate

SNR

Signal to Noise Ratio

WiMAX

Worldwide Interoperability for Microwave Access


Ước lượng kênh truyền sử dụng mơ hình bộ lọc Kalman mở rộng kết hợp phương pháp giảm
nhiễu ICI theo tiêu chuẩn WiMAX di động

Chương I : Giới thiệu đề tài
1.1 Đặt vấn đề
Ngày nay,với sự phát triển của khoa học kỹ thuật kèm theo đó là nhu cầu thơng
tin liên lạc ngày càng cao, do đó địi hỏi hệ thống thông tin đặc biệt là về viễn
thông ngày càng phát triển nhanh chóng,chính xác. Nhiều kỹ thuật,cơng nghệ mới
đã ra đời nhằm đáp ứng những nhu cầu đó. Hệ thống WiMAX ra đời cũng không
phải là một ngoại lệ.
Hệ thống mobile WiMAX là hệ thống vừa mới ra đời vào tháng 12 năm 2005,
nó hứa hẹn có một sự phát triển mạnh mẽ trong tương lai. Sự ra đời của nó đáp ứng
cho sự thơng tin liên lạc ở các vùng sâu,vùng xa, những nơi mà thông tin liên lạc
cịn hạn chế. Trên thế giới, cơng nghệ này đang ngày càng phát triển, nhưng ở Việt
Nam thì nó cịn đang trong quá trình khảo sát,nghiên cứu,chưa được ứng dụng rộng
rãi. WiMax cung cấp khả năng kết nối Internet không dây nhanh hơn so với WiFi,
tốc độ uplink và downlink cao hơn, sử dụng được nhiều ứng dụng hơn, và quan
trọng là vùng phủ sóng rộng hơn, và khơng bị ảnh hưởng bởi địa hình. WiMAX có
thể thay đổi một cách tự động phương thức điều chế để có thể tăng vùng phủ bằng
cách giảm tốc độ truyền và ngược lại. 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 cho phép linh động thay đổi băng tần lên hoặc xuống chứ không
phải cố định như trong ADSL và CDMA.

Kỹ thuật ngày càng đòi hỏi dung lượng lớn và tốc độ dữ liệu cao trong khi băng
thông cho phép lại không được mở rộng. Đồng thời môi trường truyền dẫn vô
tuyến lại rất phức tạp do các hiện tượng như suy hao, xen nhiễu Phading ,hiệu ứng
Doppler… gây ra nhiều khó khăn cho việc nhận dạng tín hiệu ở đầu thu. Để đảm
bảo và nâng cao việc nhận dạng tín hiệu đầu thu thì có khá nhiều phương pháp như
áp dụng kỹ thuật phân tập,mã hóa nhằm tăng dung lượng kênh truyền, cải thiện
hiệu quả phổ mà không phải tăng công suất hay băng thông. Phương pháp được tôi
lựa chọn nghiên cứu để giảm sự sai lệch tín hiệu giữa bên phát và bên thu là ước
lượng kênh truyền dựa vào bộ lọc Kalman mở rộng kết hợp với phương pháp giảm
nhiễu ICI cho hệ thống WiMAX di động.
Trong thông tin vô tuyến, ước lượng kênh truyền đóng vai trị quan trọng trong
việc đảm bảo và nâng cao chất lượng tín hiệu đầu thu. Ước lượng kênh truyền có 3
phương pháp phổ biến : ước lượng dựa trên chuỗi huấn luyện pilot, ước lượng

1
HVTH: NGUYỄN MẠNH THẮNG

GVHD: PGS.TS PHẠM HỒNG LIÊN


Ước lượng kênh truyền sử dụng mơ hình bộ lọc Kalman mở rộng kết hợp phương pháp giảm
nhiễu ICI theo tiêu chuẩn WiMAX di động

kênh mù và ước lượng kênh bán mù. Trong giới hạn đề tài này,tôi tập trung nghiên
cứu phương pháp ước lượng kênh truyền dựa trên chuỗi huấn luyện pilot dạng lược
sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng. Ưu điểm của bộ lọc Kalman mở rộng khi sử dụng
cho ước lượng kênh truyền là bám sát được sự thay đổi kênh truyền,cho kết quả
ước lượng tốt hơn so với các giải thuật ước lượng như LS( Least Square), giảm
thiểu sai lệch giữa tín hiệu phát và thu.
Mặt khác WiMAX sử dụng kỹ thuật điều chế đa sóng mang ghép kênh phân chia

theo tần số trực giao OFDM. OFDM chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành dòng dữ
liệu song song tốc độ thấp hơn và vì thế làm tăng khoảng bảo vệ lớn hơn độ trễ
kênh truyền,điều này nhằm loại bỏ nhiễu liên ký tự ISI. Trong OFDM, phổ của các
sóng mang chồng lấn nhưng vẫn trực giao với các sóng mang khác. Điều này có
nghĩa là tại tần số cực đại thì phổ mỗi sóng mang khác bằng không. Máy thu lấy
mẫu các ký tự dữ liệu trên các sóng mang riêng lẽ tại điểm cực đại và điều chế
chúng tránh nhiễu từ các sóng mang khác. Nhiễu gây ra trên các sóng mang kế cận
này được gọi là nhiễu xuyên kênh ICI. Nhiễu này xảy ra khi kênh đa đường thay
đổi trên thời gian ký tự OFDM. Dịch Doppler trên mỗi thành phần đa đường gây ra
dịch tần số trên mỗi sóng mang, kết quả là dẫn đến mất tính trực giao giữa chúng.
ICI cũng xảy ra khi 1 ký tự OFDM bị nhiễu ISI. Việc xuất hiện nhiễu ICI trong quá
trình truyền dẫn cũng gây ra tác động khơng nhỏ ảnh hưởng đến tín hiệu thu,dẫn
đến sai sót trong q trình khơi phục dữ liệu. Vì vậy việc triệt nhiễu và làm giảm
ảnh hưởng của nhiễu ICI trong WiMAX có ý nghĩa rất quan trọng.Trong đề tài
này, tơi sẽ phân tích ảnh hưởng của nhiễu ICI, từ đó xây dựng một phương pháp
mới nhằm làm giảm nhiễu ICI kết hợp với phương pháp ước lượng kênh truyền
dựa trên bộ lọc Kalman mở rộng cho hệ thống WiMAX di động
1.2 Các nội dung nghiên cứu trước đây
Sự ra đời của công nghệ WiMAX với việc sử dụng kỹ thuật OFDM đã hứa hẹn
có một sự phát triển mạnh mẽ trong tương lai, khi mà công nghệ này có thể áp
dụng cho những nơi ở vùng sâu, vùng xa, hải đảo.Vì vậy đã có khá nhiều nghiên
cứu được áp dụng cho công nghệ này nhằm mục đích cải thiện hơn nữa chất lượng
tín hiệu thu. Đồng thời thách thức to lớn đối mặt trong hệ thống WiMAX là có
được những thơng tin trạng thái kênh chính xác,kịp thời phát hiện chuẩn xác của
các ký hiệu thông tin. Các thơng tin trạng thái kênh có thể thu được qua việc ước
lượng dựa trên huấn luyện, kênh mù hoặc kênh bán mù. Ước lượng kênh mù được
thực hiện bằng cách đánh giá các thông tin thống kê của kênh và thành phần cố
2
HVTH: NGUYỄN MẠNH THẮNG

GVHD: PGS.TS PHẠM HỒNG LIÊN


Ước lượng kênh truyền sử dụng mơ hình bộ lọc Kalman mở rộng kết hợp phương pháp giảm
nhiễu ICI theo tiêu chuẩn WiMAX di động

