Tài liệu Kĩ thuật ước lượng kênh truyền trong hệ thống ofdm của wimax.

Đề Tài Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Nguyễn Duy Nhật Viễn LUẬN VĂN Kĩ thuật ước lượng kênh truyền trong hệ thống OFDM của WIMAX. SVTH: Lê Tiến Dũng Lớp: 03DT1 Trang 1 Đề Tài Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Nguyễn Duy Nhật Viễn LỜI MỞ ĐẦU 1) Đặt vấn đề Công nghệ OFDM hiện nay đã tìm được sự ứng dụng rộng rãi trong các tiêu chuẩn viễn thông như hệ thống truyền hình số DVB-T, phát thanh số DAB, hay mạng truy nhập Internet băng thông rộng ADSL, …Hiện nay công nghệ này đang được ứng dụng trong hệ thống truy nhập Internet không dây băng rộng WIMAX theo các tiêu chuẩn IEEE 802.16 và trong hệ thống di động toàn cầu thế hệ thứ 4 cũng như nhiều hệ thống viễn thông khác. WIMAX là một công nghệ không dây băng thông rộng mang lại tốc độ kết nối nhiều Megabit và thông lượng cao cho phép truy cập một khối lượng lớn các dữ liệu như phim và các nội dung đa phương tiện, đồng thời có phạm vi phủ sóng rộng giúp mang lại khả năng truy cập tới các dữ liệu trong khoảng cách xa. Hiện nay nhiều hãng sản xuất các thiết bị điện tử như Laptop, điện thoại và các thiết bị văn phòng khác đã tích hợp các phần cứng cũng như các phần mềm ứng dụng của công nghệ WIMAX vào các sản phẩm của mình để đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao và phong phú của khách hàng. Các thiết bị WIMAX này đã được kiểm tra về khả năng tương thích với nhau sẽ giúp khách hàng dễ dàng hơn khi chuyển vùng từ hệ thống mạng này sang hệ thống mạng khác với các thiết bị Internet của mình, mang lại cho người sử dụng một trải nghiệm di động luôn được kết nối . Để tiếp cận và tìm hiểu về công nghệ WIMAX chúng ta hãy đi vào tìm hiểu cơ sở và các ứng dụng của kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDMOthogonal Frequency Division Multiplex ) trong hệ thống WIMAX mà điển hình là kĩ thuật ước lượng kênh truyền trong hệ thống OFDM của WIMAX. Vì còn nhiều hạn chế về khả năng lẫn kiến thức nên đề tài chỉ nghiên cứu các phương pháp ước lượng kênh trong hệ thống OFDM của WiMAX đề làm nền tảng cho các vấn đề chuyên sâu sau này. Rất mong được sự góp ý của thầy cô và bạn bè trong khoa Điện Tử Viễn Thông-Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng. 2) Kết cấu của đề tài Đề tài chia làm 4 chương, trong đó 2 chương đầu là những khái niệm lý thuyết cơ bản, chương 3 trình bày các phương pháp và những biểu thức tính toán của ước lượng kênh. Chương 4 là phần mô phỏng để làm rõ những biểu thức tính toán ở chương 3. Nội dung chính của từng chương như sau: SVTH: Lê Tiến Dũng Lớp: 03DT1 Trang 2 Đề Tài Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Nguyễn Duy Nhật Viễn Chương 1: Tổng Quan Về Hệ Thống WiMAX Trình bày những vấn đề liên quan đến mô hình của một hệ thống WiMAX cơ bản, những đặc điểm và các ứng dụng của nó đối với quá trình truyền tin trên lý thuyết và trên thực tế. Chương 2: Kĩ Thuật OFDM Và OFDMA Trong WiMAX Phần này giới thiệu về cơ sở, đặc điểm cơ bản của kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao và ứng dụng công nghệ OFDM trong WiMAX điển hình là kĩ thuật OFDMA. Chương 3: Kĩ Thuật Ước Lượng Kênh Trong Hệ Thống OFDM Mô tả các phương pháp ước lượng kênh và những biểu thức toán học của nó dựa trên đáp ứng xung của kênh. Chương 4: Mô Phỏng Ước Lượng Kênh Mô phỏng so sánh sự khác nhau giữa ước lượng MMSE và ước lượng LS. Đề xuất phương pháp giảm kích thước FFT trong ước lượng MMSE và LS. 3) Phương pháp nghiên cứu Đề tài làm rõ những khái niệm về ước lượng kênh trong OFDM, từ đó dựa vào những biểu thức tính toán, thực hiện mô phỏng so sánh sự khác nhau của ước lượng MMSE và LS. 4) Mục tiêu của đề tài Từ những kết quả mô phỏng đạt được, rút ra những nhận xét về những ưu điểm cũng như nhược điểm của 2 phương pháp và đề xuất phương pháp giảm kích thước FFT với 2 phương pháp ước lượng trên. CHƯƠNG 1 : Tổng Quan Về Hệ thống WIMAX 1.1 Giới thiệu chương Trước khi đi vào tìm hiểu các vấn đề về ước lượng kênh trong hệ thống OFDM của WiMAX, ta sẽ tìm hiểu hệ thống WiMAX là gì?, nó có những đặc điểm gì?, và nó có