65
Chương 1: Tng quan vcông nghWiMAX http://4tech.com.vn/ SVTH : Trn Văn Xang - Lp 03DT3 Trang 1 CHƯƠNG 1 TNG QUAN VCÔNG NGHWiMAX Gii thiu chương: Trong chương 1 này stìm hiu vnhng khái nim cơ bn, vcu trúc, các băng tn sdng trong hthng mng WiMAX. Qua đó chúng ta có ththy được các ng dng thc tế và nhng ưu nhược đim ca công nghWiMAX so vi các phương thc truyn thông khác. 1.1 Gii thiu vwimax WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access - Khnăng tương tác toàn cu vi truy nhp vi ba) là mt công nghra đời da trên chuNn 802.16 ca IEEE cho phép truy cp vô tuyến đầu cui (last mile) như mt phương thc thay thế cho cáp, DSL và WLAN. Htiêu chuN n IEEE 802.16 định nghĩa các giao din vô tuyến trong mng vô tuyến ni th(WiMAX) cho vic truy nhp vô tuyến băng rng cđịnh (BWA), nó cung cp “chng cui” cho công nghtruy nhp ti các hotpot vi thoi, video và nhng dch vdliu tc độ cao. Ưu đim ni bt nht ca BWA là nó có chi phí thp cho slp đặt và bo trì so vi nhng mng hu tuyến truyn thng hoc so vi mng truy nhp quang, đặc bit là cho nhng vùng xa xôi hoc nhng vùng có địa hình khó khăn.WiMAX chính là mt gii pháp cho vic mrng mng truyn dn quang và nó có thcung cp mt dung lượng ln hơn so vi các mng cáp hoc các đường thuê bao s(DSL). Các mng WiMAX có thđược xây dng ddàng trong mt thi gian ngn bng cách trin khai mt slượng nhcác trm gc (BS) trên các toà nhà hoc trên các ct đin để to ra nhng hthng truy nhp vô tuyến dung lượng ln. Hthng WiMAX cho phép kết ni băng rng vô tuyến cđịnh (người sdng có thdi chuyn nhưng cđịnh trong lúc kết ni), mang xách được (người sdng có thdi chuyn tc độ đi b), di động vi khnăng phsóng ca mt trm

Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Citation preview

Page 1: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 1: Tổng quan về công nghệ WiMAX http://4tech.com.vn/

SVTH : Trần Văn Xang - Lớp 03DT3 Trang 1

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WiMAX

Giới thiệu chương: Trong chương 1 này sẽ tìm hiểu về những khái niệm cơ

bản, về cấu trúc, các băng tần sử dụng trong hệ thống mạng WiMAX. Qua

đó chúng ta có thể thấy được các ứng dụng thực tế và những ưu nhược điểm

của công nghệ WiMAX so với các phương thức truyền thông khác.

1.1 Giới thiệu về wimax

WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access - Khả năng tương

tác toàn cầu với truy nhập vi ba) là một công nghệ ra đời dựa trên chuNn 802.16 của

IEEE cho phép truy cập vô tuyến đầu cuối (last mile) như một phương thức thay thế

cho cáp, DSL và WLAN.

Họ tiêu chuNn IEEE 802.16 định nghĩa các giao diện vô tuyến trong mạng vô

tuyến nội thị (WiMAX) cho việc truy nhập vô tuyến băng rộng cố định (BWA), nó

cung cấp “chặng cuối” cho công nghệ truy nhập tới các hotpot với thoại, video và

những dịch vụ dữ liệu tốc độ cao. Ưu điểm nổi bật nhất của BWA là nó có chi phí

thấp cho sự lắp đặt và bảo trì so với những mạng hữu tuyến truyền thống hoặc so

với mạng truy nhập quang, đặc biệt là cho những vùng xa xôi hoặc những vùng có

địa hình khó khăn.WiMAX chính là một giải pháp cho việc mở rộng mạng truyền

dẫn quang và nó có thể cung cấp một dung lượng lớn hơn so với các mạng cáp hoặc

các đường thuê bao số (DSL). Các mạng WiMAX có thể được xây dựng dễ dàng

trong một thời gian ngắn bằng cách triển khai một số lượng nhỏ các trạm gốc (BS)

trên các toà nhà hoặc trên các cột điện để tạo ra những hệ thống truy nhập vô tuyến

dung lượng lớn.

Hệ thống WiMAX cho phép kết nối băng rộng vô tuyến cố định (người sử

dụng có thể di chuyển nhưng cố định trong lúc kết nối), mang xách được (người sử

dụng có thể di chuyển ở tốc độ đi bộ), di động với khả năng phủ sóng của một trạm

Page 2: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 1: Tổng quan về công nghệ WiMAX http://4tech.com.vn/

SVTH : Trần Văn Xang - Lớp 03DT3 Trang 2

anten phát lên đến 50km dưới các điều kiện tầm nhìn thẳng (LOS) và bán kính lên

tới 8km không theo tầm nhìn thẳng (NLOS).

1.2 Mô hình hệ thống

Mô hình phủ sóng mạng WiMAX tương tự như một mạng điện thoại di động :

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.

Page 3: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 1: Tổng quan về công nghệ WiMAX http://4tech.com.vn/

SVTH : Trần Văn Xang - Lớp 03DT3 Trang 3

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

có đặc tính là toàn bộ miền Fresnel thứ nhất không hề có chướng ngại vật, nếu đặc

tính này không được bảo đảm thì cường độ tín hiệu sẽ suy giảm đáng kể. Không

gian miền Fresnel phụ thuộc vào tần số hoạt động và khoảng cách giữa trạm phát và

trạm thu.

Hình 1.2 Miền Fresnel trong trường hợp LOS

Trong trường hợp truyền NLOS, hệ thống sử dụng băng tần thấp hơn 2-

11GHz, tương tự như WLAN, tín hiệu có thể vượt các vật chắn thông qua đường

phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ ….để đến đích. Các tín hiệu nhận được ở phía thu bao

gồm sự tổng hợp các thành phần nhận được từ đường đi trực tiếp, các đường phản

xạ, năng lượng tán xạ và các thành phần nhiễu xạ. Những tín hiệu này có những

Miền Fresnel thứ nhất

Page 4: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 1: Tổng quan về công nghệ WiMAX http://4tech.com.vn/

SVTH : Trần Văn Xang - Lớp 03DT3 Trang 4

khoảng trễ, sự suy giảm, sự phân cực và trạng thái ổn định liên quan tới đường

truyền trực tiếp là khác nhau.

Hình 1.3 Truyền sóng trong trường hợp NLOS

Hiện tượng truyền sóng đa đường cũng là nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi

phân cực tín hiệu. Do đó sử dụng phân cực cũng như tái sử dụng tần số mà được

thực hiện bình thường trong triển khai LOS lại khó khăn trong các ứng dụng NLOS.

Nếu chỉ đơn thuần tăng công suất phát để “vượt qua” các chướng ngại vật không

phải là công nghệ NLOS. Điều kiện phủ sóng của cả LOS và NLOS bị chi phối bởi

các đặc tính truyền sóng của môi trường, tổn hao trên đường truyền (path loss) và

quỹ công suất của đường truyền vô tuyến.

1.3 Các ưu và nhược điểm của công nghệ WiMAX

1.3.1 Một số ưu điểm chính của công nghệ WiMAX

1.3.1.1 Lớp vật lí của WiMAX dựa trên nền kĩ thuật OFDM (ghép kênh phân

tần trực giao)

Kỹ thuật này giúp hạn chế hiệu ứng phân tập đa đường, cho phép WiMAX hoạt

động tốt trong môi truờng NLOS nên độ bao phủ rộng hơn, do đó khoảng cách giữa

trạm thu và trạm phát có thể lên đến 50km.

Cũng nhờ kĩ thuật OFDM, phổ các sóng mang con có thể chồng lấn lên nhau

nên sẽ tiết kiệm, sử dụng hiệu quả băng thông và cho phép truyền dữ liệu với tốc độ

cao: phổ tín hiệu 10MHz hoạt động ở chế độ TDD (song công phân thời) với tỉ số

Page 5: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 1: Tổng quan về công nghệ WiMAX http://4tech.com.vn/

SVTH : Trần Văn Xang - Lớp 03DT3 Trang 5

đường xuống/đường lên (downlink-to-uplink ratio) là 3:1 thì tốc độ đỉnh tương ứng

sẽ là 25Mbps và 6.7Mbps.

1.3.1.2 Hệ thống WiMAX có công suất cao

Trong WiMAX hướng truyền tin chia thành hai đường : hướng lên( uplink) và

hướng xuống (downlink), hướng lên có tần số thấp hơn hướng xuống và đều sử

dụng kĩ thuật OFDM. OFDM sử dụng tối đa 2048 sóng mang, trong đó 1536 sóng

mang dành cho thông tin được chia thành 32 kênh con, mỗi kênh con tương đương

48 sóng mang. WiMAX còn sử dụng thêm điều chế nhiều mức thích ứng từ BPSK,

QPSK đến 256 - QAM kết hợp các phương pháp sửa lỗi như ngẫu nhiên hoá, mã

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.

1.3.1.3 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

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.

1.3.1.4 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

chuNn về hệ thống truy nhập vô tuyến băng rộng cho di động và cố định của

IEEE, nên các sản phNm, 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.

Page 6: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 1: Tổng quan về công nghệ WiMAX http://4tech.com.vn/

SVTH : Trần Văn Xang - Lớp 03DT3 Trang 6

• 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), ….

1.3.1.5 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.

• Tạo điều kiện thuận lợi để phát triển các dịch vụ truyền thông đa phương tiện

ở các vùng sâu, vùng xa, những nơi khó phát triển hạ tầng mạng băng rộng,

khắc phục những giới hạn của đường truyền Internet DSL và cáp.

• CPE vô tuyến cố định có thể sử dụng cùng loại chipset modem được sử dụng

trong máy tính cá nhân (PC) và PDA, vì ở khoảng cách gần các modem có

thể tự lắp đặt trong nhà CPE sẽ tương tự như cáp, DSL và các trạm gốc có

thể sử dụng cùng loại chipset chung được thiết kế cho các điểm truy cập

WiMAX chi phí thấp và cuối cùng là số lượng tăng cũng thỏa mãn cho việc

đầu tư vào việc tích hợp mức độ cao hơn các chipset tần số vô tuyến (RF),

làm chi phí giảm hơn nữa.

1.3.2 Một số nhược điểm của công nghệ WiMAX

• Dải tần WiMAX sử dụng không tương thích tại nhiều quốc gia, làm hạn chế

sự phổ biến công nghệ rông rãi.

• Do công nghệ mới xuất hiện gần đây nên vẫn còn một số lỗ hổng bảo mật.

• Tuy được gọi là chuNn công nghệ nhưng thật sự chưa được “chuNn” do hiện

giờ đang sử dụng gần 10 chuNn công nghệ khác nhau. Theo diễn dàn

WiMAX chỉ mới có khoảng 12 hãng phát triển chuNn WiMAX được chứng

nhận bao gồm : Alvarion, Selex Communication, Airspan, Proxim Wilreless,

Redline, Sequnas, Siemens, SR Telecom, Telsim, Wavesat, Aperto,

Axxcelera.

• Về giá thành: Dù các hãng, tập đoàn sản xuất thiết bị đầu cuối (như Intel,

Alcatel, Alvarion, Motorola…) tham gia nghiên cứu phát triển nhưng giá

thành vẫn còn rất cao.

Page 7: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 1: Tổng quan về công nghệ WiMAX http://4tech.com.vn/

SVTH : Trần Văn Xang - Lớp 03DT3 Trang 7

• Công nghệ này khởi xướng từ nước Mỹ, nhưng thực sự chưa có thông tin

chính thức nào đề cập đến việc Mỹ sử dụng WiMAX như thế nào, khắc phục

hậu quả sự cố ra sao. Ngay cả ở Việt Nam,VNPT ( với nhà thầu nước ngoài

là Motorola, Alvarion) cũng đã triển khai ở một số tỉnh miền núi phía Bắc,

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.

1.4 Cấu trúc của 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)

Các lớp này tương đương với 2 lớp dưới cùng cùng của mô hình OSI,được

tiêu chuNn hoá để giao tiếp với nhiều ứng dụng lớp trên.