định của tín hiệu phát. Ước lượng kênh mù có những thuận lợi trong việc khơng
mất chi phí và nó chỉ áp dụng cho các kênh thời gian biến đổi chậm do dựa trên
bảng ghi dữ liệu tương đối dài. Trong các giải thuật ước lượng dựa trên huấn
luyện, các ký hiệu huấn luyện pilot được ghép cùng với dòng dữ liệu để ước lượng
kênh truyền. Kỹ thuật kênh bán mù là kỹ thuật lai giữa kỹ thuật mù và huấn luyện,
sử dụng pilot và các liên kết tự nhiên khác để ước lượng kênh truyền
Phương pháp ước lượng dựa trên huấn luyện có thể được thực hiện dựa trên hai
loại pilot là dạng lược (comb) hoặc dạng khối (block). Ước lượng kênh truyền pilot
dạng khối, phát triển trên kênh truyền fading chậm; điều này giả sử rằng hàm
truyền của kênh truyền không thay đổi nhanh trên các ký hiệu OFDM phát đi. Ước
lượng kênh truyền pilot dạng lược được dùng đến khi kênh truyền thay đổi trong
một khối OFDM. Ước lượng kênh truyền pilot dạng lược bao gồm các giải thuật
ước lượng kênh tại các tần số pilot và phương pháp nội suy được sử dụng để tìm
các tần số tín hiệu trên kênh. Phương pháp nội suy của kênh truyền pilot dạng lược
có thể phụ thuộc nội suy tuyến tính, nội suy lowpass, và nội suy spline cubic. Giải
thuật ước lượng được sử dụng chủ yếu đối với ước lượng pilot dạng lược là
phương pháp LS (Least Square),MMSE. Các phương pháp này có giải thuật tính
tốn đơn giản,nhưng lại khơng bám sát được sự thay đổi của đặc tuyến kênh
truyền. Một phương pháp mới được ứng dụng gần đây cho ước lượng kênh truyền
dạng lược là sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng. Về lý thuyết thì phương pháp này
cho kết quả ước lượng đáp ứng kênh truyền tốt hơn. Bộ lọc Kalman đưa ra ước
lượng của giá trị thực của phép đo và các giá trị liên quan của nó bằng cách dự
đốn một giá trị, ước tính khơng chắc chắn các giá trị dự đốn và tính tốn trọng số
trung bình của giá trị dự đoán và giá trị đo.

Trong kỹ thuật OFDM ,sử dụng nhiều sóng mang con, mỗi sóng mang con lại
trực giao với các sóng mang cịn lại. Một vấn đề quan trọng trong OFDM đó là sự
lệch tần số giữa tín hiệu phát và tính hiệu thu, nguyên nhân được gây ra bởi sự dịch
Doppler trong kênh truyền hoặc sự sai khác giữa tần số dao động cục bộ tại máy
phát và máy thu dẫn đến sự mất tính trực giao giữa các sóng mang con và các tín
hiệu truyền trên mỗi sóng mang con khơng cịn độc lập với các sóng mang
khác.Đây là nguyên nhân tạo nên nhiễu ICI. Các nhà nghiên cứu đã đề xuất ra các
phương pháp khác nhau để giảm thiểu nhiễu ICI trong hệ thống OFDM.Các
phương pháp tiệm cận hiện tại đã được phát triển để giảm nhiễu ICI có thể phân
loại như cân bằng miền tần số, cửa sổ trong miền thời gian và ICI self-canclelation.

3
HVTH: NGUYỄN MẠNH THẮNG

GVHD: PGS.TS PHẠM HỒNG LIÊN


Ước lượng kênh truyền sử dụng mơ hình bộ lọc Kalman mở rộng kết hợp phương pháp giảm
nhiễu ICI theo tiêu chuẩn WiMAX di động