những ưu điểm nào trong các ứng dụng thực tế. 1.2 Giới thiệu hệ thống WIMAX : 1.2.1 WIMAX là gì ? WIMAX là từ viết tắt của Worldwide Interoperability For Microwave Access-khả năng kết nối không dây trên diện rộng với truy nhập vi ba. Nó cho phép truy nhập băng SVTH: Lê Tiến Dũng Lớp: 03DT1 Trang 3 Đề Tài Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Nguyễn Duy Nhật Viễn thông rộng vô tuyến đến đầu cuối (last mile) như một phương thức thay thế cho cáp là DSL. WIMAX cho phép kết nối băng rộng vô tuyến cố định, mang xách tay được, di động mà không cần thiết ở trong tầm nhìn thẳng (line of sight) trực tiếp đến một trạm. WIMAX có 2 phiên chính : WIMAX cố định (Fixed WIMAX) WIMAX di động(Mobile WIMAX) 1.2.2 Lịch sử ra đời : Chuẩn 802.16 được xây dựng từ viện kĩ thuật điện và điện tử từ năm 1999, nhưng tiêu chuẩn đầu tiên được đưa ra và được cả thế giới công nhận vào năm 2001. 2003 > 2004 > 2005 > 802.16a 802.16d 802.16e Chuẩn được thiết kế hỗ trợ cho cả phương thức song công theo thời gian (Time Division Duplex-TDD) và song công theo tần số (Frequency Division Duplex-FDD). TDD, tại đó đường lên và đường xuống dùng chung một kênh nhưng không truyền cùng một lúc. FDD, tại đó đường lên và đường xuống hoạt động trong những kênh riêng biệt. 1.2.3 Đặc điểm của WIMAX: WIMAX di đông cũng có các đặc điểm giống EV-DO hoặc HSxPA nhằm tăng tốc độ truyền thông (Data Rate). Những đặc điểm đó bao gồm: mã hoá và điều chế thích nghi (Adaptive Modulation and coding-AMC), kĩ thuật sửa lỗi bằng dò lặp (Hybrid Automatic Repeat Request-HARQ). Phân bố nhanh (Fast Scheduling) và chuyển giao mạng (Handover) nhanh và hiệu quả. Không giống như công nghệ 3G dựa trên CDMA được xây dựng nhằm vào dịch vụ thoại, WIMAX được thiết kế để đáp ứng dịch vụ truyền dữ liệu dung lượng lớn (trong đó có cả dịch vụ thoại VoIP). WIMAX sử dụng kĩ thuật trải phổ SOFDMA và hạ tần mạng xây dựng trên nền IP. WIMAX cung cấp khả năng kết nối Internet không dây nhanh hơn WIFI, tốc độ uplink và downlink cao hơn, sử dụng được nhiều ứng dụng hơn, và quan trọng là vùng phủ ong rộng hơn và không bị ảnh hưởng bởi địa hình. WIMAX có thể thay đổi một cách tự động phương thức điều chế để có thể tăng vùng phủ ong bằng cách giảm tốc độ truyền và ngược lại. SVTH: Lê Tiến Dũng Lớp: 03DT1 Trang 4 Đề Tài Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Nguyễn Duy Nhật Viễn Để tăng vùng phủ ong, chuẩn WIMAX hoặc sử dụng mạng Mesh hoặc sử dụng anten thông minh hoặc MIMO. Dữ liệu truyền trong mạng WIMAX được phân chia thành 5 lớp dịch vụ với những ưu tiên khác nhau nhằm cung ứng QoS. Ngoài ra bảo mật cũng là một đặc điểm nổi trội của WIMAX so với WIFI. 1.3 Các chuẩn của WIMAX: 1.3.1 Chuẩn cơ bản 802.16 : Chuẩn 802.16 được tạo ra với mục đích là tạo ra những giao diện (Interface) không dây dựa trên một giao thức MAC (Media Access Control) chung. Kiến trúc mạng cơ bản của 802.16 bao gồm một trạm phát BS (Base Station) và người sử dụng ( SS-Subcribe Station ). Trong một vùng phủ ong, trạm BS sẽ điều khiển toàn bộ sự truyền dữ liệu (Traffic). Điều đó có nghĩa là sẽ không có sự trao đổi truyền thông giữa 2 SS với nhau. Nối kết giữa BS và SS sẽ gồm một kênh Downlink và Uplink. Kênh Uplink sẽ chia sẽ cho nhiều SS trong khi kênh Downlink có đặc điểm Broadcast. Trong trường hợp không có vật cản giữa BS và SS ( Line of sight ), thông tin sẽ được trao đổi trên băng tần cao. Ngược lại, thông tin sẽ được trao đổi ở băng tần thấp để chống lại nhiễu. 1.3.2 Các chuẩn bổ sung (Amendments) của WIMAX :  Chuẩn 802.16a: Chuẩn này sử dụng băng tần có bản quyền từ 2-11 Ghz. Đây là băng tần thu hút được nhiều quan tâm nhất vì tín hiệu truyền có thể vượt được các chướng ngại trên đường truyền. 802.16a còn thích ứng cho việc triển khai mạng Mesh mà trong đó một thiết bị cuối (Terminal) có thể liên lạc với BS thông qua một thiết bị cuối khác. Với đặc tính này, vùng phủ ong của 802.16a BS sẽ được nới rộng.  Chuẩn 802.16b: Chuẩn này hoạt động trên băng tần 5-6Ghz với mục đích cung ứng dịch vụ với chất lượng cao (QoS). Cụ thể chuẩn ưu tiên truyền thông tin của những ứng dụng Video, thoại, Real-time thông qua những lớp dịch vụ khác nhau (Class of Service).  