Công nghệ winmax và kỹ thuật mino

..

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

NGUYỄN THỊ HẢO

CÔNG NGHỆ WINMAX VÀ KỸ THUẬT MINO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Chuyên ngành : Điện tử viễn thông

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
NGUYỄN VŨ THẮNG
Hà Nội – 2007


i

MỤC LỤC
MỤC LỤC................................................................................................................... i
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ........................................................................................ iv
KÝ HIỆU ................................................................................................................. vii
DANH MỤC CÁC BẢNG...................................................................................... viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ................................................................................... ix
LỜI NĨI ĐẦU ......................................................................................................... xii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CƠNG NGHỆ WIMAX...............................................1
1.1. Nguồn gốc và sự ra đời chuẩn WiMAX ..............................................................1
1.1.1. Tổ chức WiMAX Forum ...........................................................................1
1.1.2. Lịch sử WIMAX........................................................................................2

1.1.3. Khái niệm WIMAX ..................................................................................3
1.2. Mô tả lớp vật lý ....................................................................................................5
1.2.1 Truyền lan LOS và NLOS ........................................................................5
1.2.2 Chế độ truyền dẫn.....................................................................................7
1.2.3 Sơ đồ khối quá trình truyền - nhận tin......................................................8
1.2.4 OFDM Symbol .......................................................................................12
1.2.5 Điều chế và mã hóa thích ứng ................................................................13
1.2.6. Cấu trúc khung lớp vật lí .........................................................................15
1.3. Mơ tả lớp MAC ..................................................................................................16
1.3.1. Mơ hình tham chiếu .................................................................................16
1.3.1.1 Lớp con hội tụ dịch vụ riêng SSCS.................................................17
1.3.1.2 Lớp con MAC CPS .........................................................................20
b. Quá trình xây dựng MAC PDU trong 802.16............................................24
1.3.1.3 Lớp con bảo mật (Subsercurity layer).............................................25
1.3.2. Cơ chế cấp phát và yêu cầu băng thơng...................................................26
1.3.3. Q trình thiết lập kết nối ........................................................................27
1.3.4. Chất lượng dịch vụ trong 802.16 .............................................................29
1.4. Kiến trúc mạng WiMAX...................................................................................32


ii

1.4.1. Mạng dịch vụ truy nhập ASN.................................................................37
1.4.2. Mạng dịch vụ kết nối CSN .....................................................................37
1.4.3. Cấu hình mạng ........................................................................................38
1.4.4. Cấu hình điểm – đa điểm PMP ................................................................38
1.4.5. Cấu hình mắt lưới MESH ........................................................................39
1.4.6. Quá trình vào mạng .................................................................................40
2.1. Giới thiệu chung.................................................................................................43
2.2. Ưu điểm của hệ thống MIMO............................................................................43

2.3. Mơ hình hệ thống MIMO...................................................................................44
2.4. Dung lượng kênh MIMO ...................................................................................46
2.5. Kênh không được biết ở phía phát .....................................................................47
2.6. Kênh được biết ở phía phát ................................................................................48
2.7. Kênh xác định (các phần tử H được định trước)................................................49
2.7.1. Hệ thống SIMO........................................................................................49
2.7.2. Hệ thống MISO........................................................................................50
2.8. Kênh ngẫu nhiên ................................................................................................51
2.8.1. Dung lượng Ergodic ................................................................................51
2.8.2. Dung lượng outage ..................................................................................53
2.9. So sánh hiệu năng các hệ thống MIMO với hệ thống không MIMO. ...............55
2.10. Ảnh hưởng của các tham số vật lí lên dung lượng kênh MIMO .....................57
2.10.1. Ảnh hưởng của sự tương quan fading ...................................................57
2.10.2. Ảnh hưởng của đường truyền trực tiếp LOS .........................................59
CHƯƠNG 3. KỸ THUẬT MIMO SỬ DỤNG TRONG WIMAX ..........................62
3.1. Giới thiệu chung.................................................................................................62
3.2. Anten thích ứng (Adapter Anten System)..........................................................62
3.3. So sánh MIMO và AAS trong WiMAX ............................................................64
3.4. Mã hóa khơng gian thời gian trong MIMO........................................................67
3.4.1. Mã hóa không gian thời gian Alamouti...................................................68
3.4.1.1. Kết hợp tỷ lệ cực đại (MRC).............................................................68


iii

3.4.1.2. Sơ đồ Alamouti 2 anten phát và 1 anten thu. ....................................71
3.4.1.3. Sơ đồ Alamouti hai anten phát với nr anten thu...............................74
3.4.1.4. Hiệu năng của sơ đồ Alamouti..........................................................76
3.4.2. Mã khối khơng gian thời gian (STBC). ...................................................80
3.4.2.1. Mã hóa STBC với tín hiệu thực ........................................................81

3.4.2.2. Mã hóa STBC với tín hiệu phức. ......................................................83
3.4.2.3. Hiệu năng của STBC.........................................................................85
3.5. Ghép kênh không gian .......................................................................................87
3.5.1. Kỹ thuật phân chia giá trị đơn. ................................................................88
3.5.2. Dung lượng của kênh SVD MIMO .........................................................91
3.5.3. Các bộ phát LST: các loại mã hóa ...........................................................94
3.5.4. Các bộ thu ghép kênh không gian: ..........................................................98
3.5.5. So sánh giữa các bộ thu .........................................................................104
3.6. Lựa chọn chế độ MIMO thích ứng ..................................................................106
3.7. Xu hướng phát triển .........................................................................................108
KẾT LUẬN .............................................................................................................110
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................111


iv

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Từ viết

Tên tiếng Anh

Tên tiếng Việt

tắt
AAA

Authentication authorization &Account Nhận thực, cấp phép và lập tài khoản.