Ngồi ra cịn có một số phương pháp thực hiện ước lượng kênh truyền để tính tốn
thành phần nhiễu ICI sau đó loại bỏ thành phần này trong q trình tính tốn.Trong
đề tài này,tơi sẽ tập trung vào phân tích thành phần nhiễu ICI từ đó đề xuất phương
pháp giảm nhiễu ICI kết hợp với giải thuật ước lượng kênh truyền cho hệ thống
WiMAX di động.
1.3 Nội dung nghiên cứu
Trong đề tài này, tôi sẽ tập trung nghiên cứu các vấn đề sau :
- Tìm hiểu và nghiên cứu về kỹ thuật OFDM được sử dụng trong WiMAX,
các chuẩn trong WiMAX di động, mơ hình kênh truyền B, ITU-R.
- Nghiên cứu về bộ lọc Kalman mở rộng, từ đó xây dựng phương pháp ước

lượng kênh truyền dựa trên bộ lọc Kalman mở rộng áp dụng cho các
chuỗi huấn luyện pilot dạng lược
- Phân tích ảnh hưởng của nhiễu ICI trong WiMAX di động, đề xuất
phương pháp nhằm mục đích giảm nhiễu ICI cho hệ thống, kết hợp với
phương pháp ước lượng kênh truyền sử dụng bộ lọc Kalman để xây dựng
một hệ thống hoàn chỉnh
- Thực hiện mô phỏng nhằm đánh giá kết quả của phương pháp có sử dụng
triệt nhiễu ICI so với phương pháp ước lượng thông thường bỏ qua ảnh
hưởng của nhiễu ICI.

4
HVTH: NGUYỄN MẠNH THẮNG

GVHD: PGS.TS PHẠM HỒNG LIÊN


Ước lượng kênh truyền sử dụng mơ hình bộ lọc Kalman mở rộng kết hợp phương pháp giảm
nhiễu ICI theo tiêu chuẩn WiMAX di động

Chương II : Tổng quan về WiMAX
2.1 Sự ra đời của công nghệ WiMAX
Ngày nay tỷ lệ người truy cập băng rộng cịn rất ít, thấp hơn 20% dân số thế giới
và thậm chí cịn nhỏ hơn tỷ lệ này nhiều. Bởi vì các cơng nghệ đang tồn tại như
DSL, cáp và vô tuyến cố định có các hạn chế như chi phí lắp đặt cao, có vấn đề lặp
vịng, tốc độ đường lên (upstream) cần nâng cấp, giới hạn LOS và tính hướng mở
kém. Chính vì sự hạn chế này mà chúng ta đưa ra giải pháp truy cập internet băng
rộng cố định/ di động có thể sẽ thay thế những cơng nghệ hiện nay và truy cập bất
cứ nơi đâu và bất cứ khi nào với tốc độ cao, đó chính là cơng nghệ truy cập vô
tuyến băng rộng Wimax.
WiMax là công nghệ mới do tổ chức IEEE phát triển tập trung giải quyết các vấn

đề trong mạng vơ tuyến ngồi trời băng rộng điểm – điểm, điểm – đa điểm. Nó có
nhiều ứng dụng, như kết nối tầm xa (kéo dài) cho nhà riêng và thương mại và kết
nối backhaul các điểm nóng của mạng Wifi.
Trong khi WiMAX chưa có lịch sử phát triển phổ biến như Wifi (802.11), nhưng
chuẩn này đang có lợi thế đáng kể được sự hỗ trợ từ các nhà sản xuất tên tuổi lớn
như Intel và các công ty cổ phần lớn khác.... công nghệ WiMAX (chuẩn 802.16)
quan trọng như Internet cho phép kết nối tối đa lên đến 5 tỷ người. Với việc cung
cấp khả năng kết nối băng rộng không dây, công nghệ WiMAX cho phép thúc đẩy
sự phát triển công nghệ mới tạo điều kiện thuận lợi mang lại sự phát triển giáo dục
và y tế tốt hơn, tăng năng suất công-nông-thương nghiệp và thu nhập cho người
dân, khả năng tiếp cận chính phủ điện tử và xây dựng các thành phố điện tử.
WiMAX có thể sử dụng làm mạng vô tuyến theo nhiều cách giống như giao thức
rất phổ biến hiện nay là WiFi. WiMAX có thể là giao thức thế hệ thứ hai mà cho
phép sử dụng băng thông hiệu quả hơn, giảm nhiễu, mà còn cho phép tốc độ dữ
liệu cao hơn và khoảng cách xa hơn.
Chuẩn IEEE 802.16 định nghĩa các đặc tính kỹ thuật giao thức viễn thơng. Diễn
đàn Wimax tạo cơ hội tiềm lực để các thiết bị đang thử nghiệm của các nhà sản
xuất khác nhau tương thích với nhau, cũng như thiết kế một nhóm cơng nghệ
chun dụng để khuyến khích phát triển và thương mại hóa công nghệ. Chẳng bao