Chuẩn 802.16c: Chuẩn này định nghĩa ong các Profile mới cho dải băng tần từ 10-66 Ghz với mục đích cải tiến Interoperability.  Chuẩn 802.16d: Có một số cải tiến nhỏ so với 802.16a. Chuẩn này được chuẩn hoá 2004. Các thiết bị Pre-WIMAX có trên thị trường là dựa vào chuẩn này. SVTH: Lê Tiến Dũng Lớp: 03DT1 Trang 5 Đề Tài Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Nguyễn Duy Nhật Viễn  Chuẩn 802.16e: Đang trong giai đoạn hoàn thiện và chuẩn hoá. Đặc điểm nổi bật của chuẩn này là khả năng cung cấp các dịch vụ di động ( vận tốc di chuyển lớn nhất mà có thể sử dụng dịch vụ này lên đến 100 Km/h ). Ngoài ra, còn có nhiều chuẩn bổ sung khác đang được triển khai hoặc đang trong giai đoạn chuẩn hoá như 802.16g, 802.16f, 802.16h… 1.4 Các công nghệ sử dụng trong WIMAX: 1.4.1 Điều chế thứ tự cao hơn: Ngược với công nghệ tương tự có trước đây (FM,AM) và biểu đồ điều chế số hóa hiệu suất thấp. (PSK, BPSK, và QPSK) được sử dụng rộng rãi trong các mạng ngày nay, công nghệ băng rộng không dây yêu cầu sử dụng các biểu đồ điều chế theo thứ tự cao hơn với hiệu quả trải phổ tốt hơn. Tuy nhiên biểu đồ điều chế theo thứ tự cao hơn này rất dễ bị tác động bởi nhiễu (Interference) và hiện tượng đa đường dẫn. Cả hai yếu tố này đều phổ biến trong các triển khai mạng không dây có mặt khắp nơi với số lượng người ong lớn. Hình 1.1: Một số lược đồ điều chế theo thứ tự khác nhau Để biết được những tác động này, công nghệ OFDM, OFDMA và SOFDMA là những công nghệ truy cập mới cải tiến hỗ trợ kênh cần thiết để đạt được hiệu quả trải phổ cao hơn với thông lượng kênh cao hơn. Những công nghệ mới này là nền tản cho WIMAX di động và các hệ thống băng rộng di động thế hệ tiếp theo khác. 1.4.1.1 Công nghệ OFDM: SVTH: Lê Tiến Dũng Lớp: 03DT1 Trang 6 Đề Tài Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Nguyễn Duy Nhật Viễn Nhu cầu về các dịch vụ băng thông rộng tin cậy trong điều kiện truyền không dây bị che chắn (tầm nhìn khuất–NLOS, đặc biệt bị ảnh hưởng bởi hiện tượng đa đường dẫn và can thiệp từ các nhà cung cấp dịch vụ không dây khác) đã đưa công nghệ không dây vào triển khai rộng khắp sử dụng công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM trong các chuẩn và sản phẩm . Hình 1.2: Công nghệ OFDM Công nghệ OFDM chia luồng dữ liệu ra thành nhiều đường truyền băng hẹp trong vùng tần số sử dụng các ong mang con trực giao với một ong mang con khác. Những ong mang con này sau đó ghép thành các kênh tần số để truyền vô tuyến. Hình 1.3 : Lược đồ các SVTH: Lê Tiến Dũng Lớp: 03DT1 ong mang con trong OFDM. Trang 7 Đề Tài Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Nguyễn Duy Nhật Viễn Các đường truyền băng hẹp này sử dụng các kí tự có khoảng thời gian dài (LongDuration-Sysbol) trong miền thời gian để làm cho các kí tự không bị méo do hiện tượng đa đường dẫn. Bằng cách sử dụng các khoảng thời gian của kí tự xấp xỉ 100 ms với khoảng bảo vệ khoảng 10 ms, công nghệ OFDM cho phép khắc phục được các tác động của hiện tượng đa đường . Hình 1.4 : Sự nguyên vẹn của kí tự được sử dụng làm chậm trễ hiện tượng đa đường dẫn với khoảng bảo vệ thời gian. Để đảm bảo khả năng trực giao, khoảng dãn cách giữa các ong mang con phải được chọn lựa sao ong đảo ngược với khoảng thời gian của kí tự . Hình 1.5 : Khoảng dãn cách giữa các ong mang con được lựa chọn để mỗi ong mang con trực giao với các ong mang con khác. Độ dãn cách giữa các ong mang con phải cân bằng với sự đảo ngược các khoảng thời gian của kí tự . Số lượng các ong 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 ( Fast-Fourier-Transformer ). SVTH: Lê Tiến Dũng Lớp: 03DT1 Trang 8 Đề Tài Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Nguyễn Duy Nhật Viễn Chuẩn giao tiếp vô tuyến 802.16-2004 xác định rõ 256 sóng mang con, tương ứng với kích cỡ FFT từ 512 đến 2048 phù hợp với các độ rộng kênh từ 5 tới 20 Mhz để duy trì tương đối khoảng thời gian không đổi của kí tự và khoảng dãn cách giữa các ong mang con độc lập với độ rộng kênh . Vì thế với công nghệ OFDM, sự kết hợp của các ong mang con trực giao truyền