AAS

Adaptive Antenna System

Hệ thống anten thích ứng

ACI

Adjacent Cell Interference

Nhiễu ơ lân cận

ASN

Access Service Network

Mạng dịch vụ truy nhập

AM

Adaptive Modulation

Điều chế thích ứng

AOA

Angle Of Arrival

Góc tới

AOD

Angle Of Departure

Góc xuất phát

AWGN

Additive White Gaussian Noise

Tạp âm Gauss trắng cộng

BE

Best Effort

Dịch vụ nỗ lực tốt nhất

BER

Bit Error Rate

Tỉ lệ lỗi bít

BLAST Bell Labs Layered Space-time

Kiến trúc khơng gian thời gian phân

architecture

lớp của phịng thí nghiệm Bell

BPSK

Binary Phase Shift Keying

Khóa dịch pha nhị phân

BS

Base Station

Trạm gốc

BTC

Block Turbo Code

Mã Turbo khối

CCI

Co channel Interference

Nhiễu đồng kênh

CDF

Cumulative Distribution Function

Hàm phân bố tích lũy

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

CID

Connection Identifier

Nhận dạng kết nối

CP

Cyclic Prefix

Tiền tố tuần hoàn

CPE

Customer Premises Equipment

Thiết bị truyền thông cá nhân

CPS

Common Part Sublayer

Lớp con phần chung

CRC

Cyclic Redundancy Check

Kiểm tra độ dư vịng tuần hồn

CSI

Channel State Information

Thông tin trạng thái kênh

CTC

Concatenated Turbo Code

Mã Turbo xoắn

DCD

Downlink Channet Descriptor

Miêu tả kênh đường xuống

DFT

Discrete Fourier Transform

Biến đổi Fourier rời rạc

DHCP

Dynamic Host Configuration Protocol

Giao thức cấu hình Host động

DL

Downlink

Đường xuống


v

DLFP

Downlink Frame Preamble

Tiền tố khung đường xuống

DPS

Delay Power Spectrum

Phổ công suất trễ

FDD

Frequence Division Mutiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số

FEC

Forward Error Correct

Hiệu chỉnh lỗi trước

FFT

Fast Fourier Transform

Chuyển đổi Fourier nhanh

HCS

Header Check Sequence

Thứ tự kiểm tra tiêu đề

HT

Header Type

Loại tiêu đề

ICI

Inter Carrier Interference

Nhiễu giữa các sóng mang

IFFT

Inverse Fast Fourier Transform

Biến đổi Fourier nhanh đảo

ISI

Inter Symbol Interference

Nhiễu giữa các ký hiệu

LOS

Line of Sight

Tầm nhìn thẳng

LSB

Least Significant Bit

Bit ít ý nghĩa nhất

MA

Multiple Access

Đa truy nhập

MAC

Medium Access Control

Điều khiển truy nhập phương tiện

MAN

Metropolitan Area Network

Mạng vùng thành thị

MIMO

Multiple Input Multiple Output

Nhiều đầu và nhiều đầu ra

MISO

Multiple Input Single Output

Nhiều đầu vào một đầu ra

ML

Maximum Likelihood

Khả giống cực đại

MMSE

Minimum Mean Square Error

Sai lỗi bình phương trung bình cực tiểu

MQAM Multilevel-QAM

QAM nhiều mức

MS

Mobile Station

Trạm di động

MSB

Most Significant Bit

Bít nhiều ý nghĩa nhất

NLOS

Non Light of Sight

Tầm nhìn không thẳng

NNI

Network Network Interface

Giao diện mạng – mạng

NRP

Normalized Received Power

Công suất thu chuẩn hóa

OFDM

Orthogonal Frequence Division

Ghép kênh phân chia theo tần số trực

Multiplexing

giao

OFDMA Orthogonal Frequence Division

Đa truy nhập phân chia theo tần số

Multiple Access

trực giao

PDF

Probability Density Function

Hàm mật độ xác suất

PDP

Power Delay Profile

Lý lịch trễ công suất

PDU

Protocol Data Unit

Đơn vị dữ liệu giao thức

PEP

Pairwise Error Probability

Xác suất lỗi cặp


vi

PKM

Privacy Key Management

Quản lí khóa bảo mật

PMP

Point to Multipoint

Điểm đa điểm

PS

Physical Slot

Khe vật lý

QAM

Quadrature Amplitude Modulation

Điều chế biên độ cầu phương

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

Khóa chuyển pha cầu phương

RDS

Root mean square Delay Spread

Trải trễ trung bình quân phương

rms

Root mean square

Trung bình quân phương

RTG

Receive Transition Gap

Khoảng trống chuyển giao đầu thu

SAP

Service Access Point

Điểm truy nhập dịch vụ

SE

Spectrum Efficiency

Hiệu suất phổ tần

SER

Symbol Error Rate

Tỷ lệ lỗi ký hiệu

SFID

Service Flow Identifier

Nhận dạng luồng dịch vụ

SIMO

Single Input Multiple Output

Một đầu vào nhiều đầu ra

SIR

Signal to Interference Ratio

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

SINR

Signal to Interference plus Noise Ratio

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu cộng tạp âm

SISO

Single Input Single Output

Một đầu vào một đầu ra

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỷ số tín hiêu trên tạp âm

SS

Subscriber Station

Trạm thuê bao

SSCS

Specify Services Convergence Sublayer Lớp con hội tụ các dịch vụ riêng

STBC

Space Time Block Code

Mã khối không gian thời gian

STC

Space Time Code

Mã không gian thời gian

SVD

Singular Value Decomposition

Phân chia giá trị đơn

TDD

Time Division Duplex

Song công phân chia

TTG

Transmit Transition Gap

Khoảng trống chuyển giao đầu phát

UCD

Uplink Channet Descriptor

Miêu tả kênh đường lên

UGS

Unsolicited Grant Service

Dịch vụ cấp phát không kết hợp

UL

Uplink

Đường lên

UNI

User Network Interface

Giao diện người sử dụng – mạng

WAN

Wide Area

Mạng diện rộng

WLAN

Wireless LAN

Mạng LAN không dây

WMAN Wireless MAN

Mạng MAN không dây

XOR

Exclusive

Hàm cộng modul

ZF

Zero Forcing

Cưỡng bức về không


vii

KÝ HIỆU
|a|

Độ lớn của a

A+

Ma trận giả đảo Moore – Penrose của A

AF

Chuẩn Frobenius của ma trận A

AH

Ma trận chuyển vị phức của A

AT

Ma trận chuyển vị của A

C

Dung lượng

ES

Năng lượng ký hiệu thu

δ ( x)

