Tài liệu Công nghệ wimax và kỹ thuật mimo

i Công nghệ Wimax và kỹ thuật Mimo MỤC LỤC Công nghệ Wimax và kỹ thuật Mimo....................................................................................i MỤC LỤC..............................................................................................................................i THUẬT NGỮ VIẾT TẮT......................................................................................................i KÝ HIỆU..............................................................................................................................iv DANH MỤC CÁC BẢNG....................................................................................................iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ...............................................................................................v LỜI NÓI ĐẦU.......................................................................................................................v CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ WIMAX......................................................viii TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................cxx THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt AAA AAS ACI ASN Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt Authentication authorization &Account Adaptive Antenna System Adjacent Cell Interference Access Service Network Nhận thực, cấp phép và lập tài khoản. Hệ thống anten thích ứng Nhiễu ô lân cận Mạng dịch vụ truy nhập ii AM AOA AOD AWGN BE BER BLAST Adaptive Modulation Angle Of Arrival Angle Of Departure Additive White Gaussian Noise Best Effort Bit Error Rate Bell Labs Layered Space-time Điều chế thích ứng Góc tới Góc xuất phát Tạp âm Gauss trắng cộng Dịch vụ nỗ lực tốt nhất Tỉ lệ lỗi bít Kiến trúc không gian thời gian phân BPSK BS BTC CCI CDF CDMA CID CP CPE CPS CRC CSI CTC DCD DFT DHCP DL DLFP DPS FDD FEC FFT HCS HT ICI IFFT ISI LOS LSB MA MAC MAN MIMO MISO architecture Binary Phase Shift Keying Base Station Block Turbo Code Co channel Interference Cumulative Distribution Function Code Division Multiple Access Connection Identifier Cyclic Prefix Customer Premises Equipment Common Part Sublayer Cyclic Redundancy Check Channel State Information Concatenated Turbo Code Downlink Channet Descriptor Discrete Fourier Transform Dynamic Host Configuration Protocol Downlink Downlink Frame Preamble Delay Power Spectrum Frequence Division Mutiplexing Forward Error Correct Fast Fourier Transform Header Check Sequence Header Type Inter Carrier Interference Inverse Fast Fourier Transform Inter Symbol Interference Line of Sight Least Significant Bit Multiple Access Medium Access Control Metropolitan Area Network Multiple Input Multiple Output Multiple Input Single Output lớp của phòng thí nghiệm Bell Khóa dịch pha nhị phân Trạm gốc Mã Turbo khối Nhiễu đồng kênh Hàm phân bố tích lũy Đa truy nhập phân chia theo mã Nhận dạng kết nối Tiền tố tuần hoàn Thiết bị truyền thông cá nhân Lớp con phần chung Kiểm tra độ dư vòng tuần hoàn Thông tin trạng thái kênh Mã Turbo xoắn Miêu tả kênh đường xuống Biến đổi Fourier rời rạc Giao thức cấu hình Host động Đường xuống Tiền tố khung đường xuống Phổ công suất trễ Ghép kênh phân chia theo tần số Hiệu chỉnh lỗi trước Chuyển đổi Fourier nhanh Thứ tự kiểm tra tiêu đề Loại tiêu đề Nhiễu giữa các sóng mang Biến đổi Fourier nhanh đảo Nhiễu giữa các ký hiệu Tầm nhìn thẳng Bit ít ý nghĩa nhất Đa truy nhập Điều khiển truy nhập phương tiện Mạng vùng thành thị Nhiều đầu và nhiều đầu ra Nhiều đầu vào một đầu ra ML Maximum Likelihood MMSE Minimum Mean Square Error MQAM Multilevel-QAM Khả giống cực đại Sai lỗi bình phương trung bình cực tiểu QAM nhiều mức iii MS MSB NLOS NNI NRP OFDM Mobile Station Most Significant Bit Non Light of Sight Network Network Interface Normalized