song song với các kí tự có khoảng thời gian dài đảm bảo rằng lưu lượng băng thông rộng không bị hạn chế do môi trường bị che chắn tầm nhìn (NLOS) và nhiễu do hiện tượng đa đường dẫn. 1.4.1.2 Công nghệ OFDMA: Truy cập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA ) là công nghệ đa ong mang phát triển từ công nghệ OFDM, ứng dụng như một công nghệ đa truy cập. Được diễn tả như biểu đồ dưới đây, OFDMA hỗ trợ các nhiệm vụ của các ong mang con đối với các thuê bao nhất định. Mỗi một nhóm ong mang con được biểu thị như một kênh con (sub-channel), và mỗi thuê bao được chỉ định một hoặc nhiều kênh con để truyền phát dựa trên mỗi yêu cầu cụ thể và lưu lượng của mỗi thuê bao. Hình 1.6 : Công nghệ OFDM và OFDMA SVTH: Lê Tiến Dũng Lớp: 03DT1 Trang 9 Đề Tài Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Nguyễn Duy Nhật Viễn OFDMA có một số ưu điểm như khả năng linh hoạt tăng, thông lượng và tính ổn định được cải tiến. Bằng việc ấn định các kênh con cho các thuê bao cụ thể, việc truyền phát của các thuê bao có thể xảy ra đồng thời mà không cần sự can thiệp nào, do đó sẽ giảm thiểu tác động như ảnh hưởng đa truy cập –MAI (Multiplex Access interference). Hơn nữa, hiện tượng các kênh con cho phép tập trung công suất phát qua một số lượng các ong mang con ít hơn. Kết quả này làm tăng số đường truyền dẫn đến tăng phạm vi và khả năng phủ ong . Việc sửa đổi bổ sung chuẩn IEEE 802.16e-2005 được triển khai nhằm mở rộng chuẩn vô tuyến 802.16 đáp ứng các ứng dụng di động. Sự bổ sung này cho phép công nghệ OFDMA đáp ứng nhiều tính năng sử dụng một cách linh hoạt và các thách thức về việc các thuê bao di động di chuyển nhanh trong môi trường NLOS. Chuẩn 802.16e-2005 hỗ trợ 3 tuỳ chọn phân phối kênh con, tùy theo tình huống sử dụng như sau :  Các ong mang con có thể được tán xạ thông qua kênh tần số. Điều này liên quan đến việc sử dụng phân hoá kênh con (sub-channelization) hoặc FUSC.  Một số nhóm ong mang con tán xạ có thể được sử dụng để tạo thành một kênh con. Điều này liên quan 1 phần đến việc sử dụng phân hoá kênh con (subchannelization) hoặc PUSC.  Các kênh con có thể được tạo ra bởi các nhóm ong mang con tiếp theo. Điều này liên quan đến sự điều biến và mã hoá tuỳ ứng hoặc AMC. Với PUSC hoặc FUSC, việc phân phối các ong mang con tới các kênh con được thực hiện theo mô hình giả ngẫu nhiên mà ở đó các ong mang con của một kênh con nhất định trong một cell nhất định khác với các ong mang con tại cùng một kênh con đó trong một cell khác (VD : ong mang con trong kênh con 1 của cell 1 sẽ hoàn toàn khác với ong mang con của kênh con 1 trong cell 2). Sự hoán đổi giả ngẫu nhiên này có ảnh hưởng tương đối đến nhiễu. Điều này làm giảm tác động đối nghịch của hiện tượng nhiễu giữa các cell. Nhìn chung, FUSC và PUSC là 2 tuỳ chọn tốt nhất cho các ứng dụng di động, trong khi AMC hoàn toàn phù hợp cho các ứng dụng cố định, mang xách hoặc di chuyển chậm. SVTH: Lê Tiến Dũng Lớp: 03DT1 Trang 10 Đề Tài Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Nguyễn Duy Nhật Viễn 1.4.1.3 Công nghệ SOFDMA: Việc mở rộng OFDMA (SOFDMA) hỗ trợ khả năng điều chỉnh OFDMA cho phù hợp với độ rộng kênh đang được sử dụng. Theo nguyên tắc khi ấn định số lượng dải phổ dành cho các nhà cung cấp dịch vụ khác, các thông số công nghệ OFDMA có thể được tối ưu hóa sao cho tỷ lệ với dải băng tần cấp cho một nhà cung cấp dịch vụ cụ thể. Với S-OFDMA, kích cỡ FFT khác với độ rộng kênh dựa trên các thông số theo chuẩn 802.16e-2005. Trong kênh tần số 5Ghz một FFT kích cỡ 512 sóng mang con được xác định còn một kênh 10Mhz, một FFT kích cỡ 1024 được xác định. Điều đó đảm bảo rằng cả 2 hệ thống 5Mhz và 10Mhz có cùng khoảng thời gian của kí tự và do đó có cùng khả năng chống méo đa đường kể cả khi 2 hệ thống khác nhau về kích cỡ. 1.4.1.4 Các công nghệ anten sử dụng trong WIMAX: 1.4.1.4.1 Hệ thống anten thông minh: Hệ thống công nghệ anten thông minh có liên quan đến loại anten được thiết kế để tăng cường độ tín hiệu nhận được trong mạng truy cập không dây. Mục đích để làm tăng CINR (Carrier-to-interference plus noise radio). Sử dụng công nghệ anten thông