1.4.1 Các đặc tính của lớp vật lý ( PHY)

Có 3 kiểu lớp vật lý ( PHY) được đưa ra trong chuNn 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 chuNn 802.16c, hoạt động

ở băng tần 11-66GHz. Trạm gốc (Base Station-BS) chỉ cần một anten đẳng hướng,

truyền dữ liệu hướng xuống các user đã có mã số nhận dạng kết nối (Connection

Page 8: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 1: Tổng quan về công nghệ WiMAX http://4tech.com.vn/

SVTH : Trần Văn Xang - Lớp 03DT3 Trang 8

Identifer - CID). Các máy thu (Subcriber Station - SS) với các anten định hướng,

hướng về phía các BS (máy phát). Tín hiệu xử lí phía máy phát bao gồm: ngẫu

nhiên hoá, mã hoá sửa lỗi, sắp xếp các kí hiệu, sửa dạng xung (pulse shaping) truớc

khi truyền đi. Ngẫu nhiên hoá để bảo đảm khôi phục tín hiệu phía đầu thu vì nếu tín

hiệu không được mã hoá giả ngẫu nhiên thì năng lượng sẽ tập trung tại một số tần

số nào đó như phổ vạch, điều này tạo ra nguy hiểm cho máy thu, bộ dao động VCO

của máy thu có thể khoá pha tại các tần số này thay vì tại tần số sóng mang sẽ dẫn

đến không giải điều chế được và sẽ mất thông tin của luồng dữ liệu. Bộ mã hoá sửa

lỗi FEC bao gồm mã Reed Solomon, mã chập (mã xoắn), có thể có thêm mã kiểm

tra chẳn lẻ hay mã xoắn turbo (Convolution turbo code - CTC). Tỉ lệ mã phụ thuộc

vào điều kiện của kênh truyền và tỉ số bít lỗi (Bit error rate- BER). Các kĩ thuật điều

chế thường là QPSK, 16-QAM, đôi khi sử dụng 64 - QAM. ChuNn này áp dụng cho

kết nối vi ba điểm - điểm (point to point- PPP) và điểm - đa điểm (point to multi

point- PMP); giúp tiết kiệm thời gian, chi phí hơn so với việc lắp đặt cáp.

Ngoài ra, tập chuNn 802.16a cũng hỗ trợ WirelessMAN PHY SC nhưng dành

cho băng tần dưới 11GHZ và hoạt động trong NLOS. SS có thể là một máy tính với

vớ modem gắn ngoài nối với một anten đẳng hướng. Tập chuNn này cũng hỗ trợ

song công TDD và FDD, như 802.16c, sử dụng thêm các kĩ thuật cân bằng và uớc

lượng kênh để khắc phục hiệu ứng đa đường, và để nâng chất lượng tín hiệu vẫn

phải sử dụng TCM( trellis coded modulation), FEC, ghép xen, hệ thống anten thích

ứng (Adaptive Antenna System - AAS), mã hoá không gian thời gian (Space Time

coding - STC).

WirelessMAN 256 sóng mang dựa trên tập chuNn 802.16d, cung cấp dịch vụ

kết nối băng rộng trong nhà. Các SS là các thiết bị anten dùng trong nhà và có thể di

chuyển với tốc độ thấp (portable). Nhờ sử dụng OFDM nên cho phép kết nối NLOS

dưới 11GHz, và làm bỏ bớt khối cân bằng trong bộ thu.Các kĩ thuật hỗ trợ cũng

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 chuNn 802.16e (2005),

Page 9: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 1: Tổng quan về công nghệ WiMAX http://4tech.com.vn/

SVTH : Trần Văn Xang - Lớp 03DT3 Trang 9

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).

1.4.2 Các đặc tính của lớp truy nhập (MAC)

Hình 1.4 Phân lớp của WiMAX so với mô hình OSI

ChuNn 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

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

Physical Layer Tranmission

MAC Layer

Convergence

Physical Layer

MAC Layer

Mô hình OSI Kiến trúc phân lớp của WiMAX

Page 10: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 1: Tổng quan về công nghệ WiMAX http://4tech.com.vn/

SVTH : Trần Văn Xang - Lớp 03DT3 Trang 10

hay co hẹp lại trong quá trình truyền dẫn. Ưu điểm của việc đặt lịch trình là chế độ

truyền dẫn vẫn hoạt động ổn định trong trường hợp quá tải và số lượng thuê bao

đăng ký vượt quá cho phép, và nó cũng có thể tăng được hiệu quả sử dụng băng

tần. Việc sử dụng thuật toán lịch trình còn cho phép trạm phát gốc điều khiển chất

lượng dịch vụ (Quality of Service -QoS) bằng việc cân bằng nhu cầu truyền thông

giữa các thuê bao.

1.5 So sánh WiMAX với WiFi

WiMAX và WiFi sẽ cùng tồn tại và trở thành những công nghệ bổ sung ngày

càng lớn cho các ứng dụng riêng.Đặc trưng của WiMAX là không thay thế WiFi.

Hơn thế WiMAX bổ sung cho WiFi bằng cách mở rộng phạm vi của WiFi và mang

lại những thực tế của người sử dụng "kiểu WiFi" trên một quy mô địa lý rộng

hơn.Công nghệ WiFi được thiết kế và tối ưu cho các mạng nội bộ (LAN), trong khi

WiMAX được thiết kế và tối ưu cho các mạng thành phố (MAN).Trong khoảng thời

gian từ 2008 - 2010, hy vọng cả 802.16 và 802.11 sẽ xuất hiện trong các thiết bị

người sử dụng từ laptop tới các PDA, cả hai chuNn này cho phép kết nối vô tuyến

trực tiếp tới người sử dụng tại gia đình, trong văn phòng và khi đang di chuyển.

Mặc dù có cùng mục đích như nhau nhưng chúng ta thấy công nghệ sử dụng trong

mạng WiMAX có một số ưu điểm so với WiFi:

• Sai số tín hiệu truyền nhận ít hơn

• Khả năng vượt qua vật cản tốt hơn

• Số thiết bị sử dụng kết nối lớn hơn hàng trăm so với hàng chục trong WiFi.

• Lớp vật lý MAC (Medium Access Control) dùng trong WiMAX dựa trên kỹ

thuật phân chia theo khe thời gian cho phép đồng nhất băng tần giữa các thiết

bị (TDMA) hiệu quả hơn sơ với WiFi (sử dụng CSMA-CA rất gần

CSMA-CD sử dụng trong mạng Ethernet).Chính vì vậy phổ sóng vô tuyến sẽ

đạt được tốt hơn.

Mạng WiMAX không thể thay thế được WiFi trong các ứng dụng nhưng nó

góp phần bổ sung để hình thành mạng không dây. Xu hướng chung của mạng không

dây đó là cải thiện phạm vi phủ sóng với hiệu quả tốt nhất. Kỹ thuật nổi bật đó là

Page 11: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 1: Tổng quan về công nghệ WiMAX http://4tech.com.vn/

SVTH : Trần Văn Xang - Lớp 03DT3 Trang 11

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.

1.6 Các dải tần áp dụng

1.6.1 Các dải tần cấp phép 11-66 GHz

Dải tần từ 11-66 GHz hoạt động trong các môi trường vật lý có bước sóng

ngắn,tầm nhìn thẳng (LOS) và ảnh hưởng của đa đường là không đáng kể. Thông

thường, độ rộng băng tần của kênh trong dải tần này là 25 MHz hoặc 28 MHz.Ở dải

tần này, giao diện vô tuyến áp dụng kiểu điều chế sóng mang đơn WirelessMAN SC

1.6.2 Các dải tần cấp phép dưới 11 GHz

Các tần số dưới 11 GHz hoạt động trong các môi trường vật lý có bước sóng

lớn hơn,điều kiện LOS là không cần thiết và có thể chấp nhận đa đường lớn hơn.

Nó có khả năng hỗ trợ LOS gần và NLOS.

Giao diện Khả năng

áp dụng

Các tuỳ chọn Phương thức

song công

WirelessMAN-SCTM 11-66 GHz TDD, FDD

WirelessMAN-SCaTM Các băng tần dưới

11GHz được cấp phép AAS, ARQ, STC

TDD, FDD

WirelessMAN-OFDMTM Các băng tần dưới 11GHz được cấp phép

AAS, ARQ, Mesh, STC

TDD, FDD

WirelessMAN-OFDMA Các băng tần dưới 11GHz được cấp phép

AAS, ARQ, STC

TDD, FDD

WirelessHUMANTM Các băng tần dưới 11 GHz được miễn cấp phép

AAS, ARQ, Mesh, STC

TDD

Bảng 1.1 Đặc tính của các giao diện vô tuyến

Page 12: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 1: Tổng quan về công nghệ WiMAX http://4tech.com.vn/

SVTH : Trần Văn Xang - Lớp 03DT3 Trang 12

1.6.3 Các dải tần được miễn cấp phép dưới 11 GHz (chủ yếu từ 5-6 GHz)

Đây là băng tần được nhiều nước cho phép sử dụng không cần cấp phép và với

công suất tới cao hơn so với các đoạn băng tần khác trong dải 5GHz (5125-5250

MHz ), thường được sử dụng trong các ứng dụng trong nhà. Băng tần này thích hợp

để triển khai WiMax cố định, độ rộng kênh là 10 MHz.

1.7 Ứng dụng của WiMAX

Đối với các doanh nghiệp, WiMAX cho phép truy cập băng rộng với chi phí

hợp lý. Vì phần lớn các doanh nghiệp sẽ không được chia thành khu vực để có

đường cáp, lựa chọn duy nhất của họ đối với dịch vụ băng rộng là từ các nhà cung

cấp viễn thông địa phương. Điều này dẫn tới sự độc quyền. Các doanh nghiệp sẽ

được hưởng lợi từ việc triển khai các hệ thống WiMAX, nhờ tạo ra sự cạnh tranh

mới trên thị trường,giảm giá và cho phép các doanh nghiệp thiết lập mạng riêng của

mình. Điều này đặc biệt phù hợp đối với các ngành như khí đốt, mỏ, nông nghiệp,

vận tải, xây dựng và các ngành khác nằm ở những vị trí xa xôi, hẻo lánh.

Đối với người sử dụng là hộ gia đình ở những vùng nông thôn (nơi dịch vụ

DSL và cáp chưa thể vươn tới), WiMAX mang lại khả năng truy cập băng rộng.

Điều này đặc biệt phù hợp ở các nước đang phát triển nơi mà hạ tầng viễn thông

truyền thống vẫn chưa thể tiếp cận.

Công nghệ WiMAX cách mạng hoá phương pháp truyền thông. Nó cung cấp

hoàn toàn tự do cho những người thường xuyên di chuyển, cho phép họ lưu lại kết

nối thoại, dữ liệu và các dịch vụ hình ảnh. WiMAX cho phép ta đi từ nhà ra xe, sau

đó đi đến công sở hoặc bất cứ nơi nào trên thế giới, hoàn toàn không có đường nối.

Để minh hoạ khả năng của WiMAX cho các ứng dụng được phân cấp trong phần

trước, một vài mô hình sử dụng tiêu biểu được nhóm thành hai loại lớn: các mạng

công cộng và riêng.

1.7.1 Các mạng riêng

Các mạng riêng, được dùng dành riêng cho một tổ chức, cơ quan hoặc cơ sở

kinh doanh, cung cấp các liên kết thông tin chuyên dụng đảm bảo chuyển giao tin

Page 13: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 1: Tổng quan về công nghệ WiMAX http://4tech.com.vn/

SVTH : Trần Văn Xang - Lớp 03DT3 Trang 13

cậy thoại, dữ liệu và hình ảnh. Triển khai đơn giản và nhanh thường được ưu tiên

cao, và các cấu hình tiêu biểu là điểm tới điểm hoặc điểm tới đa điểm.

1.7.1.1 Chuyển về các nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến

Các nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến (WSPs) sử dụng thiết bị WiMAX để

chuyển lưu lượng từ trạm gốc về các mạng truy cập của họ, như được minh hoạ ở

hình 1.5

Hình 1.5 Minh hoạ chuyển về nhà cung cấp dịch vụ

Các mạng truy cập dựa trên WiFi, WiMAX hoặc bất kỳ công nghệ truy cập vô

tuyến có đăng ký độc quyền. Nếu mạng truy nhập sử dụng thiết bị WiFi, thì toàn bộ

mạng WSP được xem như một hot zone. Vì các WSP thường cung cấp thoại, dữ

liệu và hình ảnh, nên đặc điểm QoS của WiMAX gắn liền sẽ giúp ưu tiên, tối ưu

hoá dung lượng chuyển về. Thiết bị WiMAX có thể được triển khai nhanh, tạo điều

kiện thuận lợi cho việc giới thiệu nhanh mạng WSP. Như đã được minh hoạ, điều

kiện thuận lợi chuyển về thuê từ công ty điện thoại địa phương sẽ tăng chi phí hoạt

động, và triển khai giải pháp cáp quang có thể rất tốn kém và yêu cầu lượng thời

gian đáng kể, tác động chống lại sự giới thiệu dịch vụ mới.Hơn nữa, cáp quang,

DSL không có lợi nhuận trong các vùng nông thôn, ngoại thành, và hầu hết các

Page 14: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 1: Tổng quan về công nghệ WiMAX http://4tech.com.vn/

SVTH : Trần Văn Xang - Lớp 03DT3 Trang 14

phiên bản của DSL,công nghệ cáp không cung cấp được dung lượng yêu cầu cho

các mạng này.