Received Power Orthogonal Frequence Division Trạm di động Bít nhiều ý nghĩa nhất Tầm nhìn không thẳng Giao diện mạng – mạng Công suất thu chuẩn hóa Ghép kênh phân chia theo tần số trực Multiplexing OFDMA Orthogonal Frequence Division giao Đa truy nhập phân chia theo tần số Multiple Access PDF Probability Density Function PDP Power Delay Profile PDU Protocol Data Unit PEP Pairwise Error Probability PKM Privacy Key Management PMP Point to Multipoint PS Physical Slot QAM Quadrature Amplitude Modulation QPSK Quadrature Phase Shift Keying RDS Root mean square Delay Spread rms Root mean square RTG Receive Transition Gap SAP Service Access Point SE Spectrum Efficiency SER Symbol Error Rate SFID Service Flow Identifier SIMO Single Input Multiple Output SIR Signal to Interference Ratio SINR Signal to Interference plus Noise Ratio SISO Single Input Single Output SNR Signal to Noise Ratio SS Subscriber Station SSCS Specify Services Convergence Sublayer STBC Space Time Block Code STC Space Time Code SVD Singular Value Decomposition TDD Time Division Duplex TTG Transmit Transition Gap UCD Uplink Channet Descriptor UGS Unsolicited Grant Service UL Uplink UNI User Network Interface WAN Wide Area WLAN Wireless LAN WMAN Wireless MAN XOR Exclusive trực giao Hàm mật độ xác suất Lý lịch trễ công suất Đơn vị dữ liệu giao thức Xác suất lỗi cặp Quản lí khóa bảo mật Điểm đa điểm Khe vật lý Điều chế biên độ cầu phương Khóa chuyển pha cầu phương Trải trễ trung bình quân phương Trung bình quân phương Khoảng trống chuyển giao đầu thu Điểm truy nhập dịch vụ Hiệu suất phổ tần Tỷ lệ lỗi ký hiệu Nhận dạng luồng dịch vụ Một đầu vào nhiều đầu ra Tỷ số tín hiệu trên nhiễu Tỷ số tín hiệu trên nhiễu cộng tạp âm Một đầu vào một đầu ra Tỷ số tín hiêu trên tạp âm Trạm thuê bao Lớp con hội tụ các dịch vụ riêng Mã khối không gian thời gian Mã không gian thời gian Phân chia giá trị đơn Song công phân chia Khoảng trống chuyển giao đầu phát Miêu tả kênh đường lên Dịch vụ cấp phát không kết hợp Đường lên Giao diện người sử dụng – mạng Mạng diện rộng Mạng LAN không dây Mạng MAN không dây Hàm cộng modul iv ZF Zero Forcing Cưỡng bức về không KÝ HIỆU |a| A+ f(x) F(x) Im K Pe r(A) R Tr(A) Độ lớn của a Ma trận giả đảo Moore – Penrose của A Chuẩn Frobenius của ma trận A Ma trận chuyển vị phức của A Ma trận chuyển vị của A Dung lượng Năng lượng ký hiệu thu Hàm Dirac Định thức ma trận A Ma trận đường chéo nxn Hoạt động mong muốn Hàm phân phối xác suất của biến ngẫu nhiên x Hàm phân phối tích lũy của x Ma trận nhất phân kích thước mxm Thừa số K kênh Rice Xác suất lỗi Hạng ma trận A Trường số thực Dò theo A (x)+ Được định nghĩa là:  Z Trường số nguyên A F H A AT C ES δ ( x) Det(A) Diag(a1, a2, …an) ∈  x if x ≥ 0, x ∈ R 0 if x<0, x ∈ R DANH MỤC CÁC BẢNG v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ LỜI NÓI ĐẦU vi Trên thế giới, công nghệ WiMAX (World Interoperability for Microwave Access: khả năng khai thác liên mạng trên toàn cầu đối với truy nhập viba) đang là xu hướng mới cho các tiêu chuẩn giao diện vô tuyến trong việc truy nhập không dây băng thông rộng cho tất cả các thiết bị cố định, di động. Với nhiều ưu điểm vượt trội như tốc độ truyền dẫn cao, phạm vi phủ sóng rộng, chất lượng dịch vụ được thiết lập cho từng kết nối, an ninh tốt, hỗ trợ multicast cũng như di động, sử dụng cả phổ tần cấp phép và không được cấp phép… theo đánh giá của các chuyên gia thì WiMAX sẽ nhanh chóng vượt qua những công nghệ hiện có như Wi-fi hay 3G. Rất nhiều thiết bị vô tuyến được sử dụng ở các dải tần khác nhau trong các hệ thống thông tin vô tuyến khác nhau: từ các hệ thống thông tin vệ tinh toàn cầu tốc độ thấp đến các hệ thống các hệ thống WLAN và các WPAN tốc độ cao với vùng phủ sóng từ vài m đến vài trăm m. Việc sử dụng đồng thời các hệ thống này dẫn đến dải tần dành cho thông tin vô tuyến trở nên chặt trội hơn bao giờ hết. Vì thế vấn đề sử dụng hiệu suất phổ tần đã trở thành một vấn đề cấp bách hơn bao giờ hết. Một giải pháp rất hiệu quả cho việc giải quyết vấn đề này là áp dụng truyền dẫn thích ứng. Truyền dẫn thích ứng có thể áp dụng tại lớp vật lý cho tất cả các tài nguyên khác nhau của môi trường truyền dẫn vô tuyến như: thời gian, tần số, công suất và không gian. Đề tài này tập trung lên việc sử dụng hiệu suất tài nguyên không gian trong các hệ thống WiMAX mà có thể được thực hiện thông qua việc sử dụng các phần tử anten được tổ chức thành dàn để truyền dẫn và thu tín hiệu. Hệ thống dàn anten sử dụng ở cả phía thu và phát còn được gọi là hệ thống MIMO. Vấn đề đặt ra là phải thiết kế các hệ thống MIMO thế nào để đạt được hiệu năng tối ưu của đường truyền vô tuyến. Ta biểu diễn hiệu năng bằng các thông số sau: - Tốc độ bit: Hệ thống phải đạt được tốc độ bit trên một đơn vị băng thông cao nhất. Thông số này thường được định nghĩa là hiệu suất phổ tần. Giới hạn cuối cùng hay tốc độ bit cao nhất đối với một xác suất lỗi bit thấp cho trước vii trong kênh AWGN đã được Shannon đưa ra và thường được sử dụng làm tham chuẩn. - Độ tin cậy: Là độ bền vững của truyền dẫn, thường mâu thuẫn với tốc độ bit và có thể đo bằng tỉ số lỗi bit. Vì kênh vô tuyến di động là kênh thay đổi theo thời gian nên ta cần chọn lựa chiến lược chống lại sự giảm lớn tỉ số SNR tại máy thu do phađinh đa đường gây ra. - Độ phức tạp: Máy đầu cuối di động được cấp nguồn từ acquy phải có kích thước và trọng lượng gọn nhẹ, nên các bộ chuyển đổi luồng số đầu vào thành nt luồng kí hiệu đầu ra phải ít phức tạp nhất. Các mục tiêu thiết kế nói trên thường đối kháng lẫn nhau, vì vậy người thiết kế phải cân nhắc lựa chọn để đảm bảo tối ưu giữa tiêu chí kinh tế và chất lượng. Đề tài "Công nghệ WiMAX và kỹ thuật MIMO" sẽ cung cấp các kiến thức mới nhất về công nghệ WiMAX, các kỹ thuật MIMO sử dụng trong WiMAX. Đề tài bao gồm ba chương với các vấn đề nghiên cứu sau đây: • Tổng quan công nghệ WiMAX • Kỹ thuật MIMO • Kỹ thuật MIMO sử dụng trong WiMAX Tôi xin chân thành cảm ơn TS ………., người đã hướng dẫn, định hướng, góp ý cho tôi nhiều điều vô cùng quý báu trong quá trình tôi thực hiện đề tài này. Trong quá trình nghiên cứu khó tránh khỏi thiếu sót. Tôi rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô, đồng nghiệp và các bạn. Tôi xin chân thành cảm ơn! viii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ WIMAX 1.1. Nguồn gốc và sự ra đời chuẩn WiMAX 1.1.1. Tổ chức WiMAX Forum WiMAX Forum là một tổ chức phi lợi nhuận được thành lập bởi sự liên hiệp của các công ty nhằm mục đích tạo điều kiện cho việc triển khai và phát triển mạng truy cập không dây băng rộng dựa trên chuẩn 802.16. Cuộc họp đầu tiên vào 04/2001 ở Antibe, Pháp. Với sự tham gia của các hãng sau: Nokia, Harris. Cross Span, và Ensemble. Tới 10/2005 thì tổ chức này đã có hơn 230 thành viên và bao gồm nhiều hãng nổi tiếng như: Microsoft, Intel, Alvarion, Fujitsu Microeletronics Americal,…Chủ tịch hiện nay là Non Resnick (Intel). Tổ chức này sẽ quyết định và chỉ đạo việc kiểm tra tính tương tác và trao cho các nhà sản xuất thiết bị nhãn chứng nhận WiMAX (WiMAX Certified). Mục đích cuối cùng là mang lại lợi ích cho người dùng đầu cuối, họ có thể mua sản phẩm theo chọn lựa của mình mà đảm bảo chắc chắn sản phẩm đó sẽ tương thích với các sản phẩm đã được chứng nhận khác. +Airspan Networks +Intel +RF Magic +Alvarion +L3 Primewave +SiWave +Andrew Corporation +LCC +SiWorks +Aperto Networks +NEWS IQ +Stratex Networks +Atheros Comm. +Nokia +Tower Stream +China Motion Telecom +OFDM Forum +The Telnecity Group +Compliance +Powerwave +TurboConcept Certification Services Technologies +Wavesat Wireless +Engim +Proxim +WiLAN +Ensemble Comm. +Raytheon RF +Winova Wireless +Filtronics Components +Fujitsu Microlectronics America +Yahoo +Redline Comm +MTI +RF Intergration +RS Telