OFDM và ứng dụng trong hệ thống WiMAX di động

Bộ giáo dục và đào tạo
Trường đại học bách khoa hà nội

Luận văn thạc sĩ khoa học
Ngành: Kĩ thuật điện tử

OFDM và ứng dụng trong hệ thống
wiMax di động

Trần Việt Phương

Hà NộI 2006


-2-

Luận văn thạc sỹ khoa học

LờI CAM ĐOAN
Tôi tên là Trần Việt Phương, học viên cao học Điện tử - Viễn
thông khóa 2004-2006, đà hoàn thành bản luận văn cao học với đề
tài : OFDM và ứng dụng trong hệ thống WiMAX di động xin
cam đoan toàn bộ nội dung trong luận văn là công sức và sự tự
nghiên cứu, học hỏi của bản thân. Tuyệt đối không sao chép từ bất
kì công trình hoặc đề tài nào. Những sách, tài liệu tham khảo cùng
với các bài báo khoa học được ghi rõ trong phần Tài liệu tham khảo.

Hà Nội ngày 25 tháng 12 năm 2006
Học viên

Trần Việt Phương

-3-

Luận văn thạc sỹ khoa học

LờI CảM ƠN
Tôi xin trân trọng gửi cảm ơn tới thầy giáo TS Nguyễn Xuân
Dũng, người thầy đà hướng dẫn, chỉ bảo tận tình không những về
kiến thức khoa học mà cả về phương pháp luận, giúp cho luận văn
của tôi hoàn thành và đạt được chất lượng tốt.
Một lần nữa cho phép tôi bày tỏ lòng biết ơn vô hạn đến sự giúp quý
báu của thầy cô, gia đình, đồng nghiệp và bạn bè đà giúp đỡ tôi
nghiên cứu thành công luận văn này.


-4-

Luận văn thạc sỹ khoa học

Mục lục

Lời cam đoan

2

Lời cảm ơn

3

Mục lục

4

Danh mục các chữ viết tắt

6

Danh mục các đồ thị và bảng

8

Mở đầu

10

Chương 1. Hệ thống WiMAX di động
1. Giíi thiƯu chung vỊ WiMAX.

11

1.1 Giíi thiƯu vỊ WiMAX di ®éng

12

1.2 Líp vËt lÝ

15

1.2.1 Kü tht OFDMA

15

1.2.2 CÊu tróc symbol OFDM và sự phân kênh con

16

1.2.3 Scalable OFDMA

21

1.2.4 Cấu trúc khung TDD

23

1.2.5 Các đặc điểm khác của lớp vật lý

26

1.3. Lớp điều khiển truy nhập MAC

29

1.3.1 Hỗ trợ quản lí chất lượng (QoS)

29

1.3.2 Khả năng chia sẻ tài nguyên

31

trong lớp ®iỊu khiĨn truy nhËp MAC
1.3.3 Qu¶n lÝ sù di ®éng
1.4 Các đặc điểm tiên tiến của WiMAX di động

33
36

1.4.1 Công nghệ ăng-ten thông minh

36

1.4.2 Tái sử dụng tần số

39

1.4.3 Dịch vụ multicast và quảng bá (MBS)

41


-5-

Luận văn thạc sỹ khoa học

Chương 2. Kĩ thuật điều chế OFDM và OFDMA
2.1 Nguyên lí của OFDM

43

2.2 Đặc điểm của phương thức OFDM

47

2.3 Tạo cửa sổ

49

2.4. Sơ đồ khối

49

2.5 Ưu điểm so với một số phương pháp ghép kênh khác

51

2.6 Nhược điểm của OFDM

52

2.7 Phương thức đa truy nhập OFDMA

55

Chương 3. Quá trình thiết lập đồng bộ trong WiMAX di động
3.1 Giới thiệu

59

3.2 Quá trình thiết lập đồng bộ

60

3.3 Tính toán độ lệch thời gian

61

3.4 Tính toán độ lệch tần số và công suất

65

3.5 Một số kết quả

66

3.6 Tính toán tải xử lý

68

Chương 4. Kết quả mô phỏng tác động nhiễu
và ảnh hưởng đa đường lên tín hiệu OFDM
4.1 Mô hình hệ thống OFDM

