i
LỜI CAM ðOAN
Tên tôi là: Lê Minh Cường
Học viên lớp Cao học khoá 13 - Kỹ thuật ñiện tử - Trường ðại học Kỹ thuật
Công nghiệp – ðại học Thái Nguyên
Xin cam ñoan ñề tài: “Mạng Wimax và kỹ thuật ñiều chế OFDM trong
mạng Wimax” ñược sự hướng dẫn của PGS.TS. Lê Bá Dũng – Viện Công Nghệ
Thông Tin là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả số liệu, kết quả nêu trong
luận văn là trung thực, ñúng như trong ñề cương và chưa từng ñược ai công bố. Các
tài liệu tham khảo ñều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng.
Thái Nguyên, ngày tháng năm 2012
Học viên
Lê Minh Cường.
ii
LỜI CẢM ƠN
Mục lục iii
Danh từ viết tắt v
Danh sách bảng biểu
vii
Danh sách hình vẽ
viii
Lời nói ñầu
xi
Chương I. GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX
1.1. Tổng quan về mạng không dây băng rộng
1
1.1.1. Các khái niệm về mạng không dây băng rộng
1
1.1.2. Vài nét về những mạng không dây ñang tồn tại
2
1.2. Khái niệm về công nghệ WiMAX
4
1.2.1. WiMAX là gì
4
1.2.2. Giới thiệu các chuẩn IEEE 802.16
iv
2.1.2.Lớp ñiều khiển truy cập môi trường
27
2.2. Chuẩn IEEE 802.16e (IEEE 802.16 - 2005) 36
2.2.1. Lớp vật lý
36
2.2.2. Mô tả lớp MAC
39
Chương III.
KỸ THUẬT ðIỀU CHẾ OFDM TRONG MẠNG WIMAX
3.1. Giới thiệu về OFDM 41
3.1.1. Lịch sử phát triển
41
3.1.2. Tổng quan về OFDM
42
3.2. Từ ñiều chế ñơn sóng mang ñến ñiều chế trực giao OFDM
44
3.2.1. Phương pháp ñiều chế ñơn sóng mang
44
3.2.2. Phương pháp ñiều chế ña sóng mang OFDM
45
v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CHỮ VIẾT TẮT
AM Amplitude modulation ðiều chế biên ñộ
ATM Asynchronous transfer mode Chế ñộ truyền dị bộ
BPSK Binary Phase Shift keying Khóa dịch pha nhị phân
BS Base station Trạm gốc
CDMA Code division multiplex access ða truy nhập phân chia theo mã
CID Connection Identifier Bộ nhận dạng kết nối
UL Uplink Hướng lên
WIMAX Worldwide Interoperability for
Micoware Access
Khả năng tương tác toàn cầu ñối
với truy cập viba
WLAN Wireless local Area Network Mạng cục bộ không dây
WMAN Wireless Metropolitian Area
Network
Mạng ñô thị không dây
WPAN Wireless Personal Area Network Mạng cá nhân không dây
CPE Customer Premise Equipment Thiết bị tại nhà khách hàng
CSMA Carrier sense multiple access ða truy nhập dò sóng mang
DL Downlink ðường xuống
FDD Frequency Division Duplex Song công theo tần số
FDMA Frequency division multiple
access
ða truy nhập phân chia theo tần
số
FEC Forward Error Correction Mã hóa sửa lỗi trước
FFT Fast Fourier transform Biến ñổi Fourier nhanh
MAC Medium Access Control layer Lớp ñiều khiển truy cập môi
trường
NLOS Non Light of Sight Truyền sóng không trực xạ
SF Service flow Luồng dịch vụ
SNR Signal – to – noise ratio Tỷ lệ tín hiệu tạp âm
TDD Time Division Duplexing Song công theo thời gian
TDMA Time division multiple access ða truy nhập phân chia thời gian
IFFT Inverse Fast Fourier tranform Biến ñổi Fourier ngược nhanh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
vii DANH MỤC BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 1.1 Tóm tắt các chuẩn 802.16 cơ bản 6
Bảng 2.2 Các loại khóa bảo mật sử dụng trong IEEE 802.16 - 2004 35
Bảng 3.1 Ví dụ biểu ñồ tần số, thời gian với OFDMA 62
Hình 2.3 Cấu trúc khung TDD 19
Hình 2.4 Cấu trúc khung con ñường lên TDD 21
Hình 2.5 Khung con DL FDD 22
Hình 2.6
Các sử dụng các khối FEC ñược thu ngắn lại - trường hợp
TDM
24
Hình 2.7 Khuôn dạng của lớp con hội tụ truyền
PDU
24
Hình 2.8
Các sử dụng các khối FEC ñược thu ngắn lại - trường hợp
TDMA.
