LỜI GIỚI THIỆU
Sự ra đời của chuẩn 802.16 cho mạng WiMAX (Worldwide Interoperability for
Microwave Access - Khả năng tương tác toàn cầu với truy nhập vi ba) nó đánh dấu
sự bắt đầu cho một kỷ nguyên truy nhập không dây băng rộng cố định đang đến giai
đoạn phát triển. Nó mang đến những thách thức lớn cho mạng hữu tuyến hiện tại vì
nó có một chi phí thấp khi lắp đặt và bảo trì. Chuẩn này cũng áp dụng cho mạng
truyền thông vô tuyến đường dài (lên tới 50km) trong thực tế và có thể sẽ là một sự
bổ sung hoặc thay thế cho mạng 3G. Tất cả những đặc tính đầy hứa hẹn này của
WiMAX sẽ mang lại một thị trường lớn trong tương lai.
Xuất phát từ những vấn đề nêu trên, em đã lựa chọn đề tài “ĐIỀU CHẾ TÍN
HIỆU TRONG WIMAX VÀ NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG TRIỂN KHAI ỨNG DỤNG
HỆ THỐNG WIMAX TRÊN MẠNG VIỄN THÔNG VIỆT NAM ”.

Mục tiêu đầu tiên của đồ án này là nghiên cứu những đặc tính mới của
WiMAX và tập trung chủ yếu vào việc phân tích lớp vật lý và lớp truy nhập.
Mục tiêu thứ hai là tìm hiểu về kỹ thuật điều chế OFDM (Orthogonal
Frequency Division Multiple – Ghép kênh phân tần trực giao) và kỹ thuật OFDMA
(Orthogonal Frequency Division Multiple Access - Đa truy nhập phân tần trực giao)
được sử dụng trong WiMAX, đồng thời tìm hiểu quá trình xử lý tín hiệu trong
WIMAX dựa trên kỹ thuật OFDM.
Mục tiêu thứ ba là nghiên cứu khả năng triển khai và ứng dụng hệ thống
wimax trên mạng Việt Nam
Nội dung đồ án gồm 3 chương chính như sau :
Chương 1: Tổng quan về công nghệ WiMAX
Trong chương 1 này sẽ trình bày về những khái niệm cơ bản, về cấu trúc, các
băng tần sử dụng, các ứng dụng thực tế và những ưu nhược điểm của công nghệ
WiMAX.
Chương 2: Kỹ thuật điều chế tín hiệu trong wimax
Trong chương 2 sẽ trình bày những khái niệm cơ bản, ưu nhược điểm, nguyên
lý điều chế và giải điều chế của kỹ thuật điều chế OFDM, các đặc điểm và tính chất


BER

Bit error Rate

BCH

Bose-Chaudhuri-Hocquenghem

BPSK

Binary phase shift keying

BWA

Broadband Wireless Access

BS

Base Station

CIR

Channel Impulse Response

CTR

Channel Transfer Function

CP


GI

Guard Interval

ISI

Inter symbol Interfearence

ICI

Inter Channel Interfearence

IFFT

Inverse fast fourrier transform

LOS

Line of sight

LDPC

Low-Density-Parity-Check

MIMO

Multiple Input Multiple Output

NLOS


Symbol Error Rate

SC

Single Carrier

Tc

Channel coherence time

TDD

Time Division Duplex

WiMAX

Worldwide Interoperability for Microwave Access

WLAN

Wireless Local Area Network

WMAN

Wireless Metropolitan Area Network

BTS

(Base Transceiver Station)


1.2.1. Chuẩn IEEE 802.16 – 2001
Chuẩn IEEE 802.16 - 2001 được hoàn thành vào tháng 10/2001 và được công bố
vào tháng 4/2002, định nghĩa đặc tả kỹ thuật dao diện không gian WirelessMAN™
cho các mạng vùng đô thị.
6