minh có thể vừa làm tăng cường độ tín hiệu nhận được và làm giảm mức độ nhiễu để tăng phần lớn công dụng của một mạng giao tiếp di động. Cường độ tín hiệu nhận được dao động khi các thuê bao di động trong vùng phủ ong và việc sử dụng nhiều anten hoặc anten thông minh để tăng chất lượng đường truyền đã được nghiên cứu ngay từ khi các hệ thống di động đầu tiên mới ra đời. Bước đầu tiên là sử dụng nhiều anten để cung cấp độ phân tập thu “receiver diversity ”. Hệ thống này hoặc lựa chọn một anten với cường độ tín hiệu mạnh nhất hoặc tối ưu phối hợp các tín hiệu nhận được từ tất cả các anten. Chuẩn WIMAX hỗ trợ nhiều loại công nghệ anten thông minh, bao gồm đa cổng vào ra ( MIMO ) và hệ thống anten thông minh cải tiến (hoặc thích nghi) (ASS) trên cả hai loại thiết bị đầu cuối khách ong và trạm gốc. Trong khi MIMO đề cập đến việc sử dụng nhiều anten và kết quả quá trình yêu cầu các tín hiệu bổ sung, ASS tùy thuộc hoặc vào công nghệ “ mã hóa không gian-thời gian ” (Space-time coding) hoặc tạo chum tia “ beam-forming ”. Với beam-forming, tín hiệu với năng lượng phát đi, sẽ định hình theo dạng vật lý và truyền phát trực tiếp đến một thuê bao cụ thể dẫn đến độ lợi cao hơn, thông lượng cao SVTH: Lê Tiến Dũng Lớp: 03DT1 Trang 11 Đề Tài Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Nguyễn Duy Nhật Viễn hơn và khả năng chống nhiễu tốt hơn. Do công nghệ OFDMA chuyển một kênh dài tần rộng thành nhiều ong mang con phẳng và độ rộng kênh hẹp, ASS có thể được hỗ trợ với độ phức tạp ít hơn nhiều so với yêu cầu của các hệ thống băng rộng không dây khác. 1.4.1.4.2 Công nghệ đa cổng vào ra : Công nghệ đa cổng vào ra (MIMO) miêu tả các hệ thống sử dụng nhiều hơn 1 radio và hệ thống anten tại một điểm cuối của các đường kết nối không dây. Trước đây, chi phí để kết hợp nhiều anten và các radio trong một đầu cuối khách ong là rất cao. Các cải tiến gần đây trong công nghệ tích hợp và triển khai quy mô nhỏ cho hệ thống vô tuyến làm tăng tính khả thi và chi phí hiệu quả. Phối hợp nhiều tín hiệu nhận được sẽ đạt được các lợi ích tức thời khi tăng cường độ tín hiệu nhận được, tuy nhiên công nghệ MIMO cũng cho phép truyền phát các luồng dữ liệu song song để đạt được thông lượng lớn hơn. Ví dụ, trong một MIMO 2x2 (tức là gồm 2 phần tử phát và thu) với hệ thống điểmđiểm 2 phân cực, các tần số cấp cho carrier có thể được sử dụng 2 lần, làm tăng tốc độ truyền dữ liệu gấp 2 lần. Trong hệ thống điểm-đa điểm sử dụng MIMO, mỗi anten trạm gốc phát đi luồng dữ liệu khác nhau và mỗi thiết bị đầu cuối khách ong nhận nhiều thành phần của tín hiệu phát khác nhau với mỗi anten thiết bị thuê bao khách ong được minh họa trong hình dưới đây. Bằng cách sử dụng thuật toán thích hợp, thiết bị đầu cuối khách ong có thể phân chia và giải mã các luồng dữ liệu nhận được trong cùng một lúc. Chuẩn WIMAX di động bao gồm công nghệ mã hóa MIMO cho tới 4 anten tại mỗi điểm cuối đường kết nối (4x4 MIMO). SVTH: Lê Tiến Dũng Lớp: 03DT1 Trang 12 Đề Tài Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Nguyễn Duy Nhật Viễn Hình 1.7: Công nghệ anten MIMO. 1.4.1.5 Mã hóa không gian-thời gian: Mã hóa không gian-thời gian (Space-time coding) là kĩ thuật thực hiện phân tập truyền phát (Transmission diversity). WIMAX sử dụng kĩ thuật phân tập truyền phát trên đường Downlink để phân tập từng phần nhằm tăng cường chất lượng tín hiệu truyền đến một thuê bao cụ thể nằm tại bất cứ điểm nào trong dải chùm tia anten phát ra. Mặc dầu cung cấp độ lợi tín hiệu thấp hơn beam-forming nhưng đối với người sử dụng di động thì sự phân tập truyền phát càng cần thiết hơn bởi vì nó không yêu cầu các kiến thức hiểu biết trước về đặc tính truyền dẫn của kênh tần số cụ thể của một thuê bao. Công nghệ STC, được biết đến như Alamouti code, được công bố vào năm 1998 và nó hợp nhất với chuẩn WIMAX. Tạo chum tia (Beam-forming): Việc truyền phát các tín hiệu đi từ nhiều anten ở các pha cân bằng cụ thể có thể được sử dụng để tạo ong tia hẹp hơn. Hiện tượng này gọi là beam-forming. Beam-forming mang đến các cải tiến đáng kể trong ngân sách đường kết nối theo cả 2 hướng uplink và downlink bằng cách