Hàm Dirac

Det(A)

Định thức ma trận A

Diag(a1, a2, …an)

Ma trận đường chéo nxn

∈

Hoạt động mong muốn

f(x)

Hàm phân phối xác suất của biến ngẫu nhiên x

F(x)

Hàm phân phối tích lũy của x

Im

Ma trận nhất phân kích thước mxm

K

Thừa số K kênh Rice

Pe

Xác suất lỗi

r(A)

Hạng ma trận A

R

Trường số thực

Tr(A)

Dò theo A

(x)+

Được định nghĩa là: ⎨

Z

Trường số nguyên

⎧ x if x ≥ 0, x ∈ R
⎩0 if x<0, x ∈ R


viii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1. 1. Các thành viên của tổ chức WiMAX Forum.............................................1
Bảng 1. 2: Bảng mô tả sửa lỗi với các lựa chọn khác nhau ......................................10
Bảng 1. 3: Bảng mô tả xen kẽ trong WiMAX ..........................................................10
Bảng 1. 4: Bảng mô tả các thông số trong khâu biến đổi OFDM.............................11
Bảng 1. 5: Phân chia ranh giới SNR cho điều chế thích ứng..................................14
Bảng 1. 6: Bảng mơ tả ý nghĩa trường tin.................................................................22
Bảng 1. 7: Bảng mô tả ý nghĩa các bit ......................................................................23
Bảng 2. 1: Độ lợi dàn và bậc phân tập của các cấu hình anten khác nhau. .............55
Bảng 3. 1. So sánh dung lượng MIMO với các kiến trúc đa anten khác nhau .........65
Bảng 3. 2. So sánh giá cả giữa các kiến trúc anten khác nhau..................................67
Bảng 3. 3. Mã hóa và chuỗi ký hiệu phát cho sơ đồ phân tạp phát hai anten ...........72
Bảng 3. 4: Định nghĩa các kênh giữa anten phát và anten thu..................................75
Bảng 3. 5: Ký hiệu các tín hiệu thu tại hai anten thu ...............................................75

Bảng 3. 6: Các đặc điểm hiệu năng của các bộ thu cho sơ đồ SM. ........................105


ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1. 1. Phân lớp giao thức của WiMAX...............................................................4
Hình 1. 2 . Mơ hình LOS.............................................................................................6
Hình 1. 3. Mơ hình NLOS..........................................................................................7
Hình 1. 4. Q trình truyền-nhận tin..........................................................................8
Hình 1. 5. Vector khởi tạo đường xuống bộ tạo ngẫu nhiên OFDM ........................9
Hình 1. 6. Cấu trúc symbol trong miền tần số ..........................................................12
Hình 1. 7. Điều chế và mã hóa thích ứng..................................................................15
Hình 1. 8. Cấu trúc khung OFDMA TDD của WiMAX...........................................15
Hình 1. 9. Lớp MAC và các chức năng ....................................................................17
Hình 1. 10. Cấu trúc của ATM-CS PDU chế độ chuyển mạch đường .....................18
Hình 1. 11. Cấu trúc khung ATM-CS PDU chế độ chuyển mạch kênh ..................19
Hình 1. 12. Quá trình phân loại MAC SDU..............................................................19
Hình 1. 13. Các SDU, PDU qua từng lớp .................................................................20
Hình 1. 14. Cấu trúc của MAC PDU ........................................................................21
Hình 1. 15. Cấu trúc tiêu đề MAC PDU dạng thơng thường....................................21
Hình 1. 16. Cấu trúc tiêu đề MAC PDU dạng u cầu băng thơng ..........................24
Hình 1. 17. Q trình thiết lập kết nối ......................................................................27
Hình 1. 18. Mối quan hệ giữa các thực thể QoS .......................................................30
Hình 1. 19. Kiến trúc mạng WiMAX......................................................................32
Hình 1. 20. Kiến trúc mạng WiMAX trên cơ sở IP ................................................36
Hình 1. 21. Cấu hình điểm-đa điểm mạng WiMAX.................................................38
Hình 1. 22. Cấu hình Mesh mạng WiMAX ..............................................................39
Hình 1. 23. Quy trình vào mạng................................................................................42
Hình 2. 1. Sơ đồ khối hệ thống MIMO .....................................................................44

Hình 2. 2. Sơ đồ hệ thống SIMO 1xnr. yi (i=1,…nr) là các giá trị đầu ra, h1,j
(j=1,…,nr) là các kênh con giữa các cặp thu phát..............................................49
Hình 2. 3.Hệ thống MISO nt×1, x1 và x2 là các tín hiệu đầu vào; y là tín hiệu đầu
ra;h1,1 và h1,2 là đáp ứng xung kim của các kênh con giữa các cặp thu phát ....50


x

Hình 2. 4. CDF của tốc độ thơng tin cho ma trận kênh i.i.d với hệ thống 2x2 và SNR
=10dB [18].........................................................................................................52
Hình 2. 5. Dung lượng ergodic cho cấu hình anten khác nhau với nt=nr= M [18] ...52
Hình 2. 6. Dung lượng ergodic kênh MIMO 4x4 [18]..............................................53
Hình 2. 7. Dung lượng 10% outage cho các cấu hình anten khác nhau
(nt=nr=M)[18]. ...................................................................................................54
Hình 2. 8. Dung lượng outage 10% với kênh M=4. Sự chênh lệch dung lượng
outage trong hai trường hợp giảm khi SNR tăng [18]. ......................................55
Hình 2. 9. Dung lượng kênh MISO nx1, SIMO 1xn và MIMO nxn theo số anten n
với SNR=0 [17] .................................................................................................56
Hình 2. 10. Dung lượng một số cấu hình anten MIMO khác nhau [7].....................56
Hình 2. 11. Dung lượng ergodic so với hệ số K của kênh MIMO. Dung lượng giảm
với K tăng [18]...................................................................................................60
Hình 3. 1. Mở rộng búp sóng bởi trải phổ góc..........................................................64
Hình 3. 2. MRC hai nhánh ........................................................................................69
Hình 3. 3. Sơ đồ phân tập hai nhánh phát với một máy thu của Alamouti ..............72
Hình 3. 4. Sơ đồ phân tập phát hai nhánh với hai máy thu Alamouti......................74
Hình 3. 5. Tỉ số BER của sơ đồ điều chế BPSK Alamouti với 1 và 2 anten thu trong
môi trường fading Rayleigh...............................................................................77
Hình 3. 6. Tỉ lệ lỗi khung FER của sơ đồ Alamouti BPSK với 1 và 2 anten thu trên
kênh fading Rayleigh. ........................................................................................78
Hình 3. 7. Tỉ lệ lỗi khung FER của sơ đồ Alamouti QPSK với 1 và 2 anten thu trên