71

4.2 Một số kết quả mô phỏng tín hiệu OFDM

72

4.2.1 Khả năng chống chịu trải trễ đa đường

72

4.2.2 Xén đỉnh tín hiệu

73

4.2.3 Khả năng chịu nhiễu Gaussian

74

4.2.4 Yêu cầu về thời điểm bắt đầu của kí tự OFDM

75

4.3 Kết quả mô phỏng với tham số của chuẩn 802.16e

76

Kết luận

80

Tài liệu tham khảo

81

Phụ lục

-6-

Luận văn thạc sỹ khoa học

Danh mục các chữ viết t¾t

AAS

Adaptive Antenna System

ACK

Acknowledge

AMC

Adaptive Modulation and Coding

ARQ

Automatic Repeat reQuest

CDMA

Code Division Multiple Access

CINR

Carrier to Interference + Noise Ratio

CP

Cyclic Prefix

CQI

Channel Quality Indicator

DL

Downlink

FBSS

Fast Base Station Switching

FCH

Frame Control Header

FDD

Frequency Division Duplex

FFT

Fast Fourier Transform

FUSC

Fully Used Sub-Carrier

HARQ

Hybrid Automatic Repeat reQuest

HHO

Hard Hand-Off

ISI

Inter-Symbol Interference

LOS

Line of Sight

MAC

Media Access Control

MAN

Metropolitan Area Network

MBS

Multicast and Broadcast Service

MDHO

Macro Diversity Hand Over

MIMO

Multiple Input Multiple Output

MS

Mobile Station

NACK

Not Acknowledge


-7-

Luận văn thạc sỹ khoa học

NLOS

Non Line-of-Sight

nrtPS

Non-Real-Time Polling Service

OFDM

Orthogonal Frequency Division Multiplex

OFDMA

Orthogonal Frequency Division Multiple Access

PER

Packet Error Rate

QAM

Quadrature Amplitude Modulation

QoS

Quality of Service

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

RRI

Reverse Rate Indicator

SINR

Signal to Interference + Noise Ratio

SM

Spatial Multiplexing

SNR

Signal to Noise Ratio

S-OFDMA

Scalable Orthogonal Frequency Division Multiple Access

SS

Subscriber Station

TDD

Time Division Duplex

UL

Uplink

VoIP

Voice over Internet Protocol

WAP

Wireless Application Protocol

WiMAX

Worldwide Interoperability for Microwave Access


-8-

Luận văn thạc sỹ khoa học

Danh mục các hình vẽ và bảng
Hình 1.1: Hệ thống WiMAX di động

13

Hình 1.2: Cấu trúc cơ bản của hệ thống OFDM

15

Hình 1.3: Mào đầu tuần hoàn (CP) được chèn vào trước phần dữ liệu

16

Hình 1.4: Cấu trúc sóng mang con OFDM

17

Hình 1.5 Nhóm các sóng mang con phân bố

18

Hình 1.6 Nhóm các sóng mang con liền kề

19

Hình 1.7: Kênh con phân tập tần số đường xuống

20

Hình 1.8: Cấu trúc tile của PUSC đường lên

20

Hình 1.9: Cấu trúc khung OFDMA WiMAX di động

24

Hình 1.10 Vị trí DL MAP

25

Hình 1.11: Hỗ trợ QoS của WiMAX di động

30

Hình 1.12: Chuyển mạch thích nghi với ăng-ten thông minh

38

Hình 1.13: Cấu trúc khung đa vùng

40

Hình 1.14: Tái sử dụng tần số từng phần

41

Hình 1.15: MBS được hỗ trợ với WiMAX di động và vùng MBS

42

Hình 2.1. Các sóng mang thành phần của tín hiệu OFDM

44

Hình 2.2. Phổ tín hiệu OFDM trong miền tần số

45

Hình 2.3. Khoảng bảo vệ của tín hiệu OFDM

48

Hình 2.4 Sơ đồ khối hệ thống OFDM

50

Hình 3.1: Cấu trúc symbol thiết lập đồng bộ

62

Hình 3.2: Quá trình tìm cực đại tương ứng với độ lệch thời gian

63

Hình 3.3 Tương quan trong miền tần số

64

Hình 3.4 Tương quan miền thời gian sử dụng IFFT

65

Hình 3.5 So sánh các kĩ thuật lấy tương quan khác nhau khi thuê bao di

67

động thiết lập đồng bộ (dữ liệu phát trên 64 kªnh con)


-9-

Luận văn thạc sỹ khoa học

Hình 3.6 So sánh các kĩ thuật lấy tương quan khác nhau khi thuê bao di

68

động thiết lập đồng bộ (dữ liệu phát trên 32 kênh con)
Hình 3.7: Tương quan chéo được thực hiện bằng phép nhân giữa dữ liệu

69

thu được và mà CDMA
Hình 4.1 Sơ đồ khối hệ thống OFDM trong mô phỏng

71

Hình 4.2 Khả năng chịu trải trễ của OFDM

72

Hình 4.3 ảnh hưởng xén đỉnh tín hiệu OFDM

73

Hình 4.4 ảnh hưởng của tạp âm trắng Gaussian

74

Hình 4.5 ảnh hưởng của sai lệch thời điểm đồng bộ

76

Hình 4.6 ảnh gốc trước khi phát

77

Hình 4.7 Kết quả với FFT bằng 1024

77

Hình 4.8 Kết quả với FFT bằng 512

78

Hình 4.9 Kết quả với FFT bằng 128

78

Hình 4.10 KÕt qu¶ víi FFT b»ng 128 kho¶ng b¶o vƯ 5.72 às.