1.7.1.2 Các mạng giáo dục

Hình 1.6 Minh hoạ về mạng giáo dục

Các ban phụ trách trường học có thể sử dụng mạng WiMAX để kết nối các

trường với trụ sở ban trong một quận (huyện), như được minh hoạ ở dưới. Một số

yêu cầu chính cho hệ thống trường học là NLOS, độ rộng băng tần cao (>15 Mbps),

khả năng điểm tới điểm điểm tới đa điểm, và độ phủ rộng. Các mạng giáo dục dựa

vào WiMAX sử dụng QoS, có thể thực hiện đầy đủ các yêu cầu thông tin liên lạc,

bao gồm hệ thống thoại, hoạt động dữ liệu (như các báo cáo của sinh viên), email,

truy cập internet, intranet (dữ liệu), giáo dục từ xa (hình ảnh) giữa trụ sở ban và tất

cả các trường trong vùng; giữa các trường với nhau.

Giải pháp WiMAX cung cấp vùng phủ rộng, làm cho nó có lợi nhuận, đặc biệt

cho các trường ở nông thôn không có hoặc có ít cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc, bị

phân tán khắp nơi. Khi ban phụ trách trường học sở hữu, vận hành các mạng riêng,

họ có thể đáp ứng lại những thay đổi về vị trí và cách bố trí các tiện nghi của họ.

Page 15: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 1: Tổng quan về công nghệ WiMAX http://4tech.com.vn/

SVTH : Trần Văn Xang - Lớp 03DT3 Trang 15

Điều này giảm đáng kể chi phí vận hành các tuyến thuê hàng năm. Các giải pháp có

dây không thể cung cấp khả năng triển khai nhanh chóng, giá thành thấp, và hầu hết

các phiên bản DSL, công nghệ cáp không có thông lượng được yêu cầu bởi các

mạng giáo dục này.

1.7.1.3 An ninh công cộng

Các cơ quan an ninh công cộng của chính phủ, như: cảnh sát, cứu hoả, tìm

kiếm và cứu hộ, có thể sử dụng các mạng WiMAX để hỗ trợ đáp lại những tình

huống cấp cứu và tình trạng khNn cấp khác,như được minh hoạ ở hình 1.7.

Ngoài ra còn cung cấp truyền thông thoại hai chiều giữa trung tâm giải quyết

nhanh và các đội đáp lại tình trạng khNn cấp, mạng tiếp sóng các hình ảnh video, dữ

liệu từ địa điểm vụ tai nạn hoặc thảm họa tới trung tâm điều khiển. Dữ liệu này có

thể được tiếp sóng tới các đội chuyên gia cấp cứu hoặc nhân viên khNn cấp, là

những người có thể phân tích các tính huống trong thời gian thực, như thể là họ

đang ở đó. WiMAX QoS cho phép mạng xử lý các loại lưu lượng khác nhau. Các

giải pháp WiMAX có khả năng triển khai cao, do đó đội đáp ứng ban đầu có thể

thiết lập một mạng vô tuyến tạm thời tại địa điểm vụ tai nạn, sự kiện, hoặc thảm hoạ

tự nhiên trong khoảng vài phút. Họ cũng có thể tiếp sóng lưu lượng từ mạng này trở

về trung tâm giải quyết nhanh hoặc trung tâm điều khiển, qua mạng WiMAX hiện

hành.

Page 16: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 1: Tổng quan về công nghệ WiMAX http://4tech.com.vn/

SVTH : Trần Văn Xang - Lớp 03DT3 Trang 16

Hình 1.7 Minh hoạ về mạng an ninh công cộng

Các giải pháp có dây không phải là các giải pháp thích hợp, do tính không thể

dự đoán, không ổn định của các vụ tai nạn và các thảm hoạ. Ở đây có lẽ cũng yêu

cầu cả tính di động, ví dụ như: một cảnh sát đang phải truy cập cơ sở dữ liệu từ một

phương tiện chuyển động, hoặc môt lính cứu hoả phải tải thông tin về tuyến đường

tốt nhất tới nơi xảy ra hoả hoạn hoặc kiến trúc của tòa nhà đang bị cháy. Các máy

quay video trong xe cứu thương có thể cung cấp trước thông tin về tình trạng của

bênh nhân, trước khi xe cứu thương đến bênh viện. Trong tất cả các trường hợp đó,

WiMAX hỗ trợ tính di động và độ rộng băng tần cao, mà các hệ thống băng hẹp

không thể chuyển được.

1.7.1.4 Các phương tiện liên lạc xa bờ

Các nhà sản xuất ga, dầu có thể sử dụng thiết bị WiMAX để cung cấp các

tuyến nối thông tin liên lạc từ các phương tiện trên mặt đất tới các giàn khoan dầu,

các bệ khoan, để hỗ trợ các hoạt động từ xa, các phương tiện liên lạc cơ bản và an

ninh, như được minh hoạ ở hình 1.8.

Page 17: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 1: Tổng quan về công nghệ WiMAX http://4tech.com.vn/

SVTH : Trần Văn Xang - Lớp 03DT3 Trang 17

Các hoạt động từ xa bao gồm: việc xử lý sự cố từ xa các vấn đề thiết bị phức

tạp, kiểm tra định hướng địa điểm, và truy cập cơ sở dữ liệu. Ví dụ, các đoạn video

của các thành phần hoặc các cụm lắp ráp gặp sự cố được truyền tới đội chuyên gia

trên mặt đất để phân tích. An ninh gồm: kiểm tra đèn cảnh báo, giám sát video. Các

phương tiện liên lạc cơ bản gồm: điện thoại, email, truy cập internet, trao đổi video.

Hình 1.8 Minh hoạ về mạng liên lạc xa bờ

1.7.2 Các mạng công cộng

Trong mạng công cộng,các tài nguyên được truy cập, chia sẻ với những người

sử dụng khác nhau, gồm cả các hãng kinh doanh và các cá nhân riêng biệt. Nói

chung mạng công cộng yêu cầu lợi nhuận qua việc cung cấp vùng phủ song khắp

nơi, vì vị trí của người sử dụng hoặc là cố định hoặc có thể dự đoán được. Các ứng

dụng chính của mạng công cộng là truyền thông thoại và dữ liệu, mặc dù truyền

thông video đang trở nên phổ biến hơn. An ninh là một yêu cầu then chốt, vì nhiều

người sử dụng cùng chia sẻ một mạng. Hỗ trợ kèm theo VLAN và mã hoá dữ liệu là

Page 18: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 1: Tổng quan về công nghệ WiMAX http://4tech.com.vn/

SVTH : Trần Văn Xang - Lớp 03DT3 Trang 18

giải pháp an ninh được sử dụng. Mạng công cộng bao gồm một số bối cảnh sử dụng

được minh hoạ dưới đây.

1.7.2.1 Nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến truy cập mạng

Các nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến (WSPs) sử dụng mạng WiMAX để cung

cấp kết nối tới cả khu dân cư (thoại, dữ liệu và video) và hãng kinh doanh (chủ yếu

là thoại và internet), được minh hoạ ở hình 1.9.

Hình 1.9 Minh hoạ về mạng WiMAX của nhà cung cấp dịch vụ

WSP có thể là một CLEC (các nhà cung cấp tổng đài nội hạt cạnh trạnh) mà

bắt đầu việc kinh doanh với ít hoặc không có cơ sở hạ tầng được lắp đặt. Vì

WiMAX rất dễ để triển khai, nên CLEC có thể lắp đặt mạng nhanh chóng và ở vào

thế cạnh tranh với ILEC (nhà cung cấp sóng mang tổng đài nội hạt).

Kỹ thuật QoS gắn liền với WiMAX rất phù hợp với hỗn hợp lưu lượng được

mang bởi CLEC. QoS MAC cũng đưa ra dịch vụ đa mức để cung cấp cho các nhu

cầu dịch vụ khác nhau của khách hàng. Hỗ trợ nhiều loại dịch vụ cho phép các

luồng thu nhập khác nhau, tuy nhiên nó giảm chi phí thu được từ khách hàng, và

Page 19: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 1: Tổng quan về công nghệ WiMAX http://4tech.com.vn/

SVTH : Trần Văn Xang - Lớp 03DT3 Trang 19

tăng ARPU (thu nhập trung bình trên mỗi người sử dụng). WSP chỉ cần một hệ

thống quảng cáo và một cơ sở dữ liệu khách hàng.

Các nhà vận hành tế bào cũng quan tâm tới ứng dụng WiMAX trong mạng của

họ. Các nhà vận hành đã có các cơ sở hạ tầng quảng cáo và khách hàng, nhưng triển

khai giải pháp WiMAX sẽ mở rộng thị trường trong vùng dịch vụ của họ. Tất cả các

giải pháp có dây (bao gồm: cáp quang, DSL, và cáp) yêu cầu các chi phí ban đầu

đáng kể để xây dựng cơ sở hạ tầng. Nói cụ thể, các giải pháp có dây không phù hợp

với các thị trường đang phát triển ở các nước, như các vùng nông thôn, thị trấn nhỏ

hoặc rìa ngoại ô của các trung tâm lớn.

1.7.2.2 Kết nối nông thôn

Các nhà cung cấp dịch vụ sử dụng WiMAX để phát triển dịch vụ cho các thị

trường ít được quan tâm trong các vùng nông thôn, vùng ngoại ô của các thành phố,

như được minh hoạ ở hình 1.10.

Hình 1.10 Minh hoạ về mạng WiMAX cho kết nối ở vùng nông thôn

Page 20: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 1: Tổng quan về công nghệ WiMAX http://4tech.com.vn/

SVTH : Trần Văn Xang - Lớp 03DT3 Trang 20

Sự phân phát kết nối nông thôn là vấn đề then chốt trong các nước đang phát

triển và các vùng ít được quan tâm của những nước phát triển, mà ở đó không có

hoặc có rất ít cơ sở hạ tầng có giá trị. Kết nối thông thôn chủ yếu cung cấp dịch vụ

internet và điện thoại. Vì WiMAX cung cấp vùng phủ rộng nên đây là một giải pháp

mang lại lợi nhuận nhiều nhất.

Kết Luận chương : Với những nội dụng được trình bày trong chương 1 đã

cho chúng ta một cái nhìn tổng quát về công nghệ WiMAX, chúng ta cơ bản

hiểu được cấu trúc bên trong, ưu nhược điểm của wimax, và những ứng

dụng trong thực tế của nó. Khi đã nắm vững những kiến thức cơ bản đó rồi

thì chúng ta sẽ dễ dàng hơn trong việc tìm hiểu nguyên lý hoạt động cũng

như cách thức xử lý tín hiệu trong WiMAX sẽ được trình bày trong các

chương sau.

Page 21: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 2: Kỹ thuật điều chế OFDM http://4tech.com.vn/

SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 1

CHƯƠNG 2

KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM

Giới thiệu chương: 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. Qua đó chúng ta sẽ thấy được những ưu điểm của kỹ thuật này khi

được ứng dụng trong công nghệ WiMAX nói chung và những kỹ thuật truyền

thông khác.

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: So sánh giữa 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. ChuNn giao tiếp vô tuyến

802.16d (2004) xác định 256 sóng mang con tương ứng FFT 256 điểm, hình thành

Page 22: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 2: Kỹ thuật điều chế OFDM http://4tech.com.vn/

SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 2

chuNn Fixed WiMAX, với độ rộng kênh cố định.ChuNn giao tiếp 802.16e (2005)

cho phép kích cỡ FFT từ 512 đến 2048 phù hợp với độ rộng kênh 5MHz đến

20MHz, hình thành chuNn Mobile WiMAX (Scalable OFDMA ), để duy trì tương

đối khoảng thời gian không đổi của các kí hiệu và khoảng dãn cách giữa các sóng

mang với độ rộng kênh.

a) Tín hiệu OFDM

b) Phổ OFDM

Hình 2.2 Tín hiệu và phổ OFDM

Page 23: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 2: Kỹ thuật điều chế OFDM http://4tech.com.vn/

SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 3

2.1.2 Lịch sử phát triển:

Dù thuật ngữ OFDM mới phổ biến rộng rãi gần đây nhưng kĩ thuật này đã được

xuất hiện cách nay hơn 40 năm:

• Năm 1966, R.W. Chang đã phát minh ra kĩ thuật OFDM ở Mỹ.

• Năm 1971, một công trình khoa học của Weisteins và Ebert đã chứng minh

rằng phương pháp điều chế và giải điều chế OFDM có thể được thực hiện

thông qua phép biến đổi IDFT (biến đổi Fourier rời rạc ngược) và DFT ( biến

đổi Fourier rời rạc). Sau đó, cùng với sự phát triển của kĩ thuật số, người ta

sử dụng phép biến đổi IFFT và FFT cho bộ điều chế OFDM.