5
HVTH: NGUYỄN MẠNH THẮNG

GVHD: PGS.TS PHẠM HỒNG LIÊN


Ước lượng kênh truyền sử dụng mơ hình bộ lọc Kalman mở rộng kết hợp phương pháp giảm
nhiễu ICI theo tiêu chuẩn WiMAX di động

lâu nữa, WiMAX sẽ được chấp nhận để trở thành công nghệ truy cập Internet vô

tuyến ở mọi nơi trên thế giới.
Theo mô tả của IEEE 802.16, WiMAX có phạm vi phủ sóng đạt tới hơn 50km
và sẽ hoạt động ở dải tần từ 2GHz đến 11GHz, kết hợp được với nhiều dạng
Anten như Parabol, Panel, Yagi, Ommi... Với dải tần số hoạt động này, WiMAX
cho phép kết nối mà không cần thoả mãn điều kiện tầm nhìn thẳng LOS (Line on
Sight), tránh được tác động của các vật cản trên đường truyền như cây cối, nhà cửa
.... Đây là một giải pháp lý tưởng cho việc truyền dữ liệu, hình ảnh, điện thoại IP.
Thiết bị WiMAX phải được thiết kế có thể hoạt động tốt trong các điều kiện nhiệt
độ, độ ẩm của môi trường và sức gió... Với băng tần như trên, dữ liệu truyền đi của
WiMAX có thể đạt tới tốc độ 70Mbps, độ bảo mật cao và ổn định tuyệt đối.
2.2 Các chuẩn khác nhau của WiMAX
Chuẩn 802.16 ban đầu được tạo ra với mục đích là tạo ra những giao diện
(interface) không dây dựa trên một nghi thức MAC (Media Access Control) chung.
Kiến trúc mạng cơ bản của 802.16 bao gồm một trạm phát (BS - Base Station) và
người sử dụng (SS - Subscriber Station). Trong một vùng phủ sóng, trạm BS sẽ
điều khiển toàn bộ sự truyền dữ liệu (traffic). Điều đó có nghĩa là sẽ khơng có sự
trao đổi truyền thông giữa hai SS với nhau. Nối kết giữa BS và SS sẽ gồm một
kênh uplink và downlink. Kênh uplink sẽ chia sẻ cho nhiều SS trong khi kênh
downlink có đặc điểm broadcast. Trong trường hợp khơng có vật cản giữa SS và
BS (line of sight), thông tin sẽ được trao đổi trên băng tần cao. Ngược lại, thông tin
sẽ được truyền trên băng tần thấp để chống nhiễu
Ngoài ra cịn có một số chuẩn bổ sung của WiMAX như sau:
- 802.16a : chuẩn này sử dụng băng tần từ 2-11GHz. Đây là băng tần quan
trọng vì tín hiệu truyền có thể vượt chướng ngại vật trên đường truyền.

6
HVTH: NGUYỄN MẠNH THẮNG

GVHD: PGS.TS PHẠM HỒNG LIÊN

Ước lượng kênh truyền sử dụng mơ hình bộ lọc Kalman mở rộng kết hợp phương pháp giảm
nhiễu ICI theo tiêu chuẩn WiMAX di động