79

Bảng 1.1: Các tham số của S-OFDMA

22

Bảng 1.2: Các phương thức mà hóa và điều chế được hỗ trợ trong

26

WiMAX di động
Bảng 1.3: Tốc độ dữ liệu lớp vật lý PHY trong

28

WiMAX di động với kênh con PUSC

Bảng 1.4: Các ứng dụng và QoS của WiMAX di động

31

Bảng 1.5: Các lựa chọn ăng-ten tiên tiến

37

Bảng 1.6: Tốc độ dữ liệu với cấu hình SIMO/MIMO

39

Bảng 2.1 So sánh đặc điểm của cách phân kênh con

57

Bảng 3.1 Tổng kết số phép tính cần thực hiện với việc thiết lập đồng bộ

70


-10-

Luận văn thạc sỹ khoa học

Mở đầu
Cùng với sự phát triển của xà hội, nhu cầu trao đổi thông tin của con
người tại mọi nơi mọi lúc ngày càng lớn. Công nghệ không dây đà có những
bước phát triển vượt bậc trong những năm gần đây. Cùng với sự triển khai các
mạng di động thế hệ thứ 3, mục tiêu giờ đây được nhắm tới thế hệ tiếp theo.

Mạng của thế hệ tương lai hứa hẹn đem lại tốc độ cao, chất lượng dịch vụ và
khả năng di chuyển không chỉ trong một mạng mà còn giữa các mạng khác
nhau. Một công nghệ đà được phát triển để đáp ứng những yêu cầu đó chính là
WiMAX. WiMAX di động (được xây dựng trên chuẩn 802.16e) hứa hẹn đem
lại truy nhập băng rộng ngay cả khi di chuyển với tốc độ cao. WiMAX di
động được thực hiện dựa trên kỹ thuật OFDMA với nhiều ưu điểm như thông
lượng, hiệu suất phổ và hỗ trợ các công nghệ ăng-ten tiên tiến. WiMAX di
động đang được nghiên cứu triển khai bởi WiMAX FORUM, một tổ chức
được hỗ trợ bở các công ty hàng đầu như Intel, Fujitsu, Samsung, AT&T và
Alvarion.
Chính vì vậy, việc nghiên cứu về những vấn đề cơ bản của kỹ tht
OFDM, OFDMA vµ øng dơng cđa nã trong WiMAX di ®éng lµ mét vÊn ®Ị cã
ý nghÜa khoa häc cËp nhật và tính thực tiễn. Mục đích của đề tài nhằm: Nắm
được các vấn đề cơ bản của kỹ thuật OFDM, OFDMA; thực hiện mô phỏng
bằng Matlab để làm rõ khả năng chống nhiễu của OFDM; hiểu được ứng dụng
của OFDMA trong chn 802.16e, cịng nh­ mét sè vÊn ®Ị cơ bản trong
WiMAX di động
Do thời gian nghiên cứu cũng như trình độ còn nhiều hạn chế nên luận
văn không tránh khỏi có những thiếu sót. Tôi rất mong được sự góp ý về bản
luận văn này để có những bổ sung và hướng phát triển tiếp theo.


-11-

Luận văn thạc sỹ khoa học

Chương 1. Hệ thống WiMAX di động

1. Giới thiệu chung về WiMAX
WiMAX là cụm từ viết tắt của Worldwide Interoperability for

Microwave Access, được WiMAX Forun đưa ra tháng 4 năm 2001 để đề cao
tính tương thích và sự thuận tiện của chuẩn 802.16, chuẩn vô tuyến cho khu
đô thị. WiMAX là một công nghệ cơ bản sẽ đem lại khả năng truy cập vô
tuyến băng réng cho tíi tõng ng­êi sư dơng thay cho c¸p và đường dây thuê
bao số (DSL).
WiMAX đưa ra các đặc tính kĩ thuật cho việc truyền thông theo tầm nhìn
thằng (LOS) trong dải tần 10-66 GHz (802.16c) cũng như 2-11 GHz (802.16a
và 802.16d). Ngoài ra, WiMAX cũng được ứng dụng trong thông tin di động,
khi tốc độ di chuyển nhỏ hơn 120 km/h, trong dải 2-6GHz (802.16e). Dưới
đây, chúng ta sẽ điểm qua đặc điểm các chuẩn 802.
802.16c - Mạng vô tuyến khu vực đô thị chuẩn lớp vật lý đơn sóng mang là
đối tượng hoạt động ở dải tần 10 66 GHz. Trạm gốc sẽ phát đẳng hướng dữ
liệu cho tất cả mọi đầu cuối theo số nhận dạng (CID). Các đầu cuối sẽ sử dụng
ăng-ten định hướng cao phát thông tin về trạm gốc. ứng dụng của chuẩn này là
giao tiếp vi-ba nối điểm - điểm (PPP) và điểm - đa điểm (PMP), kết nối giữa
các khu vụ khác nhau và mạng đường trục. Chi phí tiÕt kiƯm vµ thêi gian triĨn
khai nhanh chãng so víi việc đi cáp.
802.16a - Chuẩn này trong WiMAX cũng sử dụng chuẩn lớp vật lý đơn sóng
mang, tương tự như 802.16c, chỉ khác ở điểm nó hướng tới sử dụng tần số nhỏ
hơn 11 GHz và với môi trường không có tầm nhìn thẳng (NLOS). Đầu cuối có
thể là máy tính (PC) kết nối với ăng-ten đẳng hướng ở bên ngoài tòa nhà. Việc
sử dụng một sóng mang trong môi trường đa đường buộc máy thu phải có