kênh fading Rayleigh. ........................................................................................79
Hình 3. 8. Tỉ lệ lỗi bit BER cho STBC với 3 bit/s/Hz trên kênh fading Rayleigh với
số anten thu là 1 [18] .........................................................................................85
Hình 3. 9.Tỉ lệ BER cho STBC với hiệu quả trải phổ 2bit/s/Hz trên kênh fading
Rayleigh với 1 anten thu [18] ............................................................................86
Hình 3. 10. Tỉ lệ BER cho STBC với hiệu quả trải phổ 1bit/s/Hz trên kênh fading
Rayleigh với 1 anten thu [18] ............................................................................87


xi

Hình 3. 11. Sơ đồ MIMO ghép kênh khơng gian......................................................88
Hình 3. 12. Sơ đồ kênh MIMO .................................................................................89
Hình 3. 13. Mơ hình chuyển đổi kênh MIMO thành các kênh song song ................90
Hình 3. 14. Mơ hình SVD MIMO.............................................................................91
Hình 3. 15. Sơ đồ HE cho ghép kênh khơng gian.....................................................94
Hình 3. 16. Mã hóa dọc.............................................................................................95
Hình 3. 17. Cấu hình V-BLAST. ..............................................................................95
Hình 3. 18. Hệ thống V-BLAST ...............................................................................97
Hình 3. 19. Mã hóa chéo ...........................................................................................98
Hình 3. 20. So sánh bộ thu ML, OSUC, SUC và MMSE qua kênh MIMO [6] .....105
Hình 3. 21. So sánh các bộ thu ML, ZF (OSUC), MMSE (OSUC) cho hệ thống 2x2
sử dụng điều chế QPSK [18] ...........................................................................106
Hình 3. 22. Lựa chọn chế độ thích ứng MIMO [25]...............................................107
Hình 3. 23. Hệ thống MIMO với máy phát chuyển mạch giữa ghép kênh không
gian và phân tập với thông tin phản hồi từ phía thu. .......................................107


xii

LỜI NĨI ĐẦU
Trên thế giới, cơng nghệ WiMAX (World Interoperability for Microwave
Access: khả năng khai thác liên mạng trên toàn cầu đối với truy nhập viba) đang là
xu hướng mới cho các tiêu chuẩn giao diện vô tuyến trong việc truy nhập không dây
băng thông rộng cho tất cả các thiết bị cố định, di động. Với nhiều ưu điểm vượt
trội như tốc độ truyền dẫn cao, phạm vi phủ sóng rộng, chất lượng dịch vụ được
thiết lập cho từng kết nối, an ninh tốt, hỗ trợ multicast cũng như di động, sử dụng
cả phổ tần cấp phép và không được cấp phép… theo đánh giá của các chuyên gia
thì WiMAX sẽ nhanh chóng vượt qua những cơng nghệ hiện có như Wi-fi hay 3G.
Rất nhiều thiết bị vơ tuyến được sử dụng ở các dải tần khác nhau trong các
hệ thống thông tin vô tuyến khác nhau: từ các hệ thống thơng tin vệ tinh tồn cầu
tốc độ thấp đến các hệ thống các hệ thống WLAN và các WPAN tốc độ cao với
vùng phủ sóng từ vài m đến vài trăm m. Việc sử dụng đồng thời các hệ thống này
dẫn đến dải tần dành cho thông tin vô tuyến trở nên chặt trội hơn bao giờ hết. Vì
thế vấn đề sử dụng hiệu suất phổ tần đã trở thành một vấn đề cấp bách hơn bao giờ
hết. Một giải pháp rất hiệu quả cho việc giải quyết vấn đề này là áp dụng truyền
dẫn thích ứng. Truyền dẫn thích ứng có thể áp dụng tại lớp vật lý cho tất cả các tài
nguyên khác nhau của môi trường truyền dẫn vô tuyến như: thời gian, tần số, công
suất và không gian.
Đề tài này tập trung lên việc sử dụng hiệu suất tài nguyên không gian trong
các hệ thống WiMAX mà có thể được thực hiện thơng qua việc sử dụng các phần tử
anten được tổ chức thành dàn để truyền dẫn và thu tín hiệu. Hệ thống dàn anten sử
dụng ở cả phía thu và phát cịn được gọi là hệ thống MIMO. Vấn đề đặt ra là phải
thiết kế các hệ thống MIMO thế nào để đạt được hiệu năng tối ưu của đường truyền
vô tuyến. Ta biểu diễn hiệu năng bằng các thông số sau:
-

Tốc độ bit: Hệ thống phải đạt được tốc độ bit trên một đơn vị băng

thông cao nhất. Thông số này thường được định nghĩa là hiệu suất phổ tần. Giới

hạn cuối cùng hay tốc độ bit cao nhất đối với một xác suất lỗi bit thấp cho trước


xiii

trong kênh AWGN đã được Shannon đưa ra và thường được sử dụng làm tham
chuẩn.
-

Độ tin cậy: Là độ bền vững của truyền dẫn, thường mâu thuẫn với tốc

độ bit và có thể đo bằng tỉ số lỗi bit. Vì kênh vô tuyến di động là kênh thay đổi theo
thời gian nên ta cần chọn lựa chiến lược chống lại sự giảm lớn tỉ số SNR tại máy
thu do phađinh đa đường gây ra.
-