• Năm 1999, tập chuNn IEEE 802.11 phát hành chuNn 802.11a về hoạt động

của OFDM ở băng tần 5GHz UNI.

• Năm 2003,IEEE công bố chuNn 802.11g cho OFDM hoạt động băng tần

2.4GHz và phát triển OFDM cho hệ thống băng rộng, chứng tỏ sự hữu dụng

của OFDM với các hệ thống có SNR( tỉ số S/N) thấp.

Ngày nay, kĩ thuật OFDM còn kết hợp với các phương pháp mã hóa kênh sử

dụng trong thông tin vô tuyến, gọi là Coded OFDM, nghĩa là tín hiệu trước khi điều

chế sẽ được mã hóa với nhiều loại mã khác nhau để hạn chế các lỗi xảy ra trên kênh

truyền. Do chất lượng kênh (độ fading và tỉ số S/N) của mỗi sóng mang con phụ là

khác nhau, người ta thực hiện điều chế tín hiệu trên mỗi sóng mang đó với các mức

điều chế khác nhau, gọi là điều chế thích nghi (adaptive modulation) hiện đang

được sử dụng trong hệ thống thông tin máy tính băng rộng HiperLAN của ETSI ở

Châu Âu.

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 (Inter-

Symbol 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.

Page 24: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 2: Kỹ thuật điều chế OFDM http://4tech.com.vn/

SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 4

• Cấu trúc máy thu đơn giản.

Tuy nhiên, bên cạnh đó, OFDM cũng có một số nhược điểm sau :

• 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 si(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 :

Trong đó :

Δf=T1 là khoảng cách tần số giữa hai sóng mang con, T là thời gian ký hiệu, N

là số các sóng mang con, N.Δf là băng thông truyền dẫn và ts là dịch thời gian.

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.

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.

( ) ( )∫+

=⋅Tt

tji

s

s

dttstsT

*1 k, i=j 0, i≠j

(2.1)

(2.2) sk (t) =

0 , k khác

e(j2пk∆ft) , k=1,2,….,N

Page 25: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 2: Kỹ thuật điều chế OFDM http://4tech.com.vn/

SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 5

2.2.2 Sơ đồ điều chế

Hình 2.4 Bộ điều chế OFDM

Giả sử băng thông hệ thống là B chia thành Nc kênh con, với chỉ số kênh con

là n, n ∈ { }LLLL ,1,...,1,0,1,...,1, −−+−− , nên NFFT=2L+1. Dòng dữ liệu đầu vào{ }la

chia thành NFFT dòng song song với tốc độ dữ liệu giảm đi NFFT lần thông qua bộ

chia nối tiếp/song song. Dòng bit trên mỗi luồng song song{ }la lại được điều chế

thành mẫu của tín hiệu phức đa mức nkd , , n là chỉ số song mang phụ, i là chỉ số khe

thời gian tương ứng với Nc bit song song sau khi qua bộ S/P, k là chỉ số khe thời

gian ứng với Nc mẫu tín hiệu phức.Các mẫu tín hiệu phát nkd , được nhân với xung

cơ sở để giới hạn phổ của mỗi sóng mang, sau đó được dịch tần lên đến kênh con

tương ứng bằng việc nhân với hàm phức ejL sω t , làm các tín hiệu trên các sóng mang

Hình 2.3 Tích của hai vectơ vuông góc bằ

Xung cơ sở

Xung cơ sở

Xung cơ sở

X

X

X

ejL sω t

ejn sω t

e- jL sω t

{ }la

Lia +,

nia ,

Lia −,

Lkd +,

nkd ,

Lkd −,

m,(t) m(t)

Page 26: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 2: Kỹ thuật điều chế OFDM http://4tech.com.vn/

SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 6

trực giao nhau. Tín hiệu sau khi nhân với xung cơ sở và dịch tần cộng lại qua bộ

tổng và cuối cùng được biểu diễn như sau

m’k(t)= ∑

+

−=

−L

Lm

tjnk

sekTtSd ω)(', (2.3)

Tín hiệu này được gọi là mẫu tín hiệu OFDM thứ k, biễu diễn tổng quát tín hiệu

OFDM sẽ là

m(t)= )(' tmk

k∑∞

−∞== ∑

−∞=k∑+

−=

−L

Lm

tjnk

sekTtSd ω)(', (2.4)

Trước khi phát đi thì tín hiệu OFDM được chèn thêm chuỗi bảo vệ để chống

nhiễu xuyên kí hiệu ISI.

Phép điều chế OFDM có thể thực hiện được thông qua phép biến đổi IDFT và

phép giải điều chế OFDM có thể thực hiện được bằng phép biến đổi DFT. Thay vì

sử dụng IDFT người ta có thể sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT cho bộ điều chế

OFDM, sử dụng FFT cho bộ giải điều chế OFDM. Điều chế OFDM bằng phương

pháp biến đổi ngược Fourrier nhanh cho phép một số lượng lớn các sóng mang con

với độ phức tạp thấp.

2.2.3 Thực hiện bộ điều chế bằng thuật toán IFFT

Tín hiệu sau bộ giải điều chế OFDM khi chuyển đổi tương tự thành số, luồng

tín hiệu trên được lấy mẫu với tần số lấy mẫu

ta= B1 =

FFTN1 =

FFT

S

NT (2.5)

Ở tại thời điểm lấy mẫu t=kT+lta,, S’(t-kT) =S0, do vậy (2.3) viết lại :

m’k(kTs+lta) = S0 ∑

+

−=

+L

Ln

ltkTjnnk

aSsed )(,

ω

=S0 ∑+

−=

L

Ln

ltjnkTjnnk

aSSs eed ωω .., (2.6)

Do ωSkTS = 2 ππ kf

kfS

S 21= , kết quả 1=SS kTjne ω

Page 27: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 2: Kỹ thuật điều chế OFDM http://4tech.com.vn/

SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 7

Tương tự như vậy, với FFTFFTSS

aS Nnlj

Nffjn

ltjn eeeππ

ω2

12

== , (2.6) được viết lại:

m’k(kTs+lta)=S0 ∑

+

−=

L

Ln

Nnlj

nkFFTed

π2

, (2.7)

Phép biểu diễn (2.7) trùng với phép biến đổi IDFT. Do vậy bộ điều chế OFDM

có thể thực hiện một cách dễ dàng bằng phép biến đổi IDFT.

2.2.4 Chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM

Ưu điểm của phương pháp điều chế OFDM không chỉ thể hiện ở hiệu quả sử

dụng băng thông mà còn có khả năng làm giảm hay loại trừ nhiễu xuyên kí hiệu ISI

(Inter Symbol Interference) nhờ sử dụng chuỗi bảo vệ (Guard Interval- GI ). Một

mẫu tín hiệu có độ dài là TS, chuỗi bảo vệ tương ứng là một chuỗi tín hiệu có độ dài

TG ở phía sau được sao chép lên phần phía trước của mẫu tín hiệu như hình vẽ sau:

Hình 2.5 Chuỗi bảo vệ GI

Do đó, GI còn được gọi là Cyclic Prefix (CP). Sự sao chép này có tác dụng

chống lại nhiễu xuyên kí hiệu ISI do hiệu ứng phân tập đa đường.

Nguyên tắc này giải thích như sau: Giả sử máy phát đi một khoảng tín hiệu có

chiều dài là Ts, sau khi chèn thêm chuỗi bảo vệ có chiều dài TG thì tín hiệu này có

chiều dài là T = TS+TG. Do hiệu ứng đa đường multipath, tín hiệu này sẽ tới máy

thu theo nhiều đường khác nhau. Trong hình vẽ mô tả trang bên,hình a,tín hiệu theo

đường thứ nhất không có trễ, các đường thứ hai và thứ ba đều bị trễ một khoảng

thời gian so với đường thứ nhất. Tín hiệu thu được ở máy thu sẽ là tổng hợp của tất

cả các tuyến, cho thấy kí hiệu đứng trước sẽ chồng lấn vào kí hiệu ngay sau đó, đây

chính là hiện tượng ISI.Do trong OFDM có sử dụng chuỗi bảo vệ có độ dài TG sẽ dễ

dàng loại bỏ hiện tượng này. Trong trường hợp TG ≥τ MAX như hình vẽ mô tả thì

phần bị chồng lấn ISI nằm trong khoảng của chuỗi bảo vệ, còn thành phần tín hiệu

có ích vẫn an toàn. Ở phía máy thu sẽ gạt bỏ chuỗi bảo vệ trước khi gửi tín hiệu đến

Phần tín hiệu có ích Phần tín hiệu có ích GI

Page 28: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 2: Kỹ thuật điều chế OFDM http://4tech.com.vn/

SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 8

bộ giải điều chế OFDM.Do đó, điều kiện cần thiết để cho hệ thống OFDM không bị

ảnh hưởng bởi ISI là:

TG ≥τ MAX (2.8)

với τMAX là trễ truyền dẫn tối đa của kênh.

a ) Không có GI

b) Có GI

Hình 2.6 Tác dụng của chuỗi bảo vệ

Việc sử dụng chuỗi bảo vệ đảm bảo tính trực giao của các sóng mang con, do

vậy đơn giản hoá cấu trúc bộ đánh giá kênh truyền, bộ cân bằng tín hiệu ở máy thu.

Tuy nhiên, do chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích nên tăng phổ của tốc độ

truyền nên phổ tín hiệu sẽ tăng, tiêu tốn băng thông, làm giảm hiệu suất sử dụng

băng thông một lượng là:

GS

S

TTT+

=η (2.9)

Page 29: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 2: Kỹ thuật điều chế OFDM http://4tech.com.vn/

SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 9

2.2.5 Phép nhân với xung cơ bản

Trong đa số các hệ thống vô tuyến, tín hiệu trước khi truyền đi đều được nhân

với xung cơ bản. Mục đích chính là để giới hạn phổ tín hiệu phát sao cho phù hợp

với độ rộng kênh truyền.Trong trường hợp độ rộng phổ tín hiệu lớn hơn độ rộng

kênh truyền thì sẽ gây nhiễu xuyên kênh cho hệ thống khác. Trong OFDM, tín hiệu

trước khi phát đi được nhân với xung cơ bản có bề rộng đúng bằng bề rộng của một

mẫu tín hiệu OFDM, xung cơ bản thường là xung vuông hay xung chữ nhật. Sau khi

chèn thêm chuỗi bảo vệ thì xung cơ bản kí hiệu là S(t) có độ rộng là TS + TG.

Hình 2.7 Xung cơ bản

Trong thực tế xung cơ bản thường được sử dụng là bộ lọc cos nâng (Raise

cosine filter).

2.3 Nguyên lý giải điều chế OFDM

2.3.1 Truyền dẫn phân tập đa đường

Kênh truyền dẫn phân tập đa đường,về mặt toán học, được biểu hiện qua đáp

ứng xung h(τ, t) và hàm truyền đạt H(j , t).Đối với đáp ứng xung, biến là trễ truyền

dẫn của kênh, là khoảng thời gian tín hiệu đi từ máy phát đến máy thu. Biến đổi

Fourier của đáp ứng xung cho ta hàm truyền đạt của kênh

H(jω,t) = ∫∞

∞−

− ττ ωτ deth j),( (2.10)

Giả sử không có AWGN, mối liên hệ giữa tín hiệu thu u(t), tín hiệu phát m(t)

và đáp ứng xung:

S(t)

TS -TG

T

0

Page 30: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 2: Kỹ thuật điều chế OFDM http://4tech.com.vn/

SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 10

Hình 2.8 Mô hình kênh truyền

Trong miền thời gian là tích chập của tín hiệu phát và đáp ứng xung của

kênh:

u(t) = m(t) * h( t,τ )

= ττττ

dtmthmaz

∫ −0

)(),( (2.11)

2.3.2 Nguyên tắc giải điều chế

2.3.2.1 Sơ đồ

Hình 2.9 Bộ thu tín hiệu OFDM

Các bước thực hiện ở đây đều ngược lại so với phía máy phát. Tín hiệu thu sẽ

được tách chuỗi bảo vệ, giải điều chế để khôi phục băng tần gốc, giải điều chế ở các

sóng mang con, chuyển đổi mẫu tín hiệu phức thành dòng bít (tín hiệu số) và

chuyển đổi song song sang nối tiếp

h(τ,t) H(jω,t)

m(t) u(t)

Giải điều chế

Giải điều chế

Giải điều chế

X

X

X

e- jL sω t

ejn sω t

ejL sω t

Lkd ,

^

nkd ,

^

Lkd −,

^

Lia ,

^

nia ,

^

Lia −,

^

u(t) ⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

la^

Page 31: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 2: Kỹ thuật điều chế OFDM http://4tech.com.vn/

SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 11

Hình 2.10 Tách chuỗi bảo vệ

Sau khi tách chuỗi bảo vệ khỏi luồng tín hiệu u(t), luồng tín hiệu nhận được là:

u’(kTS+t)=u(kT+t) (2.12)

2.3.2.2 Thực hiện giải điều chế bằng thuật toán FFT

Giả thiết một mẫu tin OFDM Ts được chia thành NFFT mẫu tín hiệu, tín hiệu

được lấy mẫu với chu kỳ lấy mẫu là ta.