tăng độ lợi của anten, ngoài ra để làm giảm sự suy giảm cường độ tín hiệu do tác động bởi nhiễu. Beam-forming yêu cầu thông tin về vị trí của thuê bao đặc biệt là đối với thuê bao đang di chuyển với tốc độ lớn. Tuy nhiên, theo số liệu thống kê mạng Cellular, đa số các thuê bao hoặc không di chuyển, hoặc di chuyển với tốc độ chậm, vì thế beam-forming mang đến các lợi ích quan trọng cho hầu hết các mô hình sử dụng. Hình 1.8: Beam-forming SVTH: Lê Tiến Dũng Lớp: 03DT1 Trang 13 Đề Tài Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Nguyễn Duy Nhật Viễn Ví dụ, cấu hình beam-forming gồm 4 anten có thể hỗ trợ tăng cường tín hiệu có độ lợi 6dB trong khi vẫn cải tiến được tín hiệu truyền phát bị suy giảm. Kết quả là beamforming đem lại khả năng mở rộng hơn, thông lượng cao hơn và tăng khả năng phủ ong trong nhà (indoor). Với số lượng trạm gốc ít hơn để đạt được một dung lượng cụ thể trong một hệ thống, beam-forming là công nghệ anten thông minh thứ 3 được hợp nhất trong thông số kĩ thuật của WIMAX để tăng dung lượng hệ thống và tính năng trong các mạng di động băng thông rộng. 1.4.1.7 Sử dụng lại tần số: Để tối đa hóa khả năng bao phủ và khả năng sử dụng lại tần số đồng thời giảm thiểu độ nhiễu, hệ thống không dây bao phủ vùng phục vụ với nhiều cell, được chia nhỏ thành nhiều Sector. Do một số các thuê có thể được định vị tại các ranh giới giữa các cell hoặc các Sector và thường nhận được các tín hiệu từ nhiều nguồn-do đó nó tạo ra nhiễu-mỗi sector được ấn định một kênh tần số khác nhau. Khi đó để phù hợp với quy mô phủ ong vô tuyến tại một khu vực, mỗi kênh tần số được sử dụng lại với một sự phân chia về mặt không gian để tối đa hóa việc sử dụng của dải quang phổ bị hạn chế trong khi vẫn giảm thiểu hiện tượng tự nhiễu từ cùng kênh được sử dụng lại trong mạng. Điều này thường liên quan đến hiện tượng nhiễu cùng kênh CSI. Chức năng sử dụng lại, là thước đo một dải tần cung cấp được sử dụng lại linh hoạt như thế nào, được thể hiện như một phần nhỏ của sector hoặc cell hoạt động với cùng một kênh tần số. Các hệ số sử dụng lại điển hình đối với các hệ thống cellular truyền thống là hệ số 3 hoặc 7-tùy theo nhu cầu 3-7 kênh tần số khác nhau để triển khai một mô hình mạng cụ thể. SVTH: Lê Tiến Dũng Lớp: 03DT1 Trang 14 Đề Tài Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Nguyễn Duy Nhật Viễn Hình 1.9 : Mô hình sử dụng lại tần số (a)-3 tần số ( hệ thống Digital ) (b)-7 tần số ( Analog FDMA ) ©-OFDMA và CDMA Mục đích khác được sử dụng trong cả 2 công nghệ OFDMA và CDMA là sử dụng tất cả các kênh tần số trong mỗi sector sẵn có và sử dụng biểu đồ điều chế như OFDMA hoặc CDMA, để xử lý nhiễu tại mức độ cao từ các sector hoặc các cell lân cận. Quá trình này liên quan tới việc khi có một hệ số sử dụng lại của 1 đôi khi được gọi là “ Reuse 1 ” hoặc “universal frequency reuse”-và rất phổ biến với các nhà cung cấp dịch vụ mạng ngày nay bởi vì từ khi nó giảm thiểu các nhu cầu đối với việc hoạch định vô tuyến của mạng cụ thể. Để hỗ trợ sử dụng lại tần số phổ biến, những biểu đồ điều chế này quản lý nhiễu bằng cách sử dụng các mã sửa lỗi như mã CTC (Convolution turbo code) và bằng cách sử dụng dải băng tần sẵn có thông qua việc sử dụng các mã truy nhập trong trường hợp sử dụng CDMA, và các ong mang con trong trường hợp sử dụng OFDM. Chuẩn WIMAX di động cũng cung cấp khả năng phân chia trực giao với các nguồn tài nguyên trong 1 cell đồng thời vẫn định vị ngẫu nhiên các ong mang con giữa các cell. Phân chia trực giao trong cell đảm bảo rằng hiện tượng nhiễu giữa các sector gần nhau là rất ít hoặc không xảy ra, trong khi hiện tượng định vị các ong mang con giữa các cell đảm bảo rằng hiện tượng chồng chéo giữa các ong mang con được sử dụng trong các thuê bao cụ thể tại các cell liền kề là rất ít. Điều này làm giảm khả năng nhiễu giữa các cell và cho phép các kết nối vô tuyến hoạt động với hiệu quả điều chế cao hơn, dẫn đến thông lượng dữ liệu cao hơn. 1.4.1.8 Điều khiển công suất: Điều khiển công suất phát thích hợp là một chức năng quan trọng nhằm mục đích đảm bảo chất lượng đường truyền. Trong luồng upstream, điều