Độ phức tạp: Máy đầu cuối di động được cấp nguồn từ acquy phải có

kích thước và trọng lượng gọn nhẹ, nên các bộ chuyển đổi luồng số đầu vào thành
nt luồng kí hiệu đầu ra phải ít phức tạp nhất.
Các mục tiêu thiết kế nói trên thường đối kháng lẫn nhau, vì vậy người thiết
kế phải cân nhắc lựa chọn để đảm bảo tối ưu giữa tiêu chí kinh tế và chất lượng.
Đề tài "Cơng nghệ WiMAX và kỹ thuật MIMO" sẽ cung cấp các kiến thức
mới nhất về công nghệ WiMAX, các kỹ thuật MIMO sử dụng trong WiMAX. Đề tài
bao gồm ba chương với các vấn đề nghiên cứu sau đây:
• Tổng quan cơng nghệ WiMAX
• Kỹ thuật MIMO
• Kỹ thuật MIMO sử dụng trong WiMAX
Tôi xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Vũ Thắng, người đã hướng dẫn, định
hướng, góp ý cho tơi nhiều điều vơ cùng q báu trong q trình tơi thực hiện đề tài

này.
Trong q trình nghiên cứu khó tránh khỏi thiếu sót. Tơi rất mong nhận
được ý kiến đóng góp của các thầy cơ, đồng nghiệp và các bạn.
Tơi xin chân thành cảm ơn!
Học viên: Nguyễn Thị Hảo
Lớp cao học ĐTVT khóa 2005-2007


1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ WIMAX
1.1. Nguồn gốc và sự ra đời chuẩn WiMAX
1.1.1. Tổ chức WiMAX Forum
WiMAX Forum là một tổ chức phi lợi nhuận được thành lập bởi sự liên hiệp
của các cơng ty nhằm mục đích tạo điều kiện cho việc triển khai và phát triển mạng
truy cập không dây băng rộng dựa trên chuẩn 802.16.
Cuộc họp đầu tiên vào 04/2001 ở Antibe, Pháp. Với sự tham gia của các hãng
sau: Nokia, Harris. Cross Span, và Ensemble. Tới 10/2005 thì tổ chức này đã có hơn
230 thành viên và bao gồm nhiều hãng nổi tiếng như: Microsoft, Intel, Alvarion,
Fujitsu Microeletronics Americal,…Chủ tịch hiện nay là Non Resnick (Intel).
Tổ chức này sẽ quyết định và chỉ đạo việc kiểm tra tính tương tác và trao cho
các nhà sản xuất thiết bị nhãn chứng nhận WiMAX (WiMAX Certified). Mục đích
cuối cùng là mang lại lợi ích cho người dùng đầu cuối, họ có thể mua sản phẩm theo
chọn lựa của mình mà đảm bảo chắc chắn sản phẩm đó sẽ tương thích với các sản
phẩm đã được chứng nhận khác.
+Airspan Networks

+Intel

+RF Magic

+Alvarion

+L3 Primewave

+SiWave

+Andrew Corporation

+LCC

+SiWorks

+Aperto Networks

+NEWS IQ

+Stratex Networks

+Atheros Comm.

+Nokia

+Tower Stream

+China Motion Telecom

+OFDM Forum

+The Telnecity Group

+Compliance

+Powerwave

+TurboConcept

Certification Services

Technologies

+Wavesat Wireless

+Engim

+Proxim

+WiLAN

+Ensemble Comm.

+Raytheon RF

+Winova Wireless

+Filtronics

Components

+Fujitsu Microlectronics

America

+Yahoo

+Redline Comm

+MTI

+RF Intergration

+RS Telecom

Bảng 1. 1. Các thành viên của tổ chức WiMAX Forum


2

1.1.2. Lịch sử WIMAX
Nhóm cơng tác IEEE 802.16 là nhóm đầu tiên chịu trách nhiệm phát triển
chuẩn 802.16 bao gồm giao diện không gian cho truy nhập không dây băng rộng.
Hoạt động của nhóm khởi đầu trong một cuộc họp vào 08/1998. được gọi là kiểm
tra hệ thống điện tử không dây quốc gia (N-WEST), đây là một bộ phận của viện
nghiên cứu cơng nghệ và chuẩn hóa quốc gia Mĩ. Ban đầu nhóm tập trung vào việc
phát triển các chuẩn và giao diện không dây cho băng tần 10-676GHz. Sau đó dự án
sửa đổi dẫn đến việc tán thành chuẩn IEEE 802.16a tập trung vào băng tần 211GHz. Sự phê chuẩn cuối cùng chi tiết kĩ thuật giao diện không gian 802.16a là
vào 01/2003.
ETST đã tạo ra chuẩn MAN không dây cho băng tần 2-11GHz gọi là chuẩn
ETSI HiperMAN, được đưa ra vào 10/2003. Tổ chức ETST làm việc gần gũi với
nhóm IEEE 802.16 do vậy chuẩn HiperMAN về cơ bản là theo chỉ dẫn 802.16.
Chuẩn HiperMAN cung cấp việc truyền thông cho mạng không dây trong các băng

tần 2-11GHz ở Châu Âu. Nhóm làm việc HiperMAN tận dụng lược đồ điều chế
OFDM FFT 256 điểm, là một trong những lược đồ điều chế được định nghĩa trong
chuẩn IEEE 802.16a.
WiMAX Forum giữ vai trò tương tự liên minh W-Fi trong WLAN, hỗ trợ phát
triển các sản phẩm MAN không dây dựa trên các chuẩn của Viện nghiên cứu của
các kĩ sư điện và điện tử (IEEE) và viện nghiên cứu các chuẩn viễn thông Châu Âu
(ETSI). WiMAX Forum tin rằng một chuẩn chung cho truy nhập không dây băng
rộng BWA sẽ làm giảm chi phí thiết bị và thúc đẩy việc cải thiện hiệu năng. Bên
cạnh đó, các nhà khai thác BWA sẽ không bị ràng buộc trong một nhà cung cấp duy
nhất do các trạm gốc BS sẽ tương thích với thiết bị truyền thơng cá nhân CPE của
nhiều nhà cung cấp. Ban đầu tập trung vào truyền thông cố định cho dải tần 1066GHz, việc mở rộng quy mô lớn bắt đầu vào 01/2003 và chuyển sang cả lĩnh vực
di động.