Đặc điểm chính của IEEE 802.16 - 2001:
- Giao diện không gian cho hệ thống truy nhập không dây băng rộng cố định hoạt
động ở dải tần 10 - 66 GHz, cần thỏa mãn tầm nhìn thẳng.
- Lớp vật lý PHY: WirelessMAN-SC.
- Tốc độ bit: 32 - 134 Mbps với kênh 28 MHz.
- Điều chế QPSK, 16 QAM và 64 QAM.
- Các dải thông kênh 20 MHz, 25 MHz, 28 MHz.
- Bán kính cell: 2 - 5 km.
- Kết nối có định hướng, MAC TDM/TDMA, QoS, bảo mật.
1.2.2. Chuẩn IEEE 802.16a
Vì những khó khăn trong triển khai chuẩn IEEE 802.16, hướng vào việc sử dụng
tần số từ 10 - 66 GHz, một dự án sửa đổi có tên IEEE 802.16a đã được hoàn thành
vào tháng 11/2002 và được công bố vào tháng 4/2003. Chuẩn này được mở rộng hỗ
trợ giao diện không gian cho những tần số trong băng tần 2-11 GHz, bao gồm cả
những phổ cấp phép và không cấp phép và không cần thoả mãn điều kiện tầm nhìn
thẳng. Đặc điểm chính của IEEE 802.16a như sau:
- Bổ sung 802.16, các hiệu chỉnh MAC và các đặc điểm PHY thêm vào cho dải
2 - 11 GHz ( NLOS).
- Tốc độ bit : tới 75Mbps với kênh 20 MHz.
- Điều chế OFDMA với 2048 sóng mang, OFDM 256 sóng mang, QPSK, 16
QAM, 64 QAM
- Dải thông kênh có thể thay đổi giữa 1,25MHz và 20MHz.
- Bán kính cell: 6 - 9 km.

Các băng tần được diễn đàn WiMax tập trung xem xét và vận động cơ quan quản lý
tần số các nước phân bổ cho WiMax là:
● Băng tần 2,3-2,4GHz (2 ,3GHz Band) : được đề xuất sử dụng cho Mobile
WiMAX. Tại Hàn Quốc băng này đã được triển khai cho WBA (WiBro).
● Băng tần 2,4-2,4835GHz: được đề xuất sử dụng cho WiMAX trong tương lai.
● Băng tần 2,5-2,69GHz (2,5GHz Band): được đề xuất sử dụng cho WiMAX di
động trong giai đoạn đầu.
● Băng tần 3,3-3,4GHz (3,3GHz Band): được đề xuất sử dụng cho WiMAX cố
định.
● Băng tần 3,4-3,6GHz (3,5GHz Band): được đề xuất sử dụng cho WiMAX cố định
trong giai đoạn đầu : FWA (Fixed Wireless Access)/WBA (WideBand Access).

8


● Băng tần 3,6-3,8GHz: được đề xuất sử dụng cho WiMAX cố định (WBA) và cấp
cho Châu Âu. Tuy nhiên, băng 3,7-3,8 GHz đã được dùng cho vệ tinh viễn thông
Châu Á, nên băng tần này không được sử dụng cho Wimax Châu Á.
● Băng tần 5,725-5,850GHz: được đề xuất sử dụng cho WiMAX cố định trong
giai đoạn đầu.
● Ngoài ra, một số băng tần khác phân bổ cho BWA cũng được một số nước xem
xét cho BWA/WiMax là: băng tần 700-800MHz (< 1GHz), băng 4,9-5,1GHz.
1.3.2. Dải băng tần ở Việt nam có khả năng dành cho WiMAX.
● Băng tần 2,3-2,4GHz :
Có thể dành đoạn băng tần này cho WiMAX. Băng tần 2,3-2,4GHz thích hợp cho
cả WiMAX cố định và di động.
● Băng tần 2,5-2,69GHz :
Băng tần này hiện nay đang được sử dụng nhiều cho vi ba và MMDS (tập trung
chủ yếu ở Hà nội và thành phố Hồ Chí Minh). Ngoài ra, băng tần này là một trong
các băng tần được đề xuất sử dụng cho 3G.