25
Hình 2.9 Cấu trúc khung con ñường
xuống
26
Hình 2.10 Cấu trúc WIMAX OFDMA 37
Hình 3.1 So sánh sự sử dụng băng thông giữa FDM và OFD 43
Hình 3.2 Biểu diễn phổ tín hiệu trong miền thời gian 44
Hình 3.3 (a) phổ tín hiệu của một sóng mang con 46
(b) phổ tín hiệu OFDM với 5 sóng mang con 46
Hình 3.4 Nguyên lý trực giao 47
Hình 3.5 Mật ñộ phổ của tín hiệu ña sóng mang 47
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
ix
Hình 3.6 Hệ thống ña sóng mang 48
Hình 3.7 Nguyên lý tạo một ký hiệu OFDM 51
Hình 3.8 Dạng sóng của một ký hiêu OFDM 52
Hình 4.22 Chòm ñiểm a_hat 72 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
xi
LỜI NÓI ðẦU
Ngày nay, với xu thế phát triển của hệ thống mạng máy tính, sự xuất hiện
Internet băng rộng ñã giúp cho việc trao ñổi thông tin trở nên nhanh chóng, dễ dàng.
Với ñịa hình ñất nước ta ¾ là ñồi núi, việc chuyển thông tin ñi và ñên trong môi
trường như vậy gặp rất nhiều khó khăn, Wimax ra ñời là mục tiêu và cũng xu thế
phát triển của ñất nước ta từ 2,5G ñến 3G rồi ñến 4G. Các giao dịch với các vùng
+ Mạng không dây
Mạng không dây (Wireless Network) là công nghệ cho phép một hoặc
nhiều thiết bị giao tiếp ñược với nhau mà không cần những kết nối vật lý hay nói
cách khác là kết nối mà không cần ñến cable mạng. Công nghệ mạng không dây
sử dụng sóng radio trong khi các công nghệ truyền thống sử dụng các loại cable
làm phương tiện truyền dữ liệu. Phạm vi của công nghệ mạng không dây rất lớn,
kể từ những mạng trên diện rộng như WLAN, mạng ñiện thoại cho tới những hệ
thống, thiết bị cực kỳ ñơn giản như tai nghe, micro di ñộng không dây và một
loạt các thiết bị không giây có nhiệm vụ lưu trữ và xử lý thông tin khác. Nó cũng
bao gồm các thiết bị hồng ngoại như các thiết bị ñiều khiển từ xa, một số thiết bị
chuột và bàn phím không dây, tai nghe stereo không dây, các thiết bị loại này ñều
cần một không gian không bị chặn giữa hai thiết bị truyền và nhận tín hiệu ñể
ñóng ñường kết nối.
+ Băng thông
Hai phương pháp xem xét băng thông có tầm quan trọng trong nghiên cứu
không dây là băng thông analog và băng thông digital.
Băng thông analog thường ñược xem xét như dải tần số của hệ thống ñiện tử
dùng kỹ thuật analog. Băng thông analog có thể ñược sử dụng ñể mô tả dải tần số
truyền bởi một ñài phát radio hay một bộ khuếch ñại ñiện tử. ðơn vị ño lường cho
băng thông analog là Hertz, giống như ñơn vị của tần số. Ví dụ băng thông
3KHz cho ñiện thoại, 20KHz cho tín hiệu nghe thấy, 5KHz cho các ñài radio AM và
200 MHz cho các ñài FM.
Hệ thống băng thông (system bandwidth) càng rộng thì tốc ñộ (băng thông
digital) càng cao. Băng thông digital ño lường lượng thông tin có thể truyền ñi từ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
2
nơi này ñến nơi khác trong một lượng thời gian cho trước. ðơn vị cơ bản ñể ño
lường băng thông digital là bit/giây (bit per second-bps).