-12-

Luận văn thạc sỹ khoa học

chức năng đánh giá và cân bằng kênh để khắc phục những ảnh hưởng đa
đường. Các thiết bị sử dụng chuẩn này có thể cung cấp các dịch vụ với băng

thông chừng 1 vài Mbps, tránh việc phải đi dây cáp. Kĩ thuật này cũng có thể
sử dụng để cung cấp đường trục cho các hotspot chuẩn 802.11. Một ứng dụng
khác là cung cấp internet băng rộng cho khu dân cư.
802.16d - Mục tiêu của chuẩn này là cung cấp kết nối internet băng rộng cho
người sử dụng trong nhà. Đầu cuối của chuẩn này sử dụng ăng-ten trong nhà
và ít di chuyển. 802.16d sử dụng kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trùc
giao trong líp vËt lý (OFDM). KÝch th­íc FFT vµ chiều dài symbol được thay
đổi tùy theo đặc điểm môi trường và yêu cầu băng thông
802.16e - Các đặc tính kĩ thuật cho phép đầu cuối di động với tốc ®é 125
dỈm/giê. Líp vËt lý sư dơng kÜ tht ®a truy nhập phân chia theo tần số trực
giao (OFDMA). Tương tù víi 802.16d, kÝch th­íc FFT vµ chiỊu dµi kÝ tự cũng
biến đổi tùy theo môi trường và băng thông. Một điểm khác biệt là có sự kết
nối giữa các trạm gốc, nhằm hỗ trợ việc chuyển giao đầu cuối giữa các trạm
gốc. Điều này đảm bảo sự đồng bộ nhanh chóng và chính xác. Một đặc điểm
khác là trong OFDM, đầu cuối sử dụng tất cả sóng mang con có thể trong
khoảng thời gian được cấp, còn trong OFDMA, người sử dụng được cấp
những dải tần số và cả thời gian khác nhau. Việc ánh xạ sóng mang trong mỗi
chuẩn cũng khác nhau, dẫn tới việc đánh giá kênh trong 802.16d phức tạp hơn
nhưng ít phải thực hiện còn trong 802.16e thì đơn giản hơn, nhưng thường
xuyên thực hiện hơn.
Trong phần dưới đây chúng ta sẽ đi sâu hơn vào chuẩn 802.16e, sử dụng
trong WiMAX di động.
1.1 Giới thiệu về WiMAX di động
WiMAX di động là giải pháp không dây băng rộng đà kết hợp mạng di
động và băng rộng nhờ công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng vµ kiÕn trơc


-13-

Luận văn thạc sỹ khoa học

mạng linh động. Giao diện vô tuyến của WiMAX di động sử dụng OFDMA
để tăng cường chất lượng trong môi trường đa đường. S-OFDMA được đưa ra
giới thiệu trong IEEE 802.16e nhằm hỗ trợ sự thay đổi băng thông trong dải từ
1.25 đến 20 MHz. Nhãm kÜ thuËt Mobile Technical Group (MTG) trong
WiMAX Forum ®ang phát triển các đặc điểm mô tả hệ thống WiMAX di
động, trong đó định nghĩa các thành phần bắt buộc và tùy chọn của chuẩn
IEEE cần có để xây dựng một giao diện vô tuyến phù hợp với WiMAX di
động của WiMAX Forum. Đặc điểm hệ thống WiMAX di động cho phép các
hệ thống di động được cấu hình dựa trên một tập thành phần cơ bản chung do
đó đảm bảo các chức năng cơ bản của đầu cuối và trạm gốc hoàn toàn có thể
giao tiếp với nhau. Một số thành phần của trạm gốc là tùy chọn cho phép việc
triển khai linh động tùy theo yêu cầu cụ thể đòi hỏi tối ưu dung lượng hay tối
ưu vùng phủ sóng. WiMAX di động sẽ bao gồm các kênh 5, 6, 8.75, và 10
MHz trong vùng phổ được cấp giấy phép ở dải tần 2.3, 2.5, 3.3 và 3.5 GHz.
Trong khi đó, nhóm Network Working Group phát triển các đặc tả lớp mạng
cao hơn, ngoài những đặc điểm kĩ thuật về vô tuyến được định nghĩa trong
chuẩn IEEE 802.16. Sự kết hợp giữa IEEE 802.16 và WiMAX Forum hỗ trợ
cho việc xác định giải pháp thực hiện hệ thống WiMAX.