802.16a cịn thích ứng cho việc triển khai mạng Mesh mà trong đó một thiết
bị cuối (terminal) có thể liên lạc với BS thơng qua một thiết bị cuối khác
- 802.16b: Chuẩn này hoạt động trên băng tần từ 5 – 6 Ghz với mục đích cung
ứng dịnh vụ với chất lượng cao (QoS). Cụ thể chuẩn ưu tiên truyền thông tin
của những ứng dụng video, thoại, real-time thông qua những lớp dịch vụ
khác nhau (class of service). Chuẩn này sau đó đã được kết hợp vào chuẩn
802.16a
- 802.16c: Chuẩn này định nghĩa thêm các profile mới cho dãi băng tần từ 1066GHz với mục đích cải tiến interoperability.
- 802.16d: Có một số cải tiến nhỏ so với chuẩn 802.16a. Chuẩn này được
chuẩn hóa 2004. Các thiết bị pre-WiMAX có trên thị trường là dựa trên
chuẩn này
- 802.16e : Đang trong giai đoạn hoàn thiện và chuẩn hóa. Đặc điểm nổi bật
của chuẩn này là khả năng cung cấp các dịch vụ di động (vận tốc di chuyển
lớn nhất mà vẫn có thể dùng tốt dịch vụ này là 100km/h).
Hiện nay cịn có một số chuẩn bổ sung khác đang được triển khai hoặc đang
trong giai đoạn chuẩn hóa như 802.16g, 802.16f, 802.16h..
Chuẩn 802.16, giao tiếp dành cho hệ thống truy cập không dây băng rộng cố
định còn được biết đến với tên chuẩn giao tiếp khơng dây IEEE Wireless MAN.
Chuẩn được thiết kế mới hồn toàn với mục tiêu cung cấp những trục kết nối trực
tiếp trong mạng nội thị (Metropolitan Area Network-MAN) đạt băng thông tương
đương cáp, DSL, giao diện T1/E1 phổ biến hiện nay.

7
HVTH: NGUYỄN MẠNH THẮNG

GVHD: PGS.TS PHẠM HỒNG LIÊN

Ước lượng kênh truyền sử dụng mơ hình bộ lọc Kalman mở rộng kết hợp phương pháp giảm
nhiễu ICI theo tiêu chuẩn WiMAX di động

WAN

IEEE 802.20
IEEE 802.16
Wireless MAN
IEEE 802.11

3GPP EDGE
(GSM)

MAN

ETSI HIPERMAN
& HIPERACCESS

LAN

ETSI
HIPERLAN

PAN
IEEE 802.15

ETSI
HIPERPAN

Hình 2.1 Chuẩn khơng dây tồn cầu

Tháng 1/2003, IEEE cho phép chuẩn 802.16a sử dụng băng tần từ 2GHz đến
11GHz; rộng hơn băng tần từ 10GHz đến 66GHz của chuẩn 802.16 phát hành
tháng 4/2002 trước đó. Nhờ đặc tính khơng dây mà các nhà cung cấp dịch vụ và
vận hành có thể triển khai đường trục dễ dàng, tiết kiệm chi phí đến những vùng
địa hình hiểm trở, mở rộng năng lực mạng tại những tuyến cáp đường trục đang
quá tải; đặc biệt đường phố không bị "đào lên lấp xuống" như hiện nay. Thiết bị
phát IEEE 802.16a có thể lắp ngay trên nóc tịa nhà chứ khơng cần đầu tư đặt trên
tháp cao hoặc đỉnh núi như những cơng nghệ khác. Hệ thống 802.16a chuẩn có thể
đạt đến bán kính 48km bằng cách liên kết các trạm có bán kính làm việc 6-9 km.
Trong q trình phát triển 802.16, tính liên thơng ln được đề cao. Đầu tiên, diễn
đàn Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX) được thành lập
vào năm 2003 và qui tụ được nhiều công ty hàng đầu như Intel, LG Electronics,
Motorola, Fujitsu, Siemens... Để thúc đẩy các nhà sản xuất hệ thống truy xuất
không dây băng rộng đưa ra thiết bị tương thích IEEE 802.16, WiMAX cũng đã
hợp tác chặt chẽ với liên minh Wi-Fi để hỗ trợ tốt chuẩn IEEE 802.11. Để đạt được
sự liên thông, WiMAX buộc phải tạo một số System Profile tương ứng với qui
định sử dụng tần số khác nhau của từng khu vực địa lý. Ví dụ, nhà cung cấp dịch
vụ tại châu Âu dùng băng tần 3,5GHz với băng thơng 14MHz địi hỏi thiết bị hỗ
trợ kênh băng thông 3,5MHz hoặc 7 MHz, chức năng TDD (Time Division
Duplex) hoặc FDD (Frequency Division Duplex). Tương tự, nhà cung cấp dịch vụ
Internet không dây (WISP) tại Mỹ lại dùng băng tần 5,8GHz UNII nên thiết bị hệ
thống cần phải hỗ trợ băng thơng 10MHz và kỹ thuật TDD.
Trong q trình xây dựng khung chuẩn, 802.16a kế thừa các hệ thống đã có để
có thể được ứng dụng rộng rãi như thiết kế ban đầu. OFDMA dùng trong 3 lớp