rộng, kể cả WiMAX.
– Băng tần 5,725-5,850GHz cho các hệ thống truy cập không dây băng rộng, kể cả
WiMAX nhưng các hệ thống này phải dùng chung băng tần với các hệ thống WiFi
với điều kiện bảo vệ các hệ thống WiFi hoạt động trong băng tần này.
– Băng tần 2,5-2,690GHz cho các hệ thống truy cập không dây băng rộng, kể cả
IMT-2000 và WiMAX.
Hiện tại, chính phủ đã cấp phép thử nghiệm dịch vụ WiMAX di động tại băng tần
2,3-2,4 GHz; và băng tần 2,5-2,69 GHz. (theo công văn số 5535/VPCP-CN của Văn
phòng Chính phủ).
1.4. Mô hình phủ sóng mạng WIMAX
Mô hình phủ sóng mạng WiMAX tương tự như một mạng điện thoại di động :

10


Hình 1.1: Mô hình hệ thống WiMAX
Một hệ thống WiMAX được mô tả như hình gồm có 2 phần :
• Trạm phát: giống như các trạm BTS trong mạng thông tin di động với công
suất lớn, có thể phủ sóng khu vực rộng tới 8000km2.
• Trạm thu: có thể là các anten nhỏ như các loại card mạng tích hợp (hay gắn
thêm) trên các mainboard của máy tính như WLAN.
Các trạm phát được kết nối tới mạng Internet thông qua các đuờng truyền
Internet tốc độ cao hay kết nối tới các trạm khác như là trạm trung chuyển theo
đường truyền trực xạ (line of sight) nên WiMAX có thể phủ sóng đến những khu
vực xa.
Các anten thu phát có thể trao đổi thông tin qua qua các đường truyền LOS hay
NLOS.Trong trường hợp truyền thẳng LOS, các anten được đặt cố định tại các điểm
trên cao, tín hiệu trong trường hợp này ổn định và đạt tốc độ truyền tối đa. Băng tần
sử dụng có thể ở tần số cao, khoảng 66GHz, vì ở tần số này ít bị giao thoa với các
kênh tín hiệu khác và băng thông sử dụng lớn. Một đường truyền LOS yêu cầu phải

1.5. Sơ đồ khối hệ thống wimax

Hình 1.4: Sơ đồ khối hệ thống wimax

13


1.5.1. Sơ đồ khối bên phát

Hình 1.5: Sơ đồ khối bên phát
Ở bên phát gồm các khối tạo dữ liệu ngẫu nhiên, khối mã hóa kênh FEC và điều
chế, khối tạo IFFT tạo gói, khối mã hóa không gian-thời gian và khối phát OFDM .
Các khối mã hóa kênh được thiết kế để cải thiện hiệu năng thông tin bằng việc cho
phép tín hiệu phát chống lại tốt hơn các tác động làm suy hao kênh truyền như
nhiễu hoặc pha đinh. Ngoài ra mã hóa kênh còn có thể sửa lỗi ban đầu nhờ vào khối
FEC. Lợi ích của mã hoá kênh là giảm tỉ lệ lỗi bit, thực hiện giới hạn công suất và
giới hạn độ rộng băng tần kênh bằng cách thêm một mã thừa vào dữ liệu được phát.
Trong chuẩn IEEE 802.16d, mã hoá kênh bao gồm ngẫu nhiên hóa, sửa lỗi trước
FEC, và khối chèn. Khối FEC bao gồm mã hoá Reed-Solomon, mã xoắn và chia cột
được sử dụng để điều chỉnh tốc độ dữ liệu khác nhau. Đây là các khối bắt buộc
trong chuẩn 802.16d.
Điều chế trong chương trình này là điều chế số, là quá trình dùng dữ liệu số để
thay đổi tín hiệu sóng mang để phát qua kênh truyền. Với một hệ thống OFDM,
thay đổi của pha và biên độ có thể được thực hiện nhưng tần số thì không thay đổi
bởi vì các tín hiệu sóng mang phải có tính trực giao với nhau. Điều chế sử dụng
trong chuẩn 802.16d là BPSK, QPSK, 16-QAM và 64-QAM. Trong chương trình
mô phỏng này dùng tất cả các bộ điều chế trên với tốc độ mã hóa khác nhau.
Khối phát OFDM bao gồm ba phần: tạo khung OFDM, tạo tín hiệu OFDM
bằng cách thực hiện IFFT, và chèn chuỗi CP trước các ký tự OFDM.
Hệ thống WiMAX được mô phỏng là hệ thống MISO, nhiễu trên kênh truyền