3

1.1.3. Khái niệm WIMAX
WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access – Khả năng
tương tác toàn cầu với truy nhập vi ba) là một công nghệ truy nhập không dây băng
thông rộng mới, dựa trên chuẩn IEEE 802.16. WiMAX gần giống với Wi-Fi nhưng
được cải thiện khá nhiều để có thể tăng tốc độ truyền dẫn dữ liệu tới 70 Mb/giây với
phạm vi hoạt động 2-10 km trong khu vực thành thị và 50 km tại những vùng hẻo
lánh.
Công nghệ Wimax dựa trên các chuẩn, cho phép truy cập băng rộng vô tuyến
đến đầu cuối như một phương thức thay thế cho cáp và DSL. Nó có thể kết nối băng
rộng vơ tuyến cố định, nomadic (người sử dụng có thể di chuyển nhưng cố định
trong lúc kết nối), mang xách được (người sử dụng có thể di chuyển với tốc độ đi
bộ) và di động mà không cần thiết ở trong tầm nhìn thẳng (Line-of-Sight) trực tiếp
tới một trạm gốc. Trong bán kính của một cell điển hình từ 3km đến 10km, các hệ
thống đã được diễn đàn WiMAX (WiMAX Forum) chứng nhận sẽ có cơng suất lên

tới 40Mbit/s mỗi kênh cho các ứng dụng truy cập cố định và mang xách được.
WiMAX cho phép đủ băng thông để đồng thời hỗ trợ hàng trăm doanh nghiệp với
kết nối tốc độ T1 và hàng ngàn hộ dân với kết nối tốc độ DSL. Công nghệ WiMAX
đem lại giải pháp cho nhiều ứng dụng băng rộng tốc độ cao cùng thời điểm với
khoảng cách xa và cho phép các nhà khai thác dịch vụ hội tụ tất cả trên mạng IP để
cung cấp các dịch vụ “3 cung”: dữ liệu, thoại và video.
Chuẩn IEEE 802.16-2004 được phê chuẩn vào 24/06/2004 là sự kết hợp của
các chuẩn IEEE 802.16 (06/12/2001) IEEE 802.16a (29/01/2003) và IEEE 802.16c
(12/12/2002).
IEEE 802.16 (06/12/2001)
Giao diện không gian cho các chi tiết kĩ thuật PHY và MAC của hệ thống truy
nhập không dây băng rộng cố định đối với dải tần 10-66GHz (LOS).
Một lớp PHY: Sóng mang đơn.
Hướng kết nối, TDM/TDMA MAC, QoS, bảo mật.
IEEE 802.16a (29/01/2003)


4

Bổ sung 802.16, các sửa đổi MAC và các chi tiết kĩ thuật PHY bổ sung cho
dải tần 2-11GHz
Có 3 lớp PHY: OFDM, OFDMA và sóng mang đơn.
Các chức năng MAC bổ sung: Hỗ trợ OFDMA PHY và OFDM, hỗ trợ cấu
hình mạng mắt luới, ARQ.
IEEE 802.16c (12/12/2002)
Sửa đổi 802.16, miêu tả dải từ 10 đến 66GHz.
IEEE 802.16e(12/2005)
Tập trung về di động trong dải tần 2-6GHz.
Cho phép chuyển giao tín hiệu tốc độ cao cần thiết cho truyền thông với những
người dùng di chuyển ở tốc độ của phương tiện giao thông.

Diễn đàn WiMAX đã định nghĩa các đặc tả dành cho lớp vật lý (PHY), lớp
MAC đảm bảo một nền tảng thống nhất cho tất cả những triển khai WiMAX. Hình
vẽ sau miêu tả phân lớp giao thức WIMAX cho hai lớp cuối cùng.

Truyền tải
ATM

Truyền tải
IP

MAC

Lớp con hội tụ dịch vụ đặc biệt CCCS
Lớp con phần chung MAC
MAC-CPS
Lớp con bảo mật PS

Lớp vật lí (PHY)
Lớp vật lí (PHY)

Hình 1. 1. Phân lớp giao thức của WiMAX


5

1.2. Mô tả lớp vật lý
1.2.1 Truyền lan LOS và NLOS
Trong thơng tin vơ tuyến, sóng vơ tuyến được truyền qua mơi trường vật lý có
nhiều cầu trúc và vật thể như tòa nhà, đồi núi, cây cối xe cộ chuyển động…. Nói
chung q trình truyền sóng trong thơng tin vơ tuyến rất phức tạp. Q trình này có

thể chỉ có một đường truyền thẳng (LOS: line of sight), hay nhiều đường mà khơng
có LOS hoặc cả hai. Truyền sóng nhiều đường xẩy ra khi có phản xạ, nhiễu xạ và
tán xạ.
Trong liên kết LOS, một tín hiệu di chuyển qua một đường truyền thẳng và
khơng có vật cản từ đầu phát đến đầu thu. Một liên kết LOS yêu cầu hầu hết miền
Fresnel khơng có vật cản nào như hình vẽ. Nếu tiêu chuẩn này khơng đáp ứng thì sẽ
có sự suy giảm đáng kể về độ lớn tín hiệu. Độ mở Fresnel được yêu cầu tùy thuộc
vào tần số hoạt động và khoảng cách giữa vị trí đầu phát và đầu thu.
Trong một liên kết NLOS, một tín hiệu đến đầu thu thông qua phản xạ, tán xạ
và nhiễu xạ. Tín hiệu đến tại đầu thu bao gồm các thành phần từ đường truyền
thẳng, các đường truyền phản xạ, năng lượng tán xạ và các đường truyền lan nhiễu
xạ. Các tín hiệu này khác nhau về khoảng rộng trễ, độ suy giảm, độ phân cực, và độ
ổn định liên quan đến đường truyền thẳng.
Hiện tượng đa đường có thể gây ra sự thay đổi phân cực tín hiệu. Do đó sử
dụng phân cực như một phương pháp để tái sử dụng tần số, điều đó là thơng dụng
trong triển khai LOS nhưng có thể gặp nhiều khóa khăn trong các ứng dụng NLOS.
Làm cách nào để hệ thống vơ tuyến biến các tín hiệu đa đường thành một lợi
ích là một mấu chốt để cung cấp dịch vụ trong các điều kiện NLOS. Một sản phẩm
mà chỉ đơn thuần tăng công suất để xuyên qua các vật cản khơng phải là cơng nghệ
của NLOS bởi vì phương pháp này vẫn còn dựa vào một đường truyền thẳng mạnh
mẽ mà khơng sử dụng năng lượng có trong các tín hiệu gián tiếp. Cả hai kiểu LOS
và NLOS đều bị chi phối bởi các đặc tính truyền lan của mơi trường, suy hao đường
truyền và nhiễu liên kết vô tuyến .


6

Độ mở miền
Fresnel
0.6

Vị trí đặt trạm
gốc Wimax

Vị trí đặt CPE
Wimax

Mọi chướng ngại phải
ở ngồi 0.6 của miền
mở Fresnel đầu tiên

Hình 1. 2 . Mơ hình LOS
Có nhiều lợi ích khiến truyền lan NLOS trở nên hấp dẫn. Ví dụ, các yêu cầu
quy hoạch khắt khe, và những hạn chế về chiều cao của anten thường không cho
phép anten được đặt trong môt trường LOS. Với các hệ thống cell quy mơ lớn cạnh
nhau thì việc tái sử dụng tần số là không phù hợp, làm giảm chiều cao anten là
thuận lợi để giảm nhiễu kênh liên kết giữa các vị trí cell gần nhau. Điều này thường
áp dụng cho các BS hoạt động trong điều kiện NLOS. Các hệ thống LOS khơng thể
giảm chiều cao anten bởi vì nếu làm thế có thể tạo ra tác động đến đường truyền
tầm nhìn thẳng được u cầu từ CPE đến BS.
Cơng nghệ NLOS cũng giảm chi phí lắp đặt bằng cách lắp đặt CPE dưới mái
hiên an tồn, làm giảm những khó khăn trong việc định vị các vị trí thích hợp của
khung anten. Công nghệ này cũng làm giảm nhu cầu về khảo sát vị trí trước khi lắp
đặt và cải thiện độ chính xác của các cơng cụ quy hoạch NLOS
Công nghệ NLOS và các đặc điểm nổi bật trong WiMAX làm cho nó có thể sử
dụng các CPE trong nhà. Có hai thách thức chủ yếu là, đầu tiên phải khắc phục


7

được các suy hao khi xuyên qua tòa nhà, thứ hai là khoảng cách bao phủ phù hợp
với công suất phát và độ khuếch đại anten gắn với CPE phải thấp hơn. WiMAX đã
khắc phục được điều này bằng cách thêm một số khả năng tùy chọn cho nó. Các giải
pháp được lựa chọn cho NLOS là sử dụng công nghệ OFDM, kênh con hóa, các
anten tính hướng, điều chế thích ứng, kĩ thuật hiệu chỉnh lỗi và điều khiển cơng
suất.
Trạm gốc
Wimax (BS)

Thiết bị
truyền
thơng cá
nhân
Wimax
(CPE)

Đường trực tiếp
Đường gián tiếp

Hình 1. 3. Mơ hình NLOS
1.2.2 Chế độ truyền dẫn.
Đặc điểm lớp vật lý WiMAX hỗ trợ cả hai kiểu truyền dẫn TDD, FDD và cho
phép phương thức bán song công HD-FDD (half duplex - FDD).
Chế độ truyền dẫn TDD, đường lên và đường xuống sử dụng cùng tần số và
chia sẻ thời gian bằng việc gán các khe thời gian cho phương thức phát và nhận,
TDD chỉ hỗ trợ phương thức truyền dẫn bán song công.
FDD yêu cầu hai phổ tần riêng rẽ cho truyền dẫn đường lên và đường xuống.
FDD có thể hỗ trợ phương thức truyền dẫn song cơng và bán song công.

8

Trong băng tần cấp phép hỗ trợ cả hai chế độ truyền dẫn TDD và FDD, HDFDD. Trong băng tần không cấp phép chỉ hỗ trợ chế độ truyền dẫn TDD.
1.2.3 Sơ đồ khối quá trình truyền - nhận tin

Hình 1. 4. Q trình truyền-nhận tin
Thơng tin của lớp vật lý sẽ được nhồi vào các symbol. Quá trình truyền dữ liệu
bao gồm các q trình mã hóa kênh, điều chế OFDM thành các symbol và điều chế
cao tần. Cụ thể:
• Mã hóa kênh
Mã hố kênh gồm q trình ngẫu nhiên hóa, q trình mã hóa sửa lỗi FEC và
q trình xen kẽ.
Q trình ngẫu nhiên hóa
Ngẫu nhiên hóa dữ liệu được thực hiện trên mỗi burst dữ liệu cả đường lên và
đường xuống. Ngẫu nhiên hóa được thực hiện trên mỗi phần (đường lên hoặc đường
xuống) có nghĩa rằng với mỗi phần của một khối dữ liệu (các kênh con trên miền
tần số và các symbol OFDM trên miền thời gian) bộ tạo ngẫu nhiên sẽ được dùng
một cách độc lập. Nếu lượng dữ liệu để phát không vừa vặn một cách chính xác với
lượng dữ liệu được đã được cung cấp, vật đệm 0xFF sẽ được thêm vào cuối khối
truyền. Với dữ liệu đã mã hóa RS-CC và CC, đệm sẽ được thêm vào cuối khối
truyền, cho đến lượng dữ liệu đã được cung cấp trừ 1 byte, cái này sẽ được phục vụ
cho việc giới thiệu một byte đuôi 0x00 bởi FEC. Với BTC và CTC, nếu được bổ
sung, đệm sẽ được thêm vào cuối khối truyền cho đến lượng dữ liệu đã được cung