Khi đó độ rộng một mẫu là :

ta = FFT

s

NT (2.13)

Sau khi lấy mẫu, tín hiệu nhân được sẽ trở thành luồng tín hiệu số:

u’(t) => uk’(kTs + nta) , n=0,1,2,....,NFFT – 1 (2.14)

Mẫu tín hiệu sau khi giải điều chế lkd ,

^ được biểu diễn dưới dạng số:

lkd ,

^ = )(

1

0

'

S

)( aSSFFT

ntkTjlN

naSk

a entkTuTt +−

=∑ + ω (2.15)

Tách sự biểu diễn thành phần mũ thành tích hai thành phần (2.15) được viết lại

dưới dạng:

lkd ,

^ = aSSS

FFTntjlkTjl

N

naSk

a eentkTuTt ωω −−

=∑ +

1

0

'

S

)( (2.16)

Với T12S πω = , thì 12 == −− πω jlkkTjl ee SS

Mặt khác, FFT

aS

aS Nt

Tt ππω 212 == nên (2.16) viết lại:

t (k-1)T

(k-1)TS

kT

kTS

Page 32: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 2: Kỹ thuật điều chế OFDM http://4tech.com.vn/

SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 12

lkd ,

^ = FFT

FFTNnj

N

naSk entkTu

N/2

1

0

'

FFT

)(1 π−

=∑ + ( 2.17)

Biểu thức trên chính là phép biễu diễn DFT với chiều dài NFFT.

2.4 Ứng dụng và hướng phát triển của kỹ thuật điều chế OFDM

Ngày nay, kĩ thuật OFDM đã được tiêu chuNn hoá là phương pháp điều chế

cho các hệ thống phát thanh số như DAB (Digital Audio Broadcasting), DRM

(Digital Radio Mondiale - hệ thống phát thanh số đường dài thay cho hệ thống

AM), các hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T (Digital Video Broadcasting for

Terrestrial Transmission Mode), DVB-H (Digital Video Broadcasting for

Handheld) và ít người biết rằng sự nâng cao tốc độ đường truyền trong hệ thống

ADSL là nhờ kĩ thuật OFDM.Nhờ kĩ thuật điều chế đa sóng mang và cho phép

chồng lấn phổ giữa các sóng mang mà tốc độ truyền dẫn trong ADSL tăng lên đáng

kể.

2.4.1 Hệ thống DRM

Hình 2.11 Hệ thống DRM

Mã hoá nguồn

Tiền mã hoá

Ghép kênh

Tiền mã hoá

Phân tán năng lượng

Mã hoá kênh

Ghép xen

Phát pilot

Mã hoá kênh

Phân tán năng lượng

Phân tán năng lượng

Mã hoá kênh

Tiền mã hoá

Thông tin truy nhập kênh

Thông tin mô tả DV

Dữ liệu

Dữ liệu

Ánh xạ

OFDM

Page 33: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 2: Kỹ thuật điều chế OFDM http://4tech.com.vn/

SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 13

DRM là hệ thống phát thanh số thay thế cho hệ thống phát thanh truyền thống

AM. Tần số sóng mang cho hệ thống DRM tương đối thấp, nhỏ hơn 30MHz, phù

hợp cho việc truyền sóng khoảng cách lớn. Môi trường truyền sóng của hệ thống là

kênh phân tập đa đường có sự tham gia phản xạ mặt đất và tầng điện li nên phạm vi

phủ sóng của DRM rất lớn, có thể phủ sóng đa quốc gia hay liên lục địa.

Các tham số cơ bản của DRM theo ETSI, như sau:

Độ rộng băng: B=9.328kHz

Độ dài FFT: NFFT= 256.

Số sóng mang được sử dụng để truyền tin: NC=198.

Do trễ truyền dẫn tương đối lớn nên hệ thống DRM được thiết kế chỉ dành cho

các máy thu tĩnh hay xách tay. Điều này khác hẳn so với hệ thống DAB hay DVB

được thiết kế cho máy thu có tốc độ di chuyển tương đối lớn như ô tô, tàu hoả….

2.4.2 Các hệ thống DVB

2.4.2.1 DVB-T

• Giới thiệu :

Thế hệ máy phát số ra đời khắc phục nhược điểm của máy phát tương tự như

khả năng mang nhiều chương trình trên một kênh RF, hỗ trợ khả năng thu tín hiệu

đa đường và thu di động… Máy phát số DVB-T và máy phát hình tương tự giống

nhau, chỉ khác nhau phần điều chế.

Hình 2.12 Sơ đồ khối bộ DVB-T

• Đặc điểm :

Tín hiệu truyền đi được tổ chức thành từng khung, cứ 4 khung liên tiếp tạo

thành 1 siêu khung.Lí do của việc tạo khung là để phục vụ tổ chức mang thông tin

Page 34: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 2: Kỹ thuật điều chế OFDM http://4tech.com.vn/

SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 14

tham số của phía phát bằng các sóng mang báo hiệu thông số phía phát

(Transmission Parameters Signalling carriers- TPS). Việc hình thành siêu khung là

để chèn đủ số nguyên lần gói mã sửa sai reed-Solomon 204 byte trong dòng truyền

tải MPEG-2 dù ta chọn bất kì cấu hình nào để tránh việc chèn thêm các gói đệm

không cần thiết. Mỗi khung chứa 68 symbol OFDM trong miền thời gian được đánh

số từ 0 đến 67.Mỗi symbol này chứa hàng ngàn sóng mang (6817 với chế độ 8K,

1705 với chế độ 2K) nằm dày đặc trong dải thông 8MHz (ở nước ta chọn dải thông

8MHz, một số nước khác chọn 7MHz). Như vậy, một symbol ODFM sẽ chứa:

Sóng mang dữ liệu: được điều chế M-QAM, với mode 8K là 6048

sóng mang và mode 2K là 1512.

Sóng mang dẫn đường (pilot symbol, mang thông tin phía phát để

khôi phục tín hiệu: các pilot này thường được điều chế BPSK với mức

công suất 2.5dB

Pilot liên tục: gồm 177 pilot với mode 8K, 15 với mode 2K, có vị trí

cố định trong 8MHz để phía thu sửa lỗi tần số và pha, tự động điều

chỉnh tần số.

Pilot rời rạc: 524 với mode 8K, 131 với mode 2K, không có vị trí cố

định trong miền tần số nhưng được rải đều trong dải tần 8MHz, giúp

đầu thu tự động điều chỉnh để đạt đáp ứng kênh tốt nhất.

Sóng mang thông số phát TPS: chứa nhóm thông số phát được điều

chế BPSK, gồm 68 sóng mang trong mode 8K, 17 trong mode 2K

luôn có vị trí cố định trong biểu đồ chòm sao BPSK và trong dải

thông 78MHz.

Để tránh nhiễu giữa các kí hiệu ISI và nhiễu tương hỗ giữa các sóng mang ICI,

nguời ta thực hiện chèn thêm chuỗi bảo vệ GI vào mỗi symbol. Việc chèn thêm này

được thực hiện bên phía phát với thời gian bảo vệ TG khác nhau theo quy định của

DVB: 1/4 TU, 1/8 TU, 1/16TU, 1/32 TU (TU: chiều dài phần tín hiệu có ích).

Page 35: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 2: Kỹ thuật điều chế OFDM http://4tech.com.vn/

SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 15

2.4.2.2 DVB-H : Điện thoại di động truyền hình

• Sơ đồ:

Hình 2.13 Sơ đồ thu của DVB-H

Cấu trúc máy thu của điện thoại di động DVB-H được cho trên hình gồm 2

phần:

Một bộ giải điều chế DVB-H (gồm khối điều chế DVB-T, module Time

slicing và module MPE-FEC) và một đầu cuối DVB-H.

Tín hiệu vào là tín hiệu DVB-T. Khối điều chế DVB-T thu lại các gói dòng

truyền tải MPEG-2, tín hiệu này cung cấp các mode truyền dẫn (2K, 8K và

4K) với các tín hiệu mang thông số truyền dẫn - TPS tương ứng.Module

Time Slicing giúp tiết kiệm công suất tiêu thụ và hỗ trợ việc chuyển giao

mạng linh hoạt hơn. Module MPE-FEC cung cấp mã sửa lỗi tiến cho phép bộ

thu có thể đương đầu với các điều kiện thu đặc biệt khó khăn. Tín hiệu ra

khỏi giải điều chế DVB-H có dạng các gói của dòng truyền tải TS hoặc các

IP Datagrams (khi thu tín hiệu DVB-H).Đầu cuối DVB-H giải mã các IP

Datagrams,hiển thị nội dung của các chương trình DVB-H.

Page 36: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 2: Kỹ thuật điều chế OFDM http://4tech.com.vn/

SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 16

Hiện nay nhiều hãng sản xuất điện thoại đã có các thế hệ ĐTDĐ DVB-H đầu

tiên: NOKIA 7700 và 7710, PHILIPS HoTMAN 2, SIEMENS…

Kiến trúc ban đầu của các máy ĐTDĐ DVB-H hiện nay gồm:

Điện thoại tích hợp 3 băng tần số: GSM, GPRS và UMTS (3G).

Bộ thu DVB-H.

Camera 1.3M pixel.

Màn hiển thị VGA (640 x 480).

Màn hình cảm biến - touch screen.

Âm thanh ngõ ra Stereo.

Hỗ trợ chuNn không dây Bluetooth.

Bộ nhớ trong có dung lượng 1Gbit

Hãng NOKIA tuyên bố từ nay hãng sẽ tung ra thị trường khoảng 60 thiết bị

sang trọng có tích hợp DVB-H .

DVB-H đang có những ưu thế vượt trội của mình: Tiết kiệm năng lượng Pin

tới 90%, thu tín hiệu trong môi trường di động tốt, tín hiệu được đóng gói dạng IP

và truyền tín hiệu dưới dạng quảng bá tới các máy điện thoại di động. Bởi vậy ứng

dụng công nghệ quảng bá DVB-H cho đường xuống (downlink) của các máy điện

thoại trong mạng di động dường như là một giải pháp mang tính đột phá mà các thế

hệ mạng viễn thông 2G (GSM); 2,5G (GPRS) và 3G (UMTS) hiện nay chưa thể

khắc phục ngay được. Đó là không bị hạn chế về băng thông khi tại cùng một thời

điểm số thuê bao sử các dụng dịch vụ truyền hình trực tuyến tăng vọt.

Sự hội tụ giữa công nghệ quảng bá DVB-H và viễn thông đang được các hãng

truyền thông lớn trên thế giới thử nghiệm tại nhiều nước trên thế giới (mô hình

DVB-H & GPRS hay DVB-H & UMTS) và đã chính thức đưa ra sản phNm của

mình vào đầu năm 2005 như Nokia, Philips, Siemens...các hãng sản suất máy phát

số hàng đầu thế giới (Harris, Intelco, Rohde&Schwarz...) cũng đã xuất xưởng các

thiết bị tích hợp công nghệ DVB-H. Cuộc đua giữa điện thoại di động 3G và điện

thoại di động truyền hình DVB-H đã bắt đầu! Với những ưu thế của mình, ĐTDĐ

Page 37: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 2: Kỹ thuật điều chế OFDM http://4tech.com.vn/

SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 17

truyền hình công nghệ DVB-H đang mở ra những triển vọng mới cho người sử

dụng.

STT Đặc điểm DVB-T DVB-H

1

Tốc độ bit của một kênh

truyền hình có độ nét tiêu

chuNn SDTV

4-5 Mbit/s 128-384 Kbit/s

2 Màn hiển thị Màn hình TV cỡ trung bình và

lớn.

Màn hình điện

thoại nhỏ.

3 Anten

Anten trên mái nhà (anten

Yagi), trong nhà (anten roi)

hoặc anten trên ôtô.

Anten bên trong

điện thoại.

4 Nguồn cung cấp Cố định và là nguồn liên tục.

Nguồn năng

lượng Pin và có

giới hạn.

5 Chế độ thu

Thu cố định, thu xách tay trong

nhà và thu trên phương tiện

giao thông.

Các máy cầm tay

di động.

Bảng 2.1 So sánh giữa DVB-T và DVB-H

Hiện nay với công nghệ phát số mặt đất (DVB-T) chúng ta có thể phát được

khoảng 6-7 chương trình TV (SDTV) trên một kênh sóng (với tốc độ tổng là 27,14

Mbit/s). Trong khi đó công nghệ IP Datacast (DVB-H) dễ dàng tương thích với các

màn hình cỡ nhỏ (vài inch) của các đầu cuối cầm tay. Với màn hình nhỏ thì chỉ với

tốc độ 128-384 Kbit/s trên một kênh (hay một chương trình TV yêu cầu) đã có thể

phân phối một kênh video chất lượng cao. Chính công nghệ này đã làm tăng hiệu

quả của quá trình phát quảng bá và có thể truyền được từ 10 đến 55 chương trình

TV trên một kênh sóng.

Page 38: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 2: Kỹ thuật điều chế OFDM http://4tech.com.vn/

SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 18

Ngoài ra, trong hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 (4G), kĩ thuật OFDM

còn còn thể kết hợp với các kĩ thuật khác như phân tập anten (MIMO- Multi In

Multi Out- đa anten phát thu) nhằm nâng cao dung lượng kênh vô tuyến và kết hợp

với CDMA nhằm phục vụ dịch vụ đa truy nhập vào mạng.Một vài hướng nghiên

cứu với mục đích thay đổi phép biến đổi FFT trong bộ điều chế OFDM bằng

Wavelet nhằm cải thiện sự nhạy cảm của hệ thống đối với hiệu ứng dịch tần do mất

đồng bộ và giảm độ dài tối thiểu của chuỗi bảo vệ trong OFDM; tuy nhiên, khả

năng ứng dụng những kĩ thuật này cần được kiểm chứng trong tương lai.

Kết luận chương: Trong chương này đã trình bày những vấn đề cơ bản của

kỹ thuật điều chế OFDM, những ưu nhược điểm, nguyên lý điều chế, giải

điều chế. Qua đó chúng ta sẽ dễ dàng hơn trong việc nghiên cứu kỹ thuật đa

truy nhập phân tần trực giao OFDMA được sử dụng trong công nghệ

WiMAX sẽ trình bày ở chương 3.

Page 39: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 3: Kỹ thuật OFDMA trong WiMAX http://4tech.com.vn/

SVTH :Trần Văn Xang – Lớp 03DT3 Trang 19

CHƯƠNG 3

KỸ THUẬT OFDMA TRONG WiMAX

Giới thiệu chươn: Trong chương 3 này sẽ trình bày về những khái niệm cơ

bản, các đặc điểm và tính chất nổi bật của kỹ thuật đa truy nhập phân tần

trực giao OFDMA. Qua đó chúng ta có thể thấy được những ưu điểm của kỹ

thuật này trong việc xử lý truyền nhận tín hiệu nói chung và ứng dụng trong

công nghệ WiMAX nói riêng.

3.1 Giới thiệu kỹ thuật OFDMA

OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access - Đa truy nhập

phân tần trực giao ) là một công nghệ đa sóng mang phát triển dựa trên nền kĩ thuật

OFDM. Trong OFDMA, một số các sóng mang con, không nhất thiết phải nằm kề

nhau, được gộp lại thành một kênh con (sub-channel) và các user khi truy cập vào

tài nguyên sẽ được cấp cho một hay nhiều kênh con để truyền nhận tùy theo nhu

cầu lưu luợng cụ thể.

3.2 Đặc điểm

OFDMA có một số ưu điểm như là tăng khả năng linh hoạt, thông lượng và

tính ổn định đươc cải thiện.Việc ấn định các kênh con cho các thuê bao cụ thể, việc

truyền nhận từ một số thuê bao có thể xảy ra đồng thời mà không cần sự can thiệp

nào, do đó sẽ giảm thiểu những tác động như nhiễu đa truy xuất (Multi access

Interfearence- MAI)

Page 40: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 3: Kỹ thuật OFDMA trong WiMAX http://4tech.com.vn/

SVTH :Trần Văn Xang – Lớp 03DT3 Trang 20

Hình 3.1 ODFM và OFDMA

Hình 3.2 mô tả một ví dụ về bảng tần số thời gian của OFDMA, trong đó có 7

người dùng từ a đến g và mỗi người sử dụng một phần xác định của các sóng mang

phụ có sẵn,khác với những người còn lại.

F A d A D a D

A d A D a D

A c e A c E a c E

A c e A c E a c E

B e g B E g b E g

B e g B E g b E g

B F g B F g b F g

B F g B F g b F g

t

Hình 3.2 Ví dụ của biểu đồ tần số, thời gian với OFDMA.

Page 41: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 3: Kỹ thuật OFDMA trong WiMAX http://4tech.com.vn/

SVTH :Trần Văn Xang – Lớp 03DT3 Trang 21

Thí dụ cụ thể này thực tế là sự hỗn hợp của OFDMA và TDMA bởi vì mỗi

người sử dụng chỉ phát ở một trong 4 khe thời gian, chứa 1 hoặc vài symbol

OFDM. 7 người sử dụng từ a đến g đều được đặt cố định (fix set) cho các sóng

mang theo bốn khe thời gian.

3.3 OFDMA nhảy tần

Trong ví dụ trước của OFDMA, mỗi người sử dụng đều có một sự sắp đặt cố

định (fix set) cho sóng mang. Có thể dễ dàng cho phép nhảy các sóng mang phụ

theo khe thời gian như được mô tả trong hình.

Việc cho phép nhảy với các mẫu nhảy khác nhau cho mỗi user làm biến đổi

thực sự hệ thống OFDM trong hệ thống CDMA nhảy tần. Điều này có lợi là tính

phân tập theo tần số tăng lên bởi vì mỗi user dùng toàn bộ băng thông có sẵn cũng

như là có lợi về xuyên nhiễu trung bình, điều rất phổ biến đối với các biến thể của

CDMA. Bằng cách sử dụng mã sửa lỗi hướng đi (Forward Error Correcting - FEC)

trên các bước nhảy, hệ thống có thể sửa cho các sóng mang phụ khi bị fading sâu

hay các sóng mang bị xuyên nhiễu bởi các user khác. Do đặc tính xuyên nhiễu và

fading thay đổi với mỗi bước nhảy, hệ thống phụ thuộc vào năng lượng tín hiệu

nhận được trung bình hơn là phụ thuộc vào user và năng lượng nhiễu trong trường

hợp xấu nhất.

f A b

c

c B

A

B c

B a

C

A

t

Hình 3.3 Biểu đồ tần số thời gian với 3 người dùng nhảy tần a, b, c đều có 1 bước

nhảy với 4 khe thời gian.

Page 42: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 3: Kỹ thuật OFDMA trong WiMAX http://4tech.com.vn/

SVTH :Trần Văn Xang – Lớp 03DT3 Trang 22

Ưu điểm cơ bản của hệ thống OFDMA nhảy tần hơn hẳn các hệ thống DS-

CDMA và MC-CDMA là tương đối dễ dàng loại bỏ được xuyên nhiễu trong một tế

bào bằng cách sử dụng các mẫu nhảy trực giao trong một tế bào.

Một ví dụ của việc nhảy tần như vậy được mô tả trong hình 3.4 cho N sóng

mang phụ,nó luôn luôn có thể tạo ra N mẫu nhảy trực giao.

A F e D c b

B A f E d c

C B a F e d

D C b A f e

E D c B a f

F E d C b a

Hình 3.4 6 mẫu nhảy tần trực giao với 6 tần số nhảy khác nhau

3.4 Hệ thống OFDMA

Hình 3.5: Tổng quan hệ thống sử dụng OFDMA

Điềuchế băng tần gốc

Chèn ký tự dẫn đường

IFFT Chèn GI DAC

DAC Tách GI IFFT

Tách ký tự dẫn đường

Cân bằng kênh

Khôi phục kênh truyền

Giải điều chế băng tần gốc

Kênh truyền

Page 43: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 3: Kỹ thuật OFDMA trong WiMAX http://4tech.com.vn/

SVTH :Trần Văn Xang – Lớp 03DT3 Trang 23

Nguồn tín hiệu làm một bít được điều chế ở băng tần cơ sở thông qua các

phương pháp điều chế như QPSK ,M- QAM… Tín hiệu dẫn đường (bản tin dẫn

đường, kênh hoa tiêu - pilot symbol) được chèn vào nguồn tín hiệu, sau đó được

điều chế thành tín hiệu OFDM thông qua biến đổi IFFT và chèn chuỗi bảo vệ GI.

Luồng tín hiệu số được chuyển thành tín hiệu tương tự trước khi truyền trên kênh

vô tuyến qua anten phát. Tín hiệu này sẽ bị ảnh hưởng bởi fading và nhiễu trắng

AWGN( Addictive White Gaussian Noise ).

Tín hiệu dẫn đường là mẫu tín hiệu được biết trước ở phía phát và phía thu,

được phát kèm với tín hiệu có ích nhằm khôi phục kênh truyền và đồng bộ hệ

thống.

Hình 3.6 Mẫu tín hiệu dẫn đường trong OFDMA

Phía máy thu sẽ thực hiện ngược lại so với máy phát. Để khôi phục tín hiệu

phát thì hàm truyền phải được khôi phục nhờ vào mẫu tin dẫn đường đi kèm. Tín

hiệu nhận được sau khi giải điều chế OFDM được chia làm hai luồng tín hiệu.

Luồng thứ nhất là tín hiệu có ích được đưa đến bộ cân bằng kênh. Luồng thứ hai là

mẫu tin dẫn đường được đưa vào bộ khôi phục kênh truyền, sau đó lại được đưa đến

bộ cân bằng kênh để khôi phục lại tín hiệu ban đầu.

Page 44: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 3: Kỹ thuật OFDMA trong WiMAX http://4tech.com.vn/

SVTH :Trần Văn Xang – Lớp 03DT3 Trang 24

Đối với kênh hướng xuống :

Hình 3.7 OFDMA downlink

Hình 3.8 Cấu trúc cụm trong OFDMA downlink

Cấu trúc cụm bao gồm 1 kênh con trong miền tần số và n kí hiệu OFDM trong

miền thời gian, chứa N sóng mang. Mỗi sóng mang có thể được điều chế khác nhau.

Page 45: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 3: Kỹ thuật OFDMA trong WiMAX http://4tech.com.vn/

SVTH :Trần Văn Xang – Lớp 03DT3 Trang 25

Đối với kênh hướng lên :

Hình 3.9 OFDMA uplink

Hình 3.10 Cấu trúc cụm trong OFDMA uplink

Cấu trúc cụm gồm 1 kênh con trong miền tần số và 3 kí hiệu OFDM trong miền

thời gian, mỗi cụm chứ 144 sóng mang dữ liệu, sử dụng điều chế thích nghi trên

Page 46: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 3: Kỹ thuật OFDMA trong WiMAX http://4tech.com.vn/

SVTH :Trần Văn Xang – Lớp 03DT3 Trang 26

từng user; mỗi user có thể yêu cầu từ 1 đến 32 kênh con; 2 kênh con được sử dụng

làm ranging (phép đo cự li bằng cách đo thời gian truyền của tín hiệu điện từ) và

yêu cầu băng thông (nếu có) của user .

Khi cấp sóng mang cho các user, OFDMA tạo ra một dãy cơ bản các sóng

mang rồi thực hiện dịch vòng dãy khi cấp cho các user khác nhau.

3.4.1 Chèn chuỗi dẫn đường ở miền tần số và miền thời gian

Hình 3.11 Chèn chuỗi dẫn đường trong miền tần số và thời gian

Mẫu tin dẫn đường có thể được chèn cùng với mẫu tin có ích ở cả miền tần số

và miền thời gian như trên hình. Tuy nhiên khoảng cách giữa hai mẫu tín hiệu dẫn

đường liên tiếp nhau tuân theo quy luật lấy mẫu cả ở miền tần số và miền thời gian.

Ở miền tần số, sự biến đổi kênh vô tuyến phụ thuộc thời gian trễ truyền dẫn lớn

nhất của kênh τmax (maximum propagation delay or delay spread). Với rf là tỉ số lấy

mẫu (oversampling) ở miền tần số, fs là khoảng cách liên tiếp giữa hai sóng mang

con, khoảng cách giữa hai mẫu tin dẫn đường ở miền tần số Df phải thoả mãn điều

kiện sau:

max

1 1ff S

rD f τ= ≥ (3.1)

t

f

Page 47: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 3: Kỹ thuật OFDMA trong WiMAX http://4tech.com.vn/

SVTH :Trần Văn Xang – Lớp 03DT3 Trang 27

Tỉ số lấy mẫu tối thiểu ở miền tần số rf phải là 1. Tỉ số này có thể lớn hơn 1, khi

đó, số mẫu tin dẫn đường nhiều hơn mức cần thiết và kênh truyền được lấy mẫu

vượt mức (oversampling). Trong trường hợp khoảng cách giữa hai mẫu tin dẫn

đường không thỏa mãn điều kiện lấy mẫu như trên, rf <1, thì kênh truyền không thể

được khôi phục hoàn toàn thông qua mẫu tin dẫn đường.