8
HVTH: NGUYỄN MẠNH THẮNG

GVHD: PGS.TS PHẠM HỒNG LIÊN


Ước lượng kênh truyền sử dụng mơ hình bộ lọc Kalman mở rộng kết hợp phương pháp giảm
nhiễu ICI theo tiêu chuẩn WiMAX di động

PHY được thiết kế mở để có thể điều chỉnh linh hoạt, thích ứng với tất cả các kênh
có độ rộng băng thơng từ 1,75MHz đến 20MHz. Single Carrier Access (SCa) trong
Wi-Fi được giữ lại trong 802.16a làm đường liên kết xương sống, trong khi OFDM
với FFT (Fast Fourier Transform) 256 điểm lại hỗ trợ những truy xuất cố định
băng thông lên đến 10MHz. Kỹ thuật OFDMA được cải tiến dựa trên OFDM để hỗ
trợ hệ di động tốc độ cao, cho phép kênh hóa dữ liệu tải xuống (Downlink-DL) và
tải lên (Uplink-UL), ấn định hằng số tỷ lệ giữa kích thước FFT với độ rộng kênh..
Lớp MAC 802.16 được thiết kế hỗ trợ ứng dụng điểm-đa điểm dựa trên
CSMA/CA (Collision Sense Multiple Access with Collision Avoidance). MAC AP
802.16 quản lý tài nguyên UL, DL và gồm luôn cả chức năng định thời truyền và
nhận. Lớp MAC cịn có một số chức năng hỗ trợ ứng dụng diện rộng mà tính di
động khơng ổn định như tích hợp dịch vụ di động: bình chọn tức thời (realtime
Polling Service) và khơng tức thời (non-realtime Polling Service)...; Đóng gói/phân
mảnh để tăng độ hiệu quả sử dụng băng tần; Quản lý khóa riêng tư (PKM-privacy
key management) để bảo mật từ lớp MAC; Hỗ trợ phát đa luồng; Chuyển mạch tốc
độ cao; Quản lý năng lượng. PKM phiên bản 2 cịn có khả năng kết hợp với giao
thức xác thực mở rộng (EAP-Extensible Authentication Protocol).
Với tốc độ tải dữ liệu lên đến 75Mbps, một kênh đáp ứng của trạm 802.16a hoàn
toàn đủ năng lực cùng lúc phục vụ 60 khách hàng kết nối cấp T1 và hàng trăm kết
nối DSL gia đình, với băng thơng kênh là 20MHz. Trong thực tế, để đạt hiệu quả
kinh tế, các nhà vận hành và cung cấp dịch vụ thường phải chấp nhận cân đối phục
vụ thành phần khách hàng doanh nghiệp doanh thu cao với thành phần th bao gia
đình số đơng. Vì thế, chuẩn 802.16a đã hỗ trợ thiết thực nhà vận hành mạng, cho