Hình 1.1: Hệ thống WiMAX di động


-14-

Luận văn thạc sỹ khoa học

Các hệ thống WiMAX di động có thể thay đổi trong cả công nghệ truy
nhập vô tuyến và kiến trúc mạng, do đó có tính linh động lớn trong lựa chọn
triển khai và cung cấp dịch vụ. Một số đặc điểm được hỗ trợ bởi WiMAX di

động là:
ã Tốc độ dữ liệu cao: Công nghệ ăng-ten MIMO với cơ chế phân kênh
con linh động, điều chế và mà hóa tiên tiến đà cho phép công nghệ
WiMAX di động cung cấp tốc độ truyền dữ liệu ở đường xuống tới 63
Mbps và đường lên tới 28 Mbps trong mỗi sector với kênh 10 MHz.
ã Chất lượng dịch vụ (QoS): Yêu cầu đầu tiên của kiến trúc lớp điều
khiển truy nhập (MAC) của chuẩn IEEE 802.16 là đảm bảo chất lượng
dịch vụ. Chuẩn định nghĩa dòng dịch vụ (Service Flows) có thể ánh xạ
thành các mà dịch vơ kh¸c nhau hay nh·n MPLS cho phÐp kÕt nèi IP điểm
đến điểm dựa trên QoS. Thêm vào đó, việc phân kênh con và sơ đồ báo
hiệu dựa trên giao thøc truy nhËp (MAP) cung cÊp mét c¬ chÕ linh động để
tối ưu hóa phân bổ tài nguyên không gian, tần số và thời gian trên giao
diện vô tuyến trên từng khung.
ã Tính linh động về băng thông: Phổ tần số vô tuyến băng rông vẫn là
một nguồn tài nguyên vẫn phân bổ khác nhau mỗi nơi trên thế giới. Công
nghệ WiMAX vì thế được thiết kế để có thể thay đổi sao cho hoạt động
phù hợp với các phương thức phân kênh từ 1.25 đến 20 MHz tùy theo yêu
cầu. Điều này cũng cho phép các vùng có nền kinh tế phân tán nhận thấy
lợi ích của công nghệ WiMAX di động có thể đáp ứng từng nhu cầu cụ thể
tùy vùng địa lí như cung cấp truy nhập internet với mức chấp nhập được
trong vùng ngoại ô hay nâng cao dung lượng truy nhập băng rộng ở khu
vực trung tâm và đô thị.
ã Bảo mật: Vấn đề bảo mật của WiMAX di động đem lại được đảm bảo
với nhËn thùc dùa trªn EAP, m· hãa nhËn thùc AES-CCM, và cơ chế bảo
vệ bản tin điều khiển dựa trên CMAC và HMAC. Hỗ trợ cho một lọat các


-15-

Luận văn thạc sỹ khoa học

dạng thẻ như: SIM/USIM, SMART Card, Digital Certificates và cơ chế
Username/Password dựa trên các phương thức EAP có liên quan.
ã Khả năng di động: WiMAX di động hỗ trợ cơ chế chuyển giao tối ưu
với độ trễ nhỏ hơn 50 ms nhằm đảm bảo chất lượng các ứng dụng thời gian
thực như VoIP. Sơ đồ quản lí linh động đảm bảo sự bảo mật trong suốt quá
trình chuyển giao.
1.2 Lớp vật lí
1.2.1 Kĩ thuật OFDMA
OFDM là một phương pháp điều chế đa sóng mang, phương pháp này
chia miền phổ sử dụng cho nhiều sóng mang, mỗi sóng mang được điều chế
bởi dòng số liệu có tèc ®é thÊp. OFDM sư dơng phỉ cã hiƯu st cao hơn
nhiều do khoảng cách các kênh rất gần nhau. Điều này có được nhờ việc làm
cho tất cả các sóng mang trực giao với nhau, tránh được nhiễu giữa các sóng
mang có khoảng cách gần nhau. Việc tăng chiều dài symbol làm tăng khả
năng khắc phục trải trễ của OFDM. Thêm vào đó, sự có thêm mào đầu tuần
hoàn (CP) loại trừ hoàn toàn ảnh hưởng của nhiễu xen giữa symbol (ISI) nếu
chiều dài CP lớn hơn trễ kênh truyền.