- Mạng cục bộ không dây (Wireless Local Area Network - WLAN)
- Mạng ñô thị không dây (Wireless Metropolitian Area Network - WMAN)
- Mạng diện rộng không dây (Wireless Wide Area Network - WWAN)
WAN
Ví dụ: Các mạng di ñộng (Thế hệ thứ 2 và thứ 3) WIMAX (phiên bản
802.16e). WMAN
Ví dụ: WIMAX (phiên bản IEEE 802.16 - 2004) WLAN
Ví dụ: WIFI (phiên bản IEEE 802.11 và các biến thể) WPAN
Ví dụ: Bluetooth ( IEEE 802.15.1) UWB
Hình 1.1: Minh họa các mạng không dây
WPAN (Wireless Personal Area Network)
Mạng các nhân là một mạng dữ liệu ñược sử dụng ñể truyền thông giữa các
thiết bị dữ liệu ở gần một người. Phạm vi của mạng các nhân khoảng vài mét,
thông thường nhỏ hơn 10m, mặc dù vài công nghệ WPAN có thể lớn hơn. Ví dụ
công nghệ WPAN là Bluetooth, UWB và Zigbee.
WLAN (Wireless Local Area Network)
Mạng cục bộ là mạng ñược sử dụng ñể truyền thông giữa các thiết bị dữ liệu
như: máy tính, ñiện thoại, máy in và các thiết bị số phụ trợ cá nhân. Mức ñộ bao
phủ của mạng này tương ñối nhỏ, như một ngôi nhà, một văn phòng hay một khu
dây băng thông rộng lên tới 30 dặm (50km) ñối với các trạm cố ñịnh, và 3-10
dặm (5-15 km) ñối với các trạm di ñộng. Ngược lại, chuẩn mạng cục bộ không
dây WiFi/802.11 bị giới hạn trong hầu hết các trường hợp chỉ 100 - 300 feet (30-
100m).
Với WiMAX, các tỷ lệ dữ liệu giống WiFi ñược hỗ trợ một cách dễ dàng,
nhưng kết quả nhiễu ñược giảm bớt. WiMAX hoạt ñộng ở cả các dải tần cho
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
5
phép và các dải tần không cho phép, cung cấp một môi trường ñiều hoà và mô
hình kinh tế có thể làm ñược ñối vơi sóng mang không dây.
WIMAX có thể ñược sử dụng ñối với mạng không dây trong nhiều phương
pháp như giao thức WiFi. WiMAX là một giao thức thế hệ thứ hai cho phép sử
dụng ñộ rộng dải tần với hiệu suất cao, tránh nhiễu, và dự kiến cho phép tỷ lệ dữ
liệu cao hơn trên các khoảng cách dài hơn.
1.2.2. Giới thiệu các chuẩn IEEE 802.16
Chuẩn 802.16 ñược ñưa ra năm 2001 với băng tần 10-66 GHz và chỉ ứng
dụng trong phạm vi nhìn thẳng (LOS) ñiểm - ñiểm. Năm 2002 có thêm chuẩn.
802.16, 802.16c. Năm 2003, ñược bổ sung chuẩn 802.16a chủ yếu cho truy
cập không dây băng rộng trong dải tần 2-11GHz ứng dụng ñược cả trong tầm
nhìn hạn chế (NLOS) ñiểm - ña ñiểm. 802.16d ñược ñưa ra năm 2004 cho các
ứng dụng di ñộng và cố ñịnh trong dải tần 2-66GHz và cuối cùng chuẩn 802.16e
cung cấp cho khả năng di ñộng tốc ñộ cao với băng tần từ 2-66GHz có khả
năng chuyển vùng (roaming). Sơ ñồ hoá các chuẩn giao diện không gian 802.16
như
sau:802.16 - 2001
Hệ thống băng rộng không dây cố
Kết hợp băng rộng không dây cố
ñịnh và di ñộng ở tốc ñộ xe chạy
trong dải tần ñược cấp
Hình 1.2: Các chuẩn 802.16 tiêu biểu
Bảng 1.1: Tóm tắt các chuẩn 802.16 cơ bản
Chuẩn 802.16-2001 802.16-2004 802.16e-2005
Dải tần số 10-66GHz <11GHz <6GHz
Môi trường
truyền
LOS NLOS NLOS
Tốc ñộ
32-134Mbps
BW=28MHz
Lên tới 75Mbps
WB= 20MHz
Lên tới 15 Mbps
BW=5MHz
ðiều chế QBSK,16
QAM
và 64 QAM
OFDM
256
,
OFDMA,
BPSK
OFDM 256,
OFDMA, BPSK,
QPSK, 16 QAM và
tán xạ và nhiễu xạ. Những tín hiệu này có những khoảng trễ, sự suy giảm, sự phân
cực và trạng thái ổn ñịnh liên quan tới ñường truyền trực tiếp là khác nhau.