phép cấu hình mức ưu tiên cho từng cấp dịch vụ. Như thế, doanh nghiệp có thể đặt
chế độ ưu tiên dịch vụ cấp T1 cho doanh nghiệp hoặc dịch vụ tốc độ DSL cho
người dùng gia đình. Đặc tả 802.16a cịn bao gồm tính năng bảo mật và QoS cần
thiết để hỗ trợ những dịch vụ thoại và video trực tuyến. Dịch vụ thoại 802.16 có
thể dùng kỹ thuật thoại TDM (Time Division Multiplexed) hoặc VoIP (Voice over
IP).
2.3 Ứng dụng công nghệ WiMAX
Sau khi ra đời, 802.16a đã nhanh chóng được triển khai tại châu Âu, Mỹ và thể
hiện một số lợi ích cụ thể.

9
HVTH: NGUYỄN MẠNH THẮNG

GVHD: PGS.TS PHẠM HỒNG LIÊN


Ước lượng kênh truyền sử dụng mơ hình bộ lọc Kalman mở rộng kết hợp phương pháp giảm
nhiễu ICI theo tiêu chuẩn WiMAX di động

2.3.1 Mạng đường trục:
802.16a là công nghệ không dây lý tưởng làm mạng trục nối các điểm hotspot
thương mại và LAN không dây với Internet. Công nghệ không dây 802.16a cho
phép doanh nghiệp triển khai hotspot 802.11 linh hoạt khi gặp địa hình hiểm trở,
địi hỏi thời gian ngắn và nâng cấp linh hoạt theo nhu cầu thị trường.
Chuẩn 802.16a cho phép triển khai những mạng trục tốc độ cao, chi phí thấp. Tại
châu Âu, nơi các nhà vận hành ít chấp nhận chia sẻ cáp trục với đối thủ cạnh tranh,
mạng trục WiMAX đã có đất phát triển và được sử dụng trong 80% tháp sóng.
Riêng tại Mỹ, do có điều luật qui định các nhà cung cấp dịch vụ thứ ba phải thuê
tuyến cáp trục từ nhà cung cấp mạng trục Internet nên tốc độ ứng dụng WiMAX
chậm hơn châu Âu. Tuy vậy, tỷ lệ ứng dụng WiMAX làm mạng trục cũng đã

chiếm đến 20% và sắp tới sẽ phát triển rất nhanh vì FCC đang chuẩn bị bỏ ràng
buộc về tuyến cáp trục với các nhà cung cấp dịch vụ thứ ba. Đối với các nước đang
phát triển thì giải pháp kết nối không dây 802.16a cho phép nâng cấp năng lực dịch
vụ nhanh chóng theo nhu cầu thực tế mà khơng phải lo ngại về vấn đề đào đường,
thay đổi kiến trúc hạ tầng.
2.3.2 Kết nối mạng không dây doanh nghiệp:
Chuẩn 802.16a được dùng làm cơ sở để liên thông các mạng LAN khơng dây,
hotspot WiFi 802.11 hiện có. Doanh nghiệp có thể tự do mở rộng qui mơ văn
phịng mà mơi trường mạng cục bộ vẫn được liên lạc nếu có mạng trung gian
khơng dây chuẩn 802.16a. Nhìn rộng hơn, doanh nghiệp có thể triển khai mạng
LAN khơng dây thống nhất cho tất cả văn phòng trong phạm vi một quốc gia.
2.3.3 Băng rộng theo nhu cầu:
Hệ thống không dây cho phép triển khai hiệu quả ngay cả khi sử dụng ngắn hạn.
Với sự hỗ trợ của công nghệ 802.16a, hệ thống hotspot 802.11 vẫn đủ năng lực
phục vụ dịch vụ kết nối tốc độ cao tại những hội chợ, triển lãm có đến hàng ngàn
khách. Nhà cung cấp dịch vụ có thể nâng cấp hoặc giảm bớt năng lực phục vụ của
hệ thống theo nhu cầu thực tế, giúp nâng cao hiệu quả kinh doanh, tăng tính cạnh
tranh của doanh nghiệp.

10
HVTH: NGUYỄN MẠNH THẮNG

GVHD: PGS.TS PHẠM HỒNG LIÊN