hoá sửa lỗi Reed Solomon,mã xoắn tỉ lệ mã từ 1/2 đến 7/8, làm tăng độ tin cậy kết
nối với hoạt động phân loại sóng mang và tăng công suất qua khoảng cách xa hơn.
Ngoài ra WiMAX còn cho phép sử dụng công nghệ TDD và FDD cho việc
phân chia truyền dẫn hướng lên và hướng xuống.
1.6.1.3. Lớp MAC dựa trên nền OFDMA (Orthogonal Frequency Division
Multiple Access- truy nhập OFDM)
Độ rộng băng tần của WiMAX từ 5MHZ đến trên 20MHz được chia nhỏ thành
nhiều băng con 1.75Mhz, mỗi băng con này được chia nhỏ hơn nhờ kĩ thuật OFDM,
cho phép nhiều thuê bao truy cập đồng thời một hay nhiều kênh một cách linh hoạt,
đảm bảo hiệu quả sử dụng băng thông.OFDMA cho phép thay đổi tốc độ dữ liệu để
phù hợp với băng thông tương ứng nhờ thay đổi số mức FFT ở lớp vật lí; ví dụ một
hệ thống WiMAX dùng biến đổi FFT lần lượt là: 128 bit, 512 bit, 1048 bit tương

15


ứng với băng thông kênh truyền là: 1.25MHz, 5MHz, 10MHz; nhờ vậy sẽ dễ dàng
hơn cho user kết nối giữa các mạng có băng thông kênh truyền khác nhau.
1.6.1.4. Chuẩn cho truy cập vô tuyến cố định và di động tương lai
• WiMAX do diễn đàn WiMAX đề xuất và phát triển dựa trên nền 802.16, tập
chuẩn về hệ thống truy nhập vô tuyến băng rộng cho di động và cố định của
IEEE, nên các sản phẩm, thiết bị phần cứng sẽ do diễn đàn WiMAX chứng
nhận phù hợp, tương thích ngược với HiperLAN của ETSI cũng như Wi-Fi.
• Hỗ trợ các kĩ thuật anten: phân tập thu phát, mã hoá không gian, mã hoá thời
gian.
• Hỗ trợ kĩ thuật hạ tầng mạng trên nền IP : QoS (trong các dịch vụ đa phương
tiện, thoại), ARQ (giúp bảo đảm độ tin cậy kết nối), ….
1.6.1.5. Chi phí thấp
• Thiết lập, cài đặt dịch vụ WiMAX dễ dàng sẽ giảm chi phí cho nhà cung dịch
vụ cũng như khách hàng.

cụ thể là ở Lào Cai nhưng cũng chỉ giới hạn là các điểm truy cập Internet tại
Bưu điện tỉnh, huyện chứ chưa có những kết luận chính thức về tính hiệu quả
đáng kể của hệ thống.
1.7. Mô hình kiến trúc phân lớp wimax

Hình 1.7: Mô hình kiến trúc phân lớp wimax
Về cấu trúc phân lớp, hệ thống WiMAX được phân chia thành 4 lớp:
• Lớp con tiếp ứng (convergence) làm giữ vai trò giao diện giữa lớp đa truy
nhập và các lớp bên trên.
• Lớp đa truy nhập ( MAC layer).
• Lớp truyền dẫn (transmission).
• Lớp vật lý (physical layer)