Hình 1.2: Cấu trúc cơ bản của hệ thống OFDM


-16-

Luận văn thạc sỹ khoa học

OFDM khắc phục sự phân tập tần số của kênh đa đường bằng mà hóa và
đan xen (interleaving) thông tin trong các sóng mang con tr­íc khi trun.
§iỊu chÕ OFDM cã thĨ thùc hiƯn hiƯu quả với biến đổi IFFT, tạo ra một số
lượng lớn sóng mang con (tới 2048) một cách đơn giản. Trong hệ thống

OFDM, thông tin sắp xếp trong miền thời gian theo các symbol OFDM và
trong miền tần số theo các sóng mang con. Tài nguyên có thể được tổ chức
theo các sóng mang con để phân chia cho từng người sử dụng khác nhau.
OFDMA là cơ chế ghép kênh/đa truy nhập cho phép ghép đường dữ liệu của
nhiều người sử dụng vào các kênh con.

Hình 1.3: Mào đầu tuần hoàn (CP) được chèn vào trước phần dữ liệu
1.2.2 Cấu trúc symbol OFDM và sự phân kênh con
Cấu trúc symbol OFDM gồm 3 loại sóng mang con như trong hình 1.4:
ã Sóng mang con dữ liệu mang theo dữ liệu cần phát đi.
ã Sóng mang con pilot sử dụng cho mục đích đồng bộ và đánh giá
ã Sóng mang con Null sử dụng cho mục đích bảo vệ và thành phần mét
chiÒu (DC).


-17-

Luận văn thạc sỹ khoa học

Hình 1.4: Cấu trúc sóng mang con OFDM
Các sóng mang con tích cực (mang dữ liệu và thông tin pilot) được nhóm
thành các tập con gọi là kênh con. Lớp vật lý OFDMA của WiMAX hỗ trợ
việc phân kênh con trong cả đường lên và đường xuống. Đơn vị tài nguyên
nhỏ nhất của kênh con là một slot, bao gồm 48 sóng mang con dữ liƯu.
Cã 2 c¸ch thùc hiƯn viƯc nhãm c¸c sãng mang con vào các kênh con:
- Nhóm các sóng mang con phân bố
- Nhóm các sóng mang con liền kề
Hai cách nhóm này được thể hiện trên hình 1.5 và 1.6. Khi nhóm các sóng
mang con phân bố, một kênh con sẽ gồm những sóng mang con phân bố ngẫu
nhiên trong toàn bộ băng thông sử dụng. Phương thức này đem lại sự phân tập

tối đa về tần số và tạo ra mức nhiễu giữa các cell khá đồng đều. Đây là
phương thức phù hợp với môi trường di động khi đặc tính kênh truyền biến đổi
nhanh.


-18-

Luận văn thạc sỹ khoa học

Hình 1.5 Nhóm các sóng mang con phân bố
Với cách nhóm thứ nhì, một kênh con là tập hợp các sóng mang liền kề nhau
được lựa chọn bởi bộ phân bổ tài nguyên (theo nguyên tắc chọn những sóng
mang con có mức tín hiệu trên tạp âm với nhiễu (SINR) và tránh những sóng
mang con suy hao lớn). Phương thức này đem lại chất lượng cao hơn và dễ sử
dụng hệ thống ăng-ten thích ứng (AAS). Nhược điểm là phương thức này đòi
hỏi điều kiện truyền dẫn tương đối ổn định (thiết bị đầu cuối cố định hoặc di
chuyển chậm).


-19-

Luận văn thạc sỹ khoa học

Hình 1.6 Nhóm các sóng mang con liền kề
OFDMA sử dụng một số sơ đồ hoán vị hỗ trợ cả hai phương thức trên.
Các hoán vị phân tập bao gồm FUSC (Fully Used Sub-Carrier) đường xuống,
PUSC (Partially Used Sub-Carrier) đường lên và xuống và các hoán vị tùy
chọn khác. Với PUSC đường xuống, với mỗi cặp symbol OFDM, các sóng
mang con có thể được sử dụng được nhóm thành các nhóm (cluster) chứa 14
sóng mang liên tục với mỗi chu kì symbol, với vị trí thông tin pilot và dữ liệu

trong mỗi nhóm trong các symbol chẵn và lẻ như trên hình 1.7.


-20-

Luận văn thạc sỹ khoa học

Hình 1.7: Kênh con phân tập tần số đường xuống
Cơ chế sắp xếp tạo thành nhóm của các cluster mà mỗi nhóm được tạo
thành từ các cluster được phân bố trong không gian sóng mang con. Một kênh
con trong một nhóm chứa hai cluster và tạo thành từ 48 sóng mang con chứa
dữ liệu và 8 sãng mang con pilot. C¸c sãng mang con chøa dữ liệu trong mỗi
nhóm tiếp tục được hoán vị để tạo thành các kênh con trong nhóm. Do đó, chỉ
có vị trí các pilot trong cluster được thể hiện trong hình 1.7. Các sóng mang
con chứa dữ liệu trong cluster được phân bố trong nhiều kênh con. Tương tự
với cấu trúc cluster của đường xuống, dạng cấu trúc dạng chóp được định
nghĩa cho PUSC đường lên được mô tả trong hình 1.8.