khiển công suất phát thích ứng được sử dụng để tối đa hóa các mức độ điều khiển tiện ích, nhằm đạt được thông lượng cao nhất trong khi vẫn tiếp tục kiểm soát độ nhiễu đến các cell kế cận. Trong luồng Downstream, các kênh con cụ thể được phân chia luồng công suất khác nhau có thể được sử dụng để cung cấp dịch vụ tốt hơn tới các thuê bao tại các cạnh của cell, trong khi vẫn cung cấp đầy đủ các mức độ tín hiệu tới các thuê bao gần nhất với trạm gốc. SVTH: Lê Tiến Dũng Lớp: 03DT1 Trang 15 Đề Tài Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Nguyễn Duy Nhật Viễn 1.4.1.9 Điều khiển sắp xếp: Điều khiển sắp xếp là một cơ chế được đặt tại trạm gốc, để quản lí vị trí các gói tin theo hướng lên và xuống dựa trên các yêu cầu về lưu lượng và các trạng thái kênh phát tại bất kỳ thời điểm đã định nào. Bảng phân bố các nguồn tài nguyên vô tuyến tại các dải tần số và khoảng thời gian, dựa trên các chỉ tiêu như: tham số QoS dành cho các loại lưu lượng cụ thể, chấp nhận mức dịch vụ thuê bao cá nhân (SLA) và các trạng thái của các đường dẫn dạng connection-to-connection… Do lưu lượng dữ liệu có thể thay đổi đáng kể giữa 2 đường uplink và downlink nên cũng cần hỗ trợ việc cấp phát dữ liệu không đối xứng trong việc thực hiện ghép kênh phân chia thời gian –TDD với các nguồn tài nguyên vô tuyến và ấn định các gói tin được thực hiện trên mỗi sector trong một khoảng thời ong hay đổi tùy theo nhu cầu thực. Cơ chế điều khiển sắp xếp này là một phần của WIMAX di động. 1.4.1.10 Điều khiển chấp nhận: Là một quá trình xác định xem liệu nó có cho phép thiết lập một kết nối mới hay không dựa trên: các trạng thái hiện thời của lưu lượng, các nguồn tài nguyên có sẵn và các yêu cầu QoS có được. Lưu lượng vượt mức trong một cell làm tăng lượng nhiễu tới các cell lân cận do đó làm giảm khả năng phủ ong của các cell. Điều khiển chấp nhận được sử dụng nhằm chấp nhận hoặc từ chối các yêu cầu kết nối để duy trì sự nhận dữ liệu của cell trong lượng giới hạn được chấp nhận. Chức năng điều khiển chấp nhận có tại trạm gốc WIMAX hoặc tại cổng mạng dịch vụ truy cập (ASN) nơi mà các thông tin được nhận về dành cho một số trạm gốc có thể kiểm soát được. 1.4.1.11 Chất lượng dịch vụ QoS: Hỗ trợ chất lượng dịch vụ rất cần thiết đối với hệ thống băng rộng không dây với các kênh được thiết kế để đồng thời cung cấp các dịch vụ thoại, dữ liệu và video. Các thuật toán QoS là cần thiết để đảm bảo việc sử dụng chung kênh không dẫn tới việc làm giảm chất lượng dịch vụ hoặc các lỗi dịch vụ. Mặc dầu trong thực tế các thuê bao đang ong chung một đường kết nối băng thông rộng với nhiều thuê bao khác nhưng họ mong đợi nhà cung cấp dịch vụ cung cấp các tính năng ở một mức độ chấp nhận được trong mọi điều kiện. SVTH: Lê Tiến Dũng Lớp: 03DT1 Trang 16 Đề Tài Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Nguyễn Duy Nhật Viễn Chuẩn WIMAX di động cung cấp gói công cụ cần thiết để hỗ trợ QoS cho đa ứng dụng. Trạm gốc WIMAX định vị các đường uplink và downlink thông qua việc sử dụng một quy trình quản lý lưu lượng. Quy trình này phản ánh các nhu cầu về lưu lượng và các thông tin về thuê bao cá nhân. Sau đó các thuê bao tổng hợp được triển khai nhằm đảm bảo đáp ứng các tham số QoS ứng dụng cụ thể. Bảng dưới đây là một bản tóm tắt các loại QoS, các ứng dụng và các tham số QoS được sử dụng trong chuẩn 802.16e-2005. Hình 1.10: Các tham số QoS. 1.5 Ứng dụng của WIMAX : WIMAX là chuẩn không dây băng thông rộng hỗ trợ cho cả lĩnh vực máy tính và truyền thông, với hiệu quả chi phí cao. Nó được thiết kế để phục vụ cho nhiều môi trường khác nhau (doanh nghiệp, người ong bình thường, hay dịch vụ công cộng), không kể đến vị trí vật lý (vùng thành thị, ngoại ô, hay nông thôn) hay khoảng cách gần xa. Về kĩ thuật, chuẩn WIMAX được phát triển với nhiều mục tiêu đề ra, tập trung ở tính đa dụng, hiệu suất cao mà chi phí thấp. SVTH: Lê Tiến Dũng Lớp: 03DT1 Trang 17 Đề Tài Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Nguyễn Duy Nhật Viễn Hình 1.11 :Mô tả hệ thống WIMAX  Kiến trúc mềm dẻo : WIMAX hỗ trợ một vài kiến trúc hệ thống bao gồm Point-to-Point, Point-toMultiPoint và Uniquitous coverage (bao phủ toàn bộ). WIMAX MAC (Media Access Control) hỗ trợ Point-to-MultiPoint và Ubiquitous bằng cách định một khoảng thời gian cho mỗi Subcriber Station (SStrạm đăng kí). Nếu chỉ có một SS trong mạng thì WIMAX Base Station (BStrạm cơ sở) sẽ giao tiếp với SS bằng Point-to-Point.  