17


Các lớp này tương đương với 2 lớp dưới cùng cùng của mô hình OSI,được
tiêu chuẩn hoá để giao tiếp với nhiều ứng dụng lớp trên.
1.7.1. Các đặc tính của lớp vật lý ( PHY)
Có 3 kiểu lớp vật lý ( PHY) được đưa ra trong chuẩn 802.16 :
• WirelessMAN PHY SC: Sử dụng điều chế đơn sóng mang.
• WirelessMAN PHY OFDM 256 điểm FFT: Sử dụng ghép kênh phân chia
theo tần số trực giao có 256 điểm biến đổi Fourier nhanh (FFT). Điều này là
bắt buộc cho các băng tần được miễn cấp phép.
• WirelessMAN PHY OFDMA 2048 điểm FFT: Sử dụng đa truy nhập phân
chia theo tần số trực giao có 2048 điểm FFT. Đa truy nhập được sử dụng
bằng cách gửi một tập con nhiều sóng mang cho các máy thu riêng biệt.
Đầu tiên là Wireless Metropolitan Area Network - Single carrier physical layer
(MAN vô tuyến - lớp vật lý đơn sóng mang) dựa trên tập chuẩn 802.16c, hoạt động
ở băng tần 11-66GHz. Trạm gốc (Base Station-BS) chỉ cần một anten đẳng hướng,

gồm: FEC với Reed-Solomon, AAS, STC, ghép xen; thời gian kí hiệu và số điểm
FFT có thể thay đổi cho phù hợp với băng thông tương ứng.
Với WirelessMAN OFDMA 2048 sóng mang: tương tự như WirelessMAN
256 sóng mang nhưng có nhiều ưu điểm hơn. Dựa trên tập chuẩn 802.16e (2005),
với sự hỗ trợ của OFDMA ở lớp vật lý, cho phép các user (SS) di chuyển với tốc độ
cao, khoảng gần 125km/s, sử dụng mã hoá kênh là mã xoắn, mã xoắn turbo, mã
khối, mã kiểm tra chẳn lẻ mật độ thấp (Low Density Parity Check- LDPC); dữ liệu
được ngẫu nhiên hoá, ghép xen để tránh tổn thất khi khôi phục và lỗi cụm.Ngoài kĩ
thuật AAS, STC còn sử dụng thêm phân tập thu phát (Multi In Multi Out –MIMO).
1.7.2. Các đặc tính của lớp truy nhập (MAC)

Hình 1.8: Phân lớp của WiMAX so với mô hình OSI
Chuẩn 802.16 của IEEE đưa ra cùng một lớp MAC cho tất cả lớp PHY (đơn
sóng mang, 256 OFDM, 2048 OFDMA). Lớp MAC này là kết nối được định hướng

19


điểm - đa điểm. Hoạt động truy nhập kênh ở lớp MAC của WiMax hoàn toàn khác
so với WiFi. 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 là nó cho phép
linh động thay đổi độ rộng băng tần lên hoặc xuống, dẫn đến có thể thay đổi tốc độ
phát (Upload) hoặc thu (Download) dữ liệu chứ không phải là cố định như trong
ASDL hay CDMA.Trong WiFi tất cả các trạm truy nhập một cách ngẫu nhiên đến
điểm truy cập (Access point - AP), chính vì vậy khoảng cách khác nhau từ mỗi nút
đến AP sẽ làm giảm thông lượng mạng. Ngược lại,ở lớp MAC của 802.16, lịch trình
hoạt động cho mỗi thuê bao được định trước, do vậy các trạm chỉ có duy nhất một
lần cạnh tranh kênh truyền dẫn là thời điểm gia nhập mạng. Sau thời điểm này, mỗi
trạm được trạm phát gốc gắn cho một khe thời gian. Khe thời gian có thể mở rộng
hay co hẹp lại trong quá trình truyền dẫn. Ưu điểm của việc đặt lịch trình là chế độ

không dây đó là cải thiện phạm vi phủ sóng với hiệu quả tốt nhất. Kỹ thuật nổi bật
đó là chiếm lĩnh về không gian, tích hợp với các kỹ thuật hiện tại và quan tâm đến
các yếu tố cơ bản như công suất tiêu thụ thấp, phạm vi lớn, tốc độ truyền dữ liệu
cao. Trong mạng không dây chất lượng tại lớp thấp nhất để có thể điều khiển trễ
trong quá trình truyền và các dịch vụ như thoại, video.
WiMAX và WiFi ứng dụng trong hai môi trường khác nhau. Mục đích của
WiMAX sẽ hướng tới không chỉ là phạm vi phủ sóng mạng di động mà cả những
mạng công cộng khác. Một trong các hướng phát triển quan trọng khác của
WiMAX đó là giải quyết kết nối cho mạng VoIP trong tương lai không xa.