Hình 1.8: Cấu trúc tile của PUSC đường lên
Không gian sóng mang con được phân chia thành 6 tile, được lựa chọn từ
toàn bộ dải phổ bằng một cơ chế sắp xếp, hoán vị. Các tile đc nhóm lại với
nhau tạo thành slot. Mỗi slot gồm 48 sóng mang con dữ liệu và 24 sóng mang
con pilot trong 3 symbol OFDM.


-21-

Luận văn thạc sỹ khoa học

Còn với phương thức nhóm các sóng mang liên tục, sơ đồ mà hóa và điều

chế thích nghi (AMC) đem lại hiệu quả tối đa cho những thiết bị đầu cuối cố
định hay ít di chuyển. MÃ hóa và điều chế thích nghi (AMC) được thực hiện
với cả đường xuống và đường lên với 8 sóng mang con cho dữ liệu và 1 cho
pilot. Một slot trong AMC được định nghĩa là một tập hợp NxM = 6, với N là
số bins liên tục và M là số symbol liên tục. Do đó, có thể xuất hiện các kết
hợp [(6 bins, 1 symbol), (3 bins, 2 symbols), (2 bins, 3 symbols), (1 bin, 6
symbols)]. Ho¸n vị AMC cho phép phân tập người sử dụng bằng cách chọn
kênh con có đáp ứng tần số tốt nhất.
Nói chung, các hoán vị sóng mang con phân tập đem lại chất lượng tốt
trong các ứng dụng di động còn hoán vị sóng mang con liên tục phù hợp với
môi trường cố định, ít di động. Những lựa chọn này cho phép nhà thiết kế hệ
thống lựa chọn giữa tính di động và thông lượng.
1.2.3 Scalable OFDMA
Trong chuẩn IEEE 802.16e-2005, chế độ OFDMA MAN vô tuyến dựa trên
scalable OFDMA (S-OFDMA). S-OFDMA hỗ trợ một dải lớn băng thông để
có thể cung cấp linh động tùy theo yêu cầu phổ và loại hình dịch vụ khác
nhau. Tính scalable được hỗ trợ bằng cách điều chỉnh kích thước FFT trong
khi giữ cố định khoảng cách các sóng mang con là 10.94 kHz. Vì băng thông
mỗi sóng mang con và thời gian mỗi symbol là cố định, ảnh hưởng đến lớp
cao hơn là tối thiểu khi thăy đổi băng thông. Các tham số S-OFDMA được liệt
kê trong bảng 1.1.


-22-

Luận văn thạc sỹ khoa học

Các tham số

Giá trị

Băng thông hƯ thèng (MHz)

1.25

5

10

20

TÇn sè lÊy mÉu (F P MHz)

1.4

5.6

11.2

22.4

KÝch th­íc FFT (N FFT )

128

512

1024

2048

2

8

16

32

R

R

R

R

Số lượng kênh con
Khoảng cách giữa các sóng mang con

10.94 kHz

Chiều dài symbol hữu ích (T b = 1/f)

91.4 às

Tổng chiều dài symbol khi có khoảng

102.9 às

R

R

bảo vÖ (T g = T b /8)
R

R

R

R

Sè symbol OFDMA (khung 5 ms)

48

Bảng 1.1: Các tham số của S-OFDMA
Do chuẩn 802.16e nhằm mục đích cung cấp dịch vụ di động với tốc độ
cao, nên tín hiệu phải chịu ảnh hưởng lớn của hiệu ứng Dopler. Dễ thấy, khi
kích thước FFT tăng lên, cùng với đó là số sóng mang con tăng lên, với cùng
một băng thông nhất định, chiều dài các symbol sẽ dài ra. Khi đó hệ thống có
thể chống lại suy hao đa đường tốt hơn. Nhưng khoảng cách giữa các sóng
mang sẽ thu hẹp lại, nên ảnh hưởng của hiệu ứng Dopler sẽ tăng lên nhiều.
Với tốc độ di chuyển 125 km/h, hiệu ứng Dopler khi hoạt động ở tần số
3.5GHz (giá trị trung bình trong dải 2 – 6 GHz cđa 802.16e) sÏ lµ:

f =

v

λ

=

35m / s
= 408 Hz
0.086m

ảnh hưởng lớn nhất của hiệu ứng Dopler là xấp xỉ 700 Hz khi hệ thống
làm việc ở dải tần 6GHz. Khi đó với khoảng cách giữa các sóng mang con là
10 kHz thì mức nhiễu giữa các sóng mang (ICI) tương ứng với dịch chuyển
Dopler sẽ khoảng 27 dB. Để khắc phục hiệu ứng Dopler, khi đó hệ thống cần
thực hiện việc đánh giá và cân bằng kênh với tần số khoảng 1 kHz.