Hình1.3: Sự khác nhau giữa LOS và NLOS
Hiện tượng ña ñường cũng có thể là nguyên nhân dẫn ñến sự thay ñổi phân
cực tín hiệu. Do ñó sử dụng phân cực cũng như sử dụng lại tần số mà ñược thực
hiện bình thường trong triển khai LOS lại khó khăn trong các ứng dụng NLOS.
ðiều kiện phủ sóng của cả LOS và NLOS bị chi phối bởi các ñặc tính truyền sóng
của môi trường, ttổn hao ñường truyền và quỹ ñường truyền vô tuyến.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
8
Một số ưu ñiểm mà NLOS mong muốn triển khai ñược. Ví dụ ác yêu cầu
hoạch ñịnh chính xác và các hạn chế ñộ cao anten thường không cho phép anten
ñược ñặt ở các vị trí thuận lợi cho LOS. Do mạng tế bào không ngừng mở rộng
trong khi sử dụng lại tần số ngày càng có hạn, hạ thấp các anten chính là ưu ñiểm ñể
giảm nhiễu ñồng kênh giữa các cell lân cận. Tuy nhiên ñiều này lại làm cho các BS
phải hoạt ñộng trong ñiều kiện NLOS. Các hệ thống LOS không thể hạ thấp ñộ cao
của anten bởi làm thế sẽ ảnh hưởng tới tầm nhìn thẳng từ thiết bị tại nhà khách hàng
(CPE) tới BS.
Công nghệ LOS cũng giảm ñược chi phí cài ñặt do CPE có thể cài ñặt ở
những ñiều kiện ñịa hình phức tạp. Không những thế, công nghệ này cũng giảm
thiểu ñược yêu cầu khảo sát vị trí trạm (trước khi lắp ñặt) và nâng cao ñộ chính xác
của các công cụ hoạch ñịnh NLOS.
Chính công nghệ NLOS và các ñặc tính cao cấp trong WIMAX làm nó có
thể tổn hao thâm nhập tòa nhà, thứ hai là phủ sóng ñược tới các khoảng cách hợp lý
với công suất thấp hơn và ñộ lợi anten phù hợp với các CPE trong nhà. WIMAX
cho phép thực hiện ñiều này và phạm vi phủ sóng của NLOS còn có thể ñược cải
tiến hơn nữa nhờ sử dụng các tính năng tùy chọn của WIMAX.
1.2.4. Các mô hình ứng dụng
10
tới một bộ ñịnh tuyến (rounter) cung cấp kết nối tới giao thức Internet (Internet
Protocol – IP) của nhà cung cấp dịch vụ mạng.
CPE bao gồm 3 thành phần chính: 1 modem, 1 radio, 1 anten. Modem cung
cấp một giao diện giữa mạng của khách hàng với mạng FBWA của nhà cung cấp
dịch vụ. Radio cung cấp một giao diện giữa modem với ante. Ba thành phần có thể
là riêng biệt, hoặc tích hợp một phần hoàn toàn lên một hay hai thành phân nhỏ của
thiết bị.
Chất lượng phục vụ của mạng FBWA phụ thuộc nhiều vào vị trí của CPE
ñến BS của hệ thóng. Nếu từ CPE ñến BS có vật cản thì hiệu quả truyền sóng sẽ
kém ñi rất nhiều. Vì vậy cho nên mạng FBWA PMP thường ñược chia thành 2 loại:
hệ thống LOS và NLOS.
Mô hình ứng dụng WiMAX di ñộng
Hình1.5 :Mô hình ứng dụng WiMAX di ñộng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
11
Mô hình WiMAX di ñộng sử dụng các thiết bị phù hợp với tiêu chuẩn IEEE
802.16e ñược thông qua trong năm 2005.Tiêu chuẩn 802.16e bổ sung cho tiêu
chuẩn 802.16-2004 hướng tới các người dùng cá nhân di ñộng, làm việc trong băng
tần thấp hơn 6GHz. Mạng lưới này phối hợp cùng WLAN, mạng di ñộng cellular
3G có thể tạo thành mạng di ñộng có vùng phủ sóng rộng.