Bảo mật cao : WIMAX hỗ trợ AES (Advanced Encryption Standard) và 3DES (Triple Data Encryption Standard). Đường truyền giữa SS và BS được mã hoá hoàn toàn, đảm bảo độ tin cậy của dịch vụ. Ngoài ra WIMAX hỗ trợ VLAN, đảm bảo tín riêng tư dữ liệu của mỗi người dùng trong cùng BS.  WIMAX QoS : WIMAX có thể tối ưu truyền các loại dữ liệu khác nhau, dựa trên các loại dịch vụ là: Unsolicited Grant Service (UGS), Real Time Polling Service (rtPS), Non Real Time Polling Service (nrtPS) và Best Effort (BE). SVTH: Lê Tiến Dũng Lớp: 03DT1 Trang 18 Đề Tài Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Nguyễn Duy Nhật Viễn  Triển khai nhanh : Triển khai không cần kéo cáp, chỉ cần một dải băng thông, một cột thu phát ong (antenna) và một thiết bị được cài đặt cùng với nguồn điện, WIMAX có thể sẵn ong hoạt động . Trong đa số các trường hợp, WIMAX có thể triển khai trong vòng một vài giờ, so sánh với hàng tháng với những giải pháp khác.  Multi-Level-Service : Quản lý băng thông có thể thực hiện xa hơn dựa trên nền tảng Service Level Agreement (SLA-mức độ phục vụ chấp nhận được) giữa nhà cung cấp và người ong cuối. Và nhà cung cấp có thể đáp ứng SLA khác nhau cho mỗi người ong thậm chí trên cùng một SS.  Interoperability-tương tác : WIMAX dựa trên nền tảng quốc tế, trung lập với nhà sản xuất. Điều này thuận lợi cho người ong di chuyển và sử dụng đăng kí của họ ở nhiều vùng khác nhau và hơn nữa là khác nhà cung cấp. Tính tương tác bảo vệ cho nhà điều hành khi sử dụng nhiều thiết bị của các ong khác nhau trong cùng mạng, chống tính độc quyền và kết quả là giá cả thiết bị giảm đi đáng kể.  Portability-di chuyển được: Như hệ thống cellular hiện nay, một khi WIMAX SS bật lên, nó sẽ tự động kết nối với BS, xác định các đặc tính của đường truyền với BS dựa trên cơ sở dữ liệu SS đã đăng kí và thực hiện truyền dữ liệu.  Mobility-di động : Chuẩn IEEE 802.16e bổ sung chuyển lên đến 160 km/h . ong đặc tính hỗ trợ di động, cho phép tốc độ di  Hiệu quả chi phí : WIMAX là chuẩn mở mang tính quốc tế, sử dụng các công nghệ chipset chi phí thấp, nên giá thành giảm xuống đáng kể .Và kết quả là người ong cùng với nhà cung cấp dịch vụ đều tiết kiệm được chi phí.  Bao phủ rộng: WIMAX có khả năng bao phủ một vùng địa lý rộng lớn khi mà con đường giữa BS và SS không có vật cản. SVTH: Lê Tiến Dũng Lớp: 03DT1 Trang 19 Đề Tài Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Nguyễn Duy Nhật Viễn  Non-line-of-sight ( NLOS ): Khả năng giúp sản phẩm WIMAX có thể phân phối băng thông rộng ở môi trường NLOS, đặc tính mà các thiết bị không dây khác không có.  Công suất lớn: Sử dụng những bộ phát ong và kênh băng thông lớn, WIMAX có thể cung cấp băng thông đáng kể cho người ong . Kĩ thuật WIMAX thực sự sẽ làm được một cuộc cách mạng trong phương tiện liên lạc. Nó sẽ cung cấp đầy đủ tự do cho người ong yêu cầu khả năng di động cao, cho phép họ sử dụng cả dịch vụ voice, data, và video trên cùng một thiết bị. Ngoài ra WIMAX cho phép người ta có thể di chuyển địa điểm từ ở nhà, văn phòng, trên đường đi hay tất cả mọi nơi trên thế giới mà dịch vụ được cung cấp vẫn không hề ảnh hưởng gì. Để hình dung được khả năng của WIMAX có thể đáp ứng nhu cầu của mọi người như thế nào, ta có thể xem xét một số mô hình ứng dụng của WIMAX trong mạng nội bộ cũng như ở các dịch vụ công cộng. 1.6 Kết luận chương Có thể nói WIMAX là chuẩn sẽ được mọi người mong đợi nhất vì tính ưu việt của nó trong thiết kế cũng như trong ứng dụng. Hệ thống của WIMAX được tích hợp rất nhiều công nghệ nhanh và hiệu quả. WIMAX sử dụng các kĩ thuật OFDM và OFDMA nhằm tận dụng tối đa băng thông tiết kiệm được nguồn tài nguyên về tần số, đồng thời nâng cao tốc độ của đường truyền đáp ứng được các nhu cầu của các dịch vụ đòi hỏi các ứng dụng thời gian thực. SVTH: Lê Tiến Dũng Lớp: 03DT1 Trang 20