21


CHƯƠNG 2
KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ TRONG WIMAX
2.1 Giới thiệu kỹ thuật điều chế OFDM
2.1.1 Khái niệm
Kỹ thuật điều chế OFDM, về cơ bản, là một trường hợp đặc biệt của phương
pháp điều chế FDM, chia luồng dữ liệu thành nhiều đường truyền băng hẹp trong
vùng tần số sử dụng, trong đó các sóng mang con (hay sóng mang phụ, sub-carrier)
trực giao với nhau. Do vậy, phổ tín hiệu của các sóng mang phụ này được phép
chồng lấn lên nhau mà phía đầu thu vẫn khôi phục lại được tín hiệu ban đầu. Sự
chồng lấn phổ tín hiệu này làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn
hơn nhiều so với các kĩ thuật điều chế thông thường.

Hình 2.1: Phổ của tín hiệu FDMA và OFDM
Số lượng các sóng mang con phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ rộng kênh và
mức độ nhiễu. Con số này tương ứng với kích thước FFT. Chuẩn giao tiếp vô tuyến
802.16d (2004) xác định 256 sóng mang con tương ứng FFT 256 điểm, hình thành
chuẩn Fixed WiMAX, với độ rộng kênh cố định.Chuẩn giao tiếp 802.16e (2005)

2.1.3. Các ưu và nhược điểm của kĩ thuật OFDM
Ngoài ưu điểm tiết kiệm băng thông kênh truyền kể trên, OFDM còn có một
số ưu điểm sau đây :
• Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hiện tượng nhiễu xuyên kí hiệu ISI (InterSymbol Interference) nếu độ dài chuỗi bảo vệ (guard interval) lớn hơn độ trễ
truyền dẫn lớn nhất của kênh truyền.
• OFDM phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng.
• Cấu trúc máy thu đơn giản.
Tuy nhiên, bên cạnh đó, OFDM cũng có một số nhược điểm sau :

23


• Việc sử dụng chuỗi bảo vệ giúp giảm hiện tượng ISI do phân tập đa đường
nhưng chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích, chiếm một phần băng
thông của đường truyền làm giảm hiệu suất đường truyền.
• Do yêu cầu về tính trực giao giữa các sóng mang phụ nên hệ thống OFDM
khá nhạy cảm với hiệu ứng Dopler, dịch tần (frequency offset) và dịch thời
( time offset) do sai số đồng bộ.
• Đường bao biên độ của tín hiệu phía phát không bằng phẳng, gây ra méo phi
tuyến ở các bộ khuếch đại công suất ở đầu phát và đầu thu.
2.2 Nguyên lý điều chế OFDM
2.2.1 Sự trực giao của hai tín hiệu
Nếu ký hiệu các sóng mang con được dùng trong hệ thống OFDM là s i(t) và
sj(t). Để đảm bảo tính trực giao cho OFDM, các hàm sin của sóng mang con phải
thỏa mãn điều kiện sau :

1
T
Trong đó :


Dấu “*” trong công thức (2.1) chỉ sự liên hợp phức.Ví dụ: nếu tín hiệu là
sin(mx) với m = 1,2…. thì nó trực giao trong khoảng từ -π đến π.

Hình 2.2: Phổ của các sóng mang trực giao

24


Trong toán học, số hạng trực giao có được từ việc nghiên cứu các vector.
Theo định nghĩa, hai vectơ được gọi là trực giao với nhau khi chúng vuông góc
với nhau (tạo nhau một góc 900) và tích của 2 vectơ là bằng 0.

Hình 2.3: Tích của hai vectơ vuông góc bằng 0
2.2.2 Sơ đồ điều chế
ai , + L

d k ,+ L

Xung cơ
sở

X
ejL ω s t

ai ,n

d k ,n

{ al }
ai , − L