-23-

Luận văn thạc sỹ khoa học

Do vậy nếu giảm nhỏ khoảng cách giữa các sóng mang con sẽ làm tăng
độ phức tạp trong thiết kế và chi phí thực hiện hệ thống OFDM. Đây cũng là lí
do để chúng ta sử dụng mô hình S-OFDMA: thay đổi kích thước FFT khi yêu
cầu về băng thông thay đổi và giữa nguyên khoảng cách sóng mang con.
1.2.4 Cấu trúc khung TDD
Lớp vật lý PHY của chuẩn 802.16e hỗ trợ hoạt động truyền song công
theo thòi gian (TDD) và theo tần số (FDD), nhưng trong phiên bản WiMAX
ban đầu chỉ có TDD. Với các phiên bản tiếp theo, WiMAX Forum sẽ xem xét
FDD để xác định nhu cầu thị trường có cần TDD hay thích hợp với triển khai
FDD. Để khắc phục vấn đề nhiễu, TDD yêu cầu phải có sự đồng bộ trên cả hệ

thống, tuy nhiên, chế độ song công thường dùng TDD vì những lí do sau:
ã TDD cho phép điều chỉnh tỉ lệ đường lên/xuống làm tăng hiệu quả hỗ
trợ lưu lượng đường lên/xuống không đối xứng, trong khi với FDD,
đường lên và đường xuống bị cố định và nói chung thường có băng
thông bằng nhau.
ã TDD đảm bảo sự đảo kênh, hỗ trợ tốt hơn cho link adaptation, MIMO
và một số công nghệ an-ten tiên tiến khác.
ã Không như FDD, yêu cầu phải có kênh truyền theo từng cặp, TDD chỉ
cần một kênh duy nhất cho cả đường lên và xuống, do đó có tính linh
động lớn trong việc thích nghi với các dải phổ khác nhau trên thế giới.
ã Thiết kế các bộ thu phát TDD đơn giản hơn và do đó chi phí thấp hơn.
Hình 1.9 minh häa cÊu tróc khung OFDM víi kÜ tht TDD. Mỗi khung
được chia thành khung con DL và UL phân tách bằng các khoảng trống
Phát/Thu và Thu/Phát (TTG và RTG tương ứng) để tránh sự chồng lặp phần
DL và UL. Trong một khung, các thông tin điều khiển sau được sử dụng để
đảm bảo hoạt động của hệ thống được tèi ­u:


-24-

Luận văn thạc sỹ khoa học

Hình 1.9: Cấu trúc khung OFDMA WiMAX di động
ã Mào đầu: Được sử dụng để đồng bộ, mào đầu là symbol OFDM đầu
tiên của mỗi khung
ã Tiêu đề khung (FCH): FCH được truyền ngay sau mào đầu. Phần tiêu
đề này cung cấp các thông tin cấu hình khung như độ dài bản tin MAP,
cơ chế mà hóa và các kênh con được sử dụng. Phần này luôn được mÃ
hóa với một tỉ lệ và mức điều chế nhất định. Có hai định dạng cho FCH,
một dùng cho 128 FFT và một cho các kích thước FFT còn lại. Với FFT

có kích thước khác 128, 4 slot đầu chứa 48 bit điều chế bởi QPSK với tỉ
lệ 1/2 và repetition 4. Với FFT 128, slot đầu tiên giành cho FCH và
không mà repetition.
ã DL-MAP và UL-MAP: cho phép định vị các kênh con và các thông tin
điều khiển khác về khung con đường xuống và lên tương ứng. Nằm tiếp
theo FCH (trong cùng symbol ở kênh con tiếp theo) là DL-MAP. Có
một số kiểu bản đồ đường xuống và xuống/lên. DL-Map cơ bản bắt đầu
ngay sau FCH nhưng một số loại khác có thể nằm ở những vị trí khác


-25-

Luận văn thạc sỹ khoa học

trong khung. Có thể có tới 3 DL/UL MAP phụ trong mỗi khung. Các
bản tin phơ ®ã chØ sư dơng víi cÊu tróc nÐn ®­êng xuống và gắn kết
đường lên. Vị trí của các bản đồ khác nhau từ 1 đến 4 được minh họa
trên hình 1.10. Các bản đồ sẽ nằm nối tiếp nhau theo trục tần số trước.
Khi đến kênh con cuối cùng, sẽ chuyển đến kênh con nhỏ nhất của khe
thời gian tiếp theo (như Map 2 và 4).

Hình 1.10 Vị trí DL MAP
ã Kênh thiết lập đồng bộ (Ranging) đường lên: kênh con thiết lập đồng bộ
đường lên được sử dụng ®Ĩ thiÕt bÞ di ®éng (MS) cã thĨ thùc hiƯn các
điều chỉnh vòng lặp đóng thời gian, tần số và công suất cũng như yêu
cầu về băng thông.
ã Kênh chỉ thị chất lượng đường lên (UL CQICH): Kênh CQICH đường
lên được sử dụng để MS phản hồi các thông tin về trạng thái kênh
truyền.
ã Kênh trả lời (UL ACK): Kênh này được sử dụng cho MS xác nhận yêu

cầu đường xuèng (HARQ).