Tương tự như ở miền tần số, khoảng cách giữa hai mẫu tin dẫn đường liên tiếp

trong miền thời gian Dt cũng phải thỏa mãn điều kiện lấy mẫu tương ứng. Sự biến

đổi của hàm truyền vô tuyến ở miền thời gian phụ thuộc vào tần số Doppler. Theo

tiêu chuNn lấy mẫu thì khoảng cách Dt phải thoả mãn điều kiện:

max

1 12 ( )f

D t S S

rf D T T

= ≥+ (3.2)

Tỉ số rt được gọi là tỉ số lấy mẫu ở miền thời gian. Trong trường hợp điều kiện

trên không thoả mãn thì hàm truyền kênh vô tuyến cũng không thể khôi phục hoàn

toàn ở máy thu.

3.4.2 Điều chế thích nghi

Điều chế thích nghi (adaptive modulation) cho phép hệ thống điều chỉnh

nguyên lý điều chế tín hiệu theo tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SN R) của đường truyền vô

tuyến. Khi đường truyền vô tuyến có chất lượng cao, nguyên lý điều chế cao nhất

được sử dụng làm tăng thêm dung lượng hệ thống. Trong quá trình suy giảm tín

hiệu, hệ thống WiMAX có thể chuyển sang một nguyên lý điều chế thấp hơn để duy

trì chất lượng và sự ổn định của đường truyền. Đặc điểm này cho phép hệ thống

khắc phục hiệu ứng fading lựa chọn thời gian. Đặc điểm quan trọng của điều chế

thích nghi là khả năng tăng dải sử dụng của nguyên lý điều chế ở mức độ cao hơn,

do đó hệ thống có tính mềm dẻo đối với tình trạng fading thực tế.

Page 48: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 3: Kỹ thuật OFDMA trong WiMAX http://4tech.com.vn/

SVTH :Trần Văn Xang – Lớp 03DT3 Trang 28

Hình 3.12 Điều chế thích nghi

Kỹ thuật điều chế và mã hoá thích nghi là một trong những ưu việt của OFDM

vì nó cho phép tối ưu hoá mức điều chế trên mỗi kênh con dựa trên chất lượng tín

hiệu (tỷ lệ SN R) và chất lượng kênh truyền dẫn.

3.4.3 Các kĩ thuật sửa lỗi

N goài mã xoắn rất phổ biến sử dụng trong các hệ thống vô tuyến, WiMAX

cũng như cá hệ thống OFDM thường sử dụng một số mã sau:

3.4.3.1 Mã hóa LDPC (Low-Density-Parity-Check)

Với những người thiết kế thông tin, đặc biệt trong lĩnh vực không dây và hệ

thống mạng, giới hạn Shannon được xem như là kỳ vọng cao nhất. Đến nay các nhà

thiết kế đã phát triển và cải thiện các kỹ thuật mã hoá sửa sai nhằm đưa hiệu suất

O F D M C e lls(6 4 m o d e )

O F D M A C e ll(2 k m o d e )

6 4 Q A M u se rs1 6 Q A M u se rsQ P S K u se rs

Page 49: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 3: Kỹ thuật OFDMA trong WiMAX http://4tech.com.vn/

SVTH :Trần Văn Xang – Lớp 03DT3 Trang 29

kênh ngày càng tiến gần tới giới hạn Shannon. Việc tìm ra các phương án FEC là

một nhu cầu trong việc nâng cao hiệu suất truyền tin, LDPC là một trong những

phương án đó.

Mã LDPC đã đưa đến giải pháp FEC mà khi thực hiện tiến gần hơn tới giới hạn

Shannon. Mã LDPC dựa trên cơ sở ma trận H chứa một vài giá trị "1".Mã hoá được

thực hiện bằng việc sử dụng các đẳng thức từ ma trận H để tạo ra các bit kiểm tra

chẵn lẻ. Quá trình giải mã được thực hiện bằng sử dụng "cổng vào mềm" với các

đẳng thức trên để xác định các trị số đã gửi. Quá trình xử lý được lặp theo phương

pháp tương tác trong bộ mã hoá tốc độ cao. Mã LDPC có thể gây ra nền lỗi là điểm

yếu chung của TCCs. Để chỉ ra nền lỗi, các mã đầu ra như là phương pháp BCH có

thể phối hợp với công nghệ LDPC.Mã đầu ra BCH có hiệu ứng nền lỗi thấp. Các

công nghệ quảng bá video số sử dụng phương pháp này để phát triển tiêu chuNn

DVB-S2.

Với khả năng linh hoạt của LDPC, mã có thể được xây dựng chính xác theo

đúng kích cỡ của khối hoặc tỷ lệ mã, tuy vậy thực hiện thực tế có thể buộc phải xác

định trước kích cỡ khối và tốc độ mã có thể đạt được. Sau khi xác định kích cỡ khối

và tốc độ mã, ma trận H được xây dựng với n cột và (n-k) hàng có chứa một vài giá

trị “1”.

Ma trận H được xây dựng thích hợp là ma trận có khoảng cách tối thiểu (dmin)

lớn. Khi đó sẽ có số lượng “1” trong ma trận H nhỏ và như vậy số lượng cột của H

cần có để có tổng bằng 0 hướng tới như các mã được xây dựng ngẫu nhiên. Khoảng

cách tối thiểu trong ví dụ mã sau chỉ là 4, do đó có thể chỉ cần xem xét các cột 0, 1,

3 và 4 của ma trận H.

Ví dụ về tạo mã: Một bộ tạo mã LDPC đơn giản được sử dụng để giới thiệu về

mã (16,9) với ma trận H sau.Các tham số trong ví dụ là:

k bit bản tin = 9

n-k bit chẵn lẻ = 7

Tỷ lệ mã = k/n = 9/16

Page 50: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 3: Kỹ thuật OFDMA trong WiMAX http://4tech.com.vn/

SVTH :Trần Văn Xang – Lớp 03DT3 Trang 30

Hình 3.13 Ví dụ về một ma trận mã LDPC

Trong ví dụ mã trên, các cột từ n0 đến n8 tương ứng với phần bản tin của khối

mã, còn các cột từ n9 đến n15 tương ứng với (n-k) bit chẵn lẻ và ở ma trận con thì

phía dưới có dạng hình tam giác nhằm đơn giản hoá hơn quá trình mã hoá.Ví dụ,

mã hoá bit chẵn lẻ n9 chỉ cần biết n0, n1 và n2. Đẳng thức logic cơ số 2 có thể viết

được trực tiếp từ hàng của ma trận H theo dạng của bộ tạo mã LDPC như sau:

Viết đẳng thức chẵn lẻ cho hàng đầu tiên để tạo mã n9

n0 + n1 + n2 + n9 = 0

n9 = n0 + n1 + n2

Tiếp tục thực hiện với các hàng còn lại sẽ có đầy đủ 7 đẳng thức

n9 = n0 + n1 + n2

n10 = n3 + n4 + n5

n11 = n6 + n7 + n8

n12 = n0 + n3 + n6

n13 = n1 + n4 + n7

n14 = n2 + n5 + n8

n15 = n12 + n13 + n14

Để hoàn chỉnh bộ tạo mã LDPC, người thiết kế cần chuyển các đẳng thức logic

cơ số 2 thành các mạch điện 3 đầu vào đảo (exclusive) hoặc cổng XOR và thanh ghi

các đầu ra. Để mã hoá có hệ thống,thứ tự các bit truyền trong kênh cần bảo đảm thứ

tự là n0 ... n15. Sử dụng phương pháp này sẽ không cần đến yêu cầu xác định ma

Page 51: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 3: Kỹ thuật OFDMA trong WiMAX http://4tech.com.vn/

SVTH :Trần Văn Xang – Lớp 03DT3 Trang 31

trận sinh mà thay vào đó là phương pháp sử dụng lần lượt các đẳng thức ma trận

sinh để mã hoá dữ liệu.

• Bộ giải mã LDPC

Bộ giải mã LDPC nhận các khối dữ liệu,gồm cả các bit sai do nhiễu, với 5

hoặc 6 bit sửa sai sẽ quyết định giá trị 0 hay 1 của bit nhận được. Giải mã khối sử

dụng quá trình lặp gồm việc giải (n-k) đẳng thức kiểm tra chẵn lẻ của ma trận

H.Việc giải các đẳng thức trong trường hợp này có nghĩa cập nhật các giá trị thật

của các bit trong các đẳng thức là 1 hay 0 sử dụng truyền lan tin cậy hoặc các xấp xỉ

đơn giản của truyền lan tin cậy. Quá trình này được lặp lại nhiều vòng, thường từ 30

đến 60, để giải mã hoàn toàn khối dữ liệu nhận được.

Bộ giải mã có thể dừng khi một từ mã đã được xác định đúng (thoả mãn tất cả

các đẳng thức kiểm tra chẵn lẻ) hoặc khi thời gian qui định hết mà không tìm được

từ mã. Các khối kích thước lớn và tương tác mở rộng sẽ nâng cao hiệu suất của mã

nhưng cả hai sẽ yêu cầu năng lực xử lý, tốc độ dữ liệu và bộ nhớ chiếm dụng cao

hơn.

Mã LDPC đang chứng minh rằng nó đạt độ tăng ích mã tuyệt vời với dải tỷ lệ

mã và kích cỡ khối rộng. Lợi ích chính khi sử dụng LDPC là hiệu suất tăng ích đo

được theo dB có thể được sử dụng theo nhiều cách như giảm công suất truyền,tăng

thông lượng số liệu,khoảng cách truyền xa hơn, hoặc tăng độ tin cậy của đường

truyền thông tin. Khi công suất phát bị giới hạn thì độ tăng ích mã hoá do mã LDPC

tạo ra sẽ là sự khác biệt giữa thông tin chính xác và không có thông tin.

3.4.3.2 Mã hoá Reed-Solomon

• Giới thiệu:

Đặc điểm quan trọng của mã RS là khoảng cách tối thiểu trong bộ mã (n,k) là

n-k+1. Với bất kì giá trị nguyên dương t≤ 2m-1 luôn tồn tại mã RS sửa t symbol

lỗi.Ví dụ:

n = 2m-1

n-k=2t

k= 2m-1-2t

dmin = 2t+1=n-k+1

Page 52: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 3: Kỹ thuật OFDMA trong WiMAX http://4tech.com.vn/

SVTH :Trần Văn Xang – Lớp 03DT3 Trang 32

Đa thức sinh sẽ là: 2 2tg(x) (x )(x )...(x )= +∝ +∝ +∝

= 22t 1 2t

0 1x 2t 12xg g g ... g x x−

−+ + + + + (3.3)

với 2 2 t, ,...,∝ ∝ ∝ là các nghiệm.

Ví dụ: m = 8 , t = 16

n = 255

k = n – 2t = 223

dmin = 33 (3.4)

• Cách tạo mã:

Cho đa thức m(x) là thông tin cần mã hoá, k = n-2t

m(x) = m0+m1x+…+mk-1xk-1

Thực hiện chia x2tm(x) cho g(x), ta được b(x) là phần dư:

x2tm(x) = a(x)g(x)+b(x)

b(x) = b0+b1x+…b2t-1x2t-1 (3.5)

Cuối cùng, đa thức mã hoá sẽ là : b(x)+x2tm(x)

Sơ đồ tạo mã:

Hình 3.14 Sơ đồ tạo mã RS

• Giãi mã:

Với c(x) là đa thức mã gửi đi, r(x) là đa thức nhận được và e(x) là lỗi tác động.

n 1

0 1 n 1c(x) c c x ... c x −−= + + +

Page 53: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 3: Kỹ thuật OFDMA trong WiMAX http://4tech.com.vn/

SVTH :Trần Văn Xang – Lớp 03DT3 Trang 33

n 10 1x n 1r(x) r r x ... r x −

−= + + + (3.6)

e(x) r(x) c(x)= −

2 n 1

0 1 2 n 1e e x e x ... e x −−= + + + +

Giả sử e(x) có v lỗi tại các vị trí xj1, xj2, xjv..

j1 j2 ... jv

j1 j2 jve(x) e x e x e x+ += + (3.7)

Vị trí các lỗi là: j1 j2 jvj1 j2 jvZ , Z ,..., Z=∝ =∝ =∝

Các giá trị lỗi là: j1 j2 jve , e ,..., e

• Tính syndrome:

Hình 3.15 Sơ đồ syndrome thu của RS

n 1

0 1x n 1r(x) r r x ... r x −−= + + +

i i ic( ) m( )g( ),i 1,2,...,2t∝ = ∝ ∝ = (3.8)

với i∝ là các nghiệm trong đa thức sinh.