9

cấp. Thanh ghi dịch chuyển của bộ tạo ngẫu nhiên sẽ được khởi tạo cho mỗi phần
mới.
Hàm tạo chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên là 1+x14+x15. Mỗi byte dữ liệu được

phát sẽ đi vào bộ tạo ngẫu nhiên một cách tuần tự, đầu tiên là MSB. Đầu đề không
được ngẫu nhiên hóa. Giá trị gốc sẽ được dùng để tính tốn các bit ngẫu nhiên hóa,
nó kết hợp theo phép toán XOR với luồng bit đã phát của mỗi burst. Chuỗi ngẫu
nhiên chỉ được áp dụng cho các bit thông tin.
Các bit được tạo ra từ bộ ngẫu nhiên sẽ được đưa vào bộ mã hóa.
Ở đường xuống, bộ tạo ngẫu nhiên sẽ được khởi tạo lại ở điểm khởi đầu mỗi
khung với chuỗi 100101010000000. Bộ tạo ngẫu nhiên sẽ không được xác lập lại ở
điểm khởi đầu burst #1. Ở điểm khởi đầu của các burst tiếp theo (từ burst #2 đến
burst #n), bộ tạo ngẫu nhiên sẽ được khởi tạo với vecter như hình vẽ. Số khung sử
dụng để khởi tạo tương ứng với khung trong burst đường xuống đã được phát.
BSID

DIUC

b3

b2

b1

b0

b14

b13

b12

b11

b3

1

1

b8

b2

b7

Số khung
b1

b6

b0

b5

b3

1

b3

MSB

b2

b2

b1

b0

b1

b0

LSB

Hình 1. 5. Vector khởi tạo đường xuống bộ tạo ngẫu nhiên OFDM
DIUC là mã sử dụng trong khoảng thời gian đường xuống.
BSID là nhận dạng trạm gốc.
Ở đường lên, bộ tạo ngẫu nhiên được khởi tạo với một vector cho trước. Số
khung sử dụng để khởi tạo là của khung trong ánh xạ đường lên cho biết burst
đường lên đã được phát.
Ưu điểm của quá trình ngẫu nhiên hố:
- Đảm bảo được sự đồng bộ với bên thu, đồng hồ bên thu sẽ dễ dàng được
khơi phục, qua đó vấn đề giải điều chế cũng dễ hơn.
- Đảm bảo an ninh cho tín hiệu, đối với các thiết bị mà khơng có được bộ giải
điều chế ngẫu nhiên thì các tín hiệu này giống như các tín hiệu nhiễu, tạp (xác suất
bit 1 và 0 là ngang nhau), nó sẽ khơng thu nhận được.


10

Q trình mã hóa sửa lỗi

Q trình mã hóa thực hiện sửa lỗi trong trường hợp các bit bị hỏng, bị sai trên
đường truyền. Trong những điều kiện môi trường truyền tin khơng tốt, dữ liệu bị
hỏng, bên thu có thể dựa vào quá trình giải mã để hồi phục lại nguyên vẹn thông tin.
WiMAX kết hợp cả hai loại mã sửa lỗi: mã khối và mã chập. Dữ liệu được mã hóa
bằng mã khối (mã Reed-Solomon), sau đó sẽ được mã hóa bằng mã chập.
Bảng 1. 2: Bảng mơ tả sửa lỗi với các lựa chọn khác nhau

Mã hóa RS(n,k,t): với k bit đầu vào, n bit đầu ra và có thể sửa được t lỗi.
Mã hóa CC n/k: có k bit đầu vào thì có n bit đầu ra.
Ví dụ, khi dùng điều chế QPSK với 24 byte đầu vào chưa được mã hóa. Khi
qua bộ mã hóa Reed-Solomoon RS (32,24,4) ta sẽ có 32 byte đầu ra. Tiếp tục cho
qua bộ mã hóa CC2/3 ta sẽ có 48 byte đầu ra. Như vậy, với 24 byte đầu vào sẽ có
48 byte đầu ra. Kết quả ta có hệ số mã hóa chung là ½.
Q trình xen kẽ
Q trình này nhằm hỗ trợ việc khơi phục thơng tin phía thu, tránh lỗi bit xảy
ra một cụm liên tục nhau. Các cụm bit sẽ được truyền xen kẽ với nhau.
Bảng 1. 3: Bảng mô tả xen kẽ trong WiMAX

BPSK
QPSK
16QAM
64QAM

16 kênh con
(mặc định)
192
384
768
1152

8 kênh con

4 kênh con

2 kênh con

1 kênh con

96
192
384
576

48
96
192
288

24
48
96
144

12
24
48
72


11

• Điều chế OFDM
Q trình này có một số điểm cần chú ý
Thêm các thông tin dẫn đường
Thông tin dẫn đường được chèn thêm vào để bên nhận có thể dự đoán được
kênh truyền và được vận chuyển bởi các sóng mang dẫn đường. Q trình này được
thực hiện trước khi ánh xạ vào các ký hiệu BPSK.
Điều chế số
Các bit sẽ được ánh xạ vào các kí hiệu BPSK, QPSK, 16QAM hoặc 64QAM
tùy trường hợp. Do yêu cầu phải đảm bảo độ tin cậy, khỏe nhất đối với các thông tin
dẫn đường mà các thông tin này bắt buộc điều chế vào các kí hiệu BPSK.
IFFT
Q trình điều chế đa sóng mang trực giao bằng cách biến đổi Furie rời rạc
ngược. Các kí hiệu BPSK, QPSK, QAM được điều chế vào các sóng mang khác
nhau.
WMAN-OFDM định nghĩa kích thước của FFT là 256. Với 192 sóng mang dữ
liệu, 8 sóng mang dẫn đường và 55 sóng mang bảo vệ (sóng mang trung tâm khơng
được dùng).
Bảng 1. 4: Bảng mơ tả các thông số trong khâu biến đổi OFDM
Thông số
Số sóng mang NFFT
Số sóng mang sử dụng
Số sóng mang dẫn đường
Số sóng mang dữ liệu
Số sóng mang bảo vệ
Tg/Ts
• Điều chế cao tần

Giá trị
256

200
8
192
55 (28 Thấp, 27 cao)
1/4, 1/8, 1/16, 1/32

Các sóng mang trong q trình điều chế OFDM tạo thành một OFDM Symbol
cơ bản. Tín hiệu trước khi được truyền đi cho qua bộ điều chế cao tần để đưa lên
ănten.
Quá trình nhận được thực hiện theo thứ tự ngược lại, qua các khâu giải điều
chế, giải mã.