WIMAX di ñộng là giải pháp không dây băng rộng cho phép phủ sóng mạng
băng rộng di ñộng và cố ñịnh nhờ công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng trên diện
rộng với kiến trúc mạng linh loạt. Giao diện WIMAX di ñộng sử dụng công nghệ
OFDM ñể cải thiện hiệu suất ña ñường (multi - path) trong các môi trường NLOS.
Phiên bản WIMAX di ñộng phiên bản 1 bao gòm các băng thông kênh
5,7,8.75,10 MHz dành cho các dải tần ñược phép trên thế giới như: 2.3 GHz,
1.2.5. Tần số làm việc và ñộ rộng kênh truyền
WIMAX làm việc ở 2 dải tần 10 – 66 GHz và 2 -11 GHz, gồm cả dải tần số
ñăng ký và không ñăng ký, có thể truyền NLOS và LOS.
Băng tần phải ñăng ký 10 -66 GHz
Băng tần này cung cấp một phương tiện truyền dẫn mà ở ñó tần số cao, bước
sóng ngắn, yêu cầu giữa trạm thu và phát phải nằm ở trong tầm nhìn thẳng LOS do
hiệu ứng ña ñường ảnh hưởng ñáng kể tới việc truyền dẫn. Ở trong băng tần này, ñộ
rộng kênh truyền thông thường là 25 MHz hoặc 28MHz.
Với tốc ñộ truyền dẫn lý thuyết là 120 Mbps, môi trường này khá thích hợp
cho truyền thông PMP từ các ứng dụng văn phòng nhỏ (Small Office Home Office -
SOHO) tới các ứng dụng văn phòng lớn (trung tâm).
Băng tần 2 -11 GHz
Băng tần này gồm cả các dải băng tần phải ñăng ký và không ñăng ký (chủ
yếu là 5 -6 Ghz). Nó là phương tiện truyền dẫn mà ở ñó tần số thấp hơn, có bước
sóng dài hơn. Ở trong băng tần này LOS là thực sự không cần thiết, các hiệu ứng
truyền sóng không trong tầm nhìn thẳng NLOS có thể khắc phục ñược.
Người ta sử dụng băng tần này với mục ñích cung cấp các ứng dụng NLOS
có nghĩa là một loạt các kỹ thuật (lớp MAC và PHY mô tả) sẽ bổ sung ñể ñạt ñược
kết quả này.
- Băng tần sử dụng trong WIMAX cố ñịnh : 3.5 GHz, 3.3 GHz, 5.8 GHz.
- Băng tần sử dụng trong WIMAX di ñộng : 2.5 GHz, 2.3 GHz.
1.3 ðặc ñiểm của Wimax
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
13
ðặc ñiểm chung của Wimax bao gồm: Khoảng cách giữa trạm thu và trạm
phát có thể ñạt 50 Km, Tốc ñộ truyền có thể thay ñổi, tối ña 70Mbps, Hoạt ñộng cả
trong hai môi truyền dẫn: LOS và NLOS, Dải tần làm việc 2 – 11 GHz và 10 –
66GHz hiện ñã và ñang ñược tiêu chuẩn hóa.
Với cấu hình này SS có thể liên lạc trực tiếp với nhau. Trạm gốc Mesh BS
kết nối với một mạng ở bên ngoài mạng MESH. Một số ñiểm phân biệt như sau:
- Neighbor: Kết nối trực tiếp ñến một node mạng
- Neighborhood : Tất cả các neighbor của một node tạo ra neighorhood.
- Extended neighborhood: Tất cả các neighbor của một neighborhood.
MESH khác PMP là trong kiểu PMP các SS chỉ liên hệ với BS và tất cả lưu
lượng ñi qua BS.Với kiểu MESH tất cả các node có thể liên lạc với mỗi node khác
một cách trưc tiếp hoặc bằng ñịnh tuyến nhiều bước thông qua các SS khác.
Một hệ thống với truy nhập ñến một kết nối backhaul ñược gọi là Mesh BS,
trong khi các hệ thống còn lại ñược gọi là Mesh SS. Dù cho MESH có một hệ thống
ñược gọi là Mesh BS, hệ thống này cũng phải phối hợp quảng bá với các nút khác.
Backhaul là các anten ñiểm-ñiểm ñược dùng ñể kết nối các BS ñược ñịnh vị qua
khoảng cách xa.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Copyright: Tài liệu đại học ©