Ta có mối quan hệ: n 1

i i i i ijj

j 0

r( ) c( ) e( ) e( ) e−

=

∝ = ∝ + ∝ = ∝ = ∝∑

Syndrome nhận đựơc là: 1 2 2tS (S ,S ,...,S )=

với các giá trị: i

iS r( )= ∝

Page 54: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 3: Kỹ thuật OFDMA trong WiMAX http://4tech.com.vn/

SVTH :Trần Văn Xang – Lớp 03DT3 Trang 34

3.5 Điều khiển công suất

Thông thường, với hệ thống thông tin di động, điều khiển công suất bao gồm

điều khiển công suất vòng hở và điều khiển công suất vòng kín nhằm thay đổi công

suất phát của MS tương ứng với khoảng cách với BTS.

• Điều khiển công suất vòng hở: BTS đo cường độ trường tại điểm thu, tính ra

cự li, tính ra công suất phát phù hợp.

• Điều khiển công suất vòng kín: MS đo cường độ trường,gửi lên BSC, BSC

sẽ tính tóan cho MS tăng hay giảm công suất cho phù hợp

Trong WiMAX dùng điều khiển công suất vòng kín, các thuật toán điều khiển

công suất được sử dụng để cải tiến hiệu suất tổng thể của hệ thống, nó được thực

hiện nhờ trạm gốc gửi thông tin điều khiển công suất tới từng CPE để ổn định mức

công suất phát sao cho mức thu được tại trạm gốc luôn ở mức định trước. Trong

một môi trường fading thay đổi không ngừng mức hiệu suất định trước này có nghĩa

là CPE chỉ truyền đủ công suất theo yêu cầu, ngược lại mức công suất phát của CPE

sẽ không phù hợp. Công suất phát sẽ làm giảm năng lượng tiêu thụ tổng của CPE và

nhiễu tiềm Nn từ các trạm gốc lân cận.Với LOS, công suất phát của CPE xấp xỉ tỉ lệ

với khoảng cách của nó tới trạm gốc, với N LOS nó phụ thuộc rất nhiều vào khoảng

trống và chướng ngại vật.

Kết luận chương : Trong chương 3 này đã cơ bản trình bày về kỹ thuật

OFDMA, các tính chất, các mã sửa lỗi được sử dụng trong kỹ thuật này. Qua

đó, chúng ta có thể tìm hiểu sâu hơn về kỹ thuật này bằng cách xây dựng một

chương trình mô phỏng đơn gian để thấy được rõ hơn quá trình xử lý truyền

nhận tín hiệu trong công nghệ WiMAX.

Page 55: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 4: Chương trình mô phỏng hệ thống OFDM http://4tech.com.vn/

SVTH : Trần Văn Xang –Lớp 03DT3 Trang 55

CHƯƠNG 4

CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG OFDM

Giới thiệu chương: Để hiểu hơn những vấn đề đã được được trình bày trong

những chương trước. Trong chương cuối cùng này sẽ trình bày chương trình

mô phỏng quá trình xử lý tín hiệu trong WiMAX dựa trên kỹ thuật điều chế

OFDM. Đây là chương trình được viết bằng Matlab, chương trình bao gồm

sơ đồ khối mô phỏng sự phát và thu OFDM, mô phỏng kênh truyền, tính

BER, so sánh tín hiệu OFDM và QAM, sơ đồ khối mô phỏng hệ thống

OFDM bằng simulink của Matlab.

4.1 Mô phỏng hệ thống OFDM bằng simulink

Hình 4.1 Sơ đồ khối bộ phát và thu tín hiệu OFDM

Page 56: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 4: Chương trình mô phỏng hệ thống OFDM http://4tech.com.vn/

SVTH : Trần Văn Xang –Lớp 03DT3 Trang 56

Đầu tiên, bộ phát nhị phân Bernoulli sẽ tạo chuỗi tín hiệu.Chuỗi dữ liệu đầu

vào được mã hoá bởi bộ mã Reed-Solommon và được điều chế bởi bộ Mapping

QPSK. IFFT là hữu ích cho OFDM vì nó phát ra các mẫu của dạng sóng có thành

phần tần số thoả mãn điều kiện trực giao. Dữ liệu sau khi được biến đổi sẽ được

chèn thêm CP và chuỗi huấn luyện để giúp cho qua trình ước lượng kênh và đồng

bộ ở máy thu.

Mô phỏng kênh truyền đưa ra các đặc trưng của kênh truyền vô tuyến chung

như nhiễu, đa đường và xén tín hiệu. Dùng hai khối trong Matlab: Multipath

Rayleigh fading, AWGN

Tín hiệu thu sau khi loại bỏ CP và chuỗi huấn luyện sẽ được đưa vào IFFT để

chuyển các mẫu miền thời gian trở lại miền tần số. Đưa vào bộ ước lượng kênh và

bù kênh để giảm ảnh hưởng kênh truyền đến tín hiệu.Cuối cùng, tín hiệu được giải

điều chế và giải mã RS

Hình 4.3 Phổ tín hiệu OFDM nhận

Hình 4.2 Phổ tín hiệu OFDM truyền

Page 57: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 4: Chương trình mô phỏng hệ thống OFDM http://4tech.com.vn/

SVTH : Trần Văn Xang –Lớp 03DT3 Trang 57

Hình 4.4 Dạng sóng tín hiệu OFDM truyền

Hình 4.5 Dạng sóng tín hiệu OFDM nhận

Hình 4.7 Chòm sao QPSK sau CE Hình 4.6 Chòm sao QPSK trước CE

Page 58: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 4: Chương trình mô phỏng hệ thống OFDM http://4tech.com.vn/

SVTH : Trần Văn Xang –Lớp 03DT3 Trang 58

Hình 4.2 và 4.3 cho thấy tác động của kênh truyền đến phổ tín hiệu OFDM.

Vì kênh truyền là một kênh fading chọn lọc tần số nên phổ tín hiệu OFDM nhận ở

những tần số khác nhau chịu sự tác động khác nhau. Hình 4.4 và 4.5 cho thấy biên

độ tín hiệu OFDM nhận nhỏ hơn biên độ tín hiệu OFDM truyền đi.

Hình 4.6 và 4.7 cho thấy tác dụng của bộ ước lượng và bù kênh.Hình 4.6 chòm

sao QPSK trước khi ước lượng kênh có biên độ và pha rất không ổn định. Hình 4.7

chòm sao QPSK sau khi ước lượng kênh những điểm chỉ dao động nhỏ quanh một

vị trí cố định tức là biên độ và pha gần như ổn định.

Page 59: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 4: Chương trình mô phỏng hệ thống OFDM http://4tech.com.vn/

SVTH : Trần Văn Xang –Lớp 03DT3 Trang 59

4.2 Một số lưu đồ thuật toán của chương trình

4.2.1 Lưu đồ mô phỏng kênh truyền

Hình 4.8 Lưu đồ mô phỏng kênh truyền

Tham khảo mã nguồn Matlab tại file chương trình: ch.m, ch_clipping.m,

ch_noise.m ch_multipath.m,

Bắt đầu

ChuNn hóa tất cả các dữ liệu trước khi sử dụng kênh để so sánh

Thiết lập và tính toán hiệu ứng xén tín hiệu

Thiết lập và tính toán hiệu ứng đa đường

Thiết lập và tính toán nhiễu

Kết thúc

Page 60: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 4: Chương trình mô phỏng hệ thống OFDM http://4tech.com.vn/

SVTH : Trần Văn Xang –Lớp 03DT3 Trang 60

4.2.2 Lưu đồ mô phỏng thu phát tín hiệu OFDM

Hình 4.9 Lưu đồ mô phỏng phát

ký tự OFDM

Hình 4.10 Lưu đồ mô phỏng thu

Ký tự OFDM

Bắt đầu

Đọc dữ liệu vào Chia dữ liệu thành tập hợp song song

Chuyển đổi dữ liệu nhị phân {0,1} thành phân cực {-1,1}

Thực hiện FFT

Thực hiện IFFT

Chuyển tín hiệu song song thành chuỗi nối tiếp

Chuyển đổi dữ liệu phân cực {1,1} thành nhị phân {0,1}

Khôi phục dòng bit bởi đặt dữ liệu miền tần số thành chuỗi nối tiếp

Ghi dữ liệu

Bắt đầu

Kết thúc

Kết thúc

Page 61: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 4: Chương trình mô phỏng hệ thống OFDM http://4tech.com.vn/

SVTH : Trần Văn Xang –Lớp 03DT3 Trang 61

Với lưu đồ thuật toán phát ký tự OFDM tham khảo mã nguồn tại file: tx.m,

read.m, tx_chunk.m, tx_dechunk.m

Với lưu đồ thuật toán thu ký tự OFDM tham khảo mã nguồn tại file: rx.m,

write.m rx_chunk.m, rx_dechunk.m.

4.2.3 Lưu đồ mô phỏng thu phát tín hiệu QAM

Với lưu đồ thuật toán mô phỏng phát tín hiệu QAM tham khảo mã nguồn tại file

chương trình: QAM.m, read.m

Hình 4.11 Lưu đồ mô phỏng phát tín hiệu QAM

Kết thúc

Phát 16-QAM

Chuyển đổi dữ liệu nhị phân {0,1} thành phân cực {-1,1}

N hập số sóng mang

Chuyển dữ liệu phân cực {-1,1} thành 4 mức {-3,-1,1,3}

Số sóng mang = lũy thừa của 2

N hập lại. Số sóng phải mang là lũy thừa của 2

Đ

S

Bắt đầu

Đọc dữ liệu vào

Page 62: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 4: Chương trình mô phỏng hệ thống OFDM http://4tech.com.vn/

SVTH : Trần Văn Xang –Lớp 03DT3 Trang 62

Với lưu đồ thuật toán mô phỏng thu tín hiệu QAM tham khảo mã nguồn tại

file chương trình: QAM.m, write.m

Hình 4.12 Lưu đồ mô phỏng thu tín hiệu QAM

Bắt đầu

Khởi tạo mức 0 cho tốc độ

Tăng số lượng sóng mang cho dữ liệu gốc và thời hạn tần số cao

Khôi phục dữ liệu thành dạng nối tiếp

Sắp xếp chính xác giữa các mức {-3,-1,1,3}

Chuyển dữ liệu phân cực {-1,1} thành nhị phân {0,1}

Kết thúc

Ghi dữ liệu ra

Page 63: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 4: Chương trình mô phỏng hệ thống OFDM http://4tech.com.vn/

SVTH : Trần Văn Xang –Lớp 03DT3 Trang 63

4.2.4 Lưu đồ mô phỏng thuật toán tính BER

Hình 4.13 Lưu đồ mô phỏng thuật toán tính BER

Bắt đầu

Số lượng bit lỗi = 0

i = 1

Lỗi = | Dữ liệu vào(i) - Dữ liệu ra(i)|

Số bit lỗi = số bit lỗi + 1

Kết thúc

i=i+1

BER = 100*số bit lỗi/ Độ dài dữ liệu (%)

Lỗi>0

i<= Độ dài dữ liệu vào

Đ S

Đ

S

Page 64: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 4: Chương trình mô phỏng hệ thống OFDM http://4tech.com.vn/

SVTH : Trần Văn Xang –Lớp 03DT3 Trang 64

4.3 So sánh tín hiệu QAM và OFDM

Hình 4.14 Tín hiệu QAM và OFDM phát ở miền tần số

Hinh 4.15 Tín hiệu QAM và OFDM thu ở miền tần số

Page 65: Ky Thuat Xu Ly Tin Hieu Trong Wimax

Chương 4: Chương trình mô phỏng hệ thống OFDM http://4tech.com.vn/

SVTH : Trần Văn Xang –Lớp 03DT3 Trang 65

Hình 4.16 cho chúng ta thấy phổ của tín hiệu OFDM rất giống với phổ tín hiệu

của âm thanh ban đầu. Chứng tỏ phương thức điều chế OFDM tốt hơn so với QAM

Kết luận chương: Trong chương cuối cùng này đã trình bày quá trình xử lý

tín hiệu trong WiMAX thông qua việc mô phỏng hệ thống OFDM bằng

simulink của Matlab, với những scope để hiện thị tín hiệu giúp cho việc phân

tích đánh giá tác động của kênh truyền đến tín hiệu, tác dụng của bộ ước

lượng và bù kênh. Tuy nhiên, simulink này chỉ dừng lại ở mức độ đơn giản,

tức là chỉ mô phỏng hệ thống OFDM băng gốc với phương thức điều chế

QPSK. Trong chương cũng đã so sánh tín hiệu OFDM và tín hiệu QAM, file

âm thanh của chúng để thấy rõ những ưu điểm của OFDM.

Hình 4.16 So sánh tín hiệu âm thanh được điều chế bằng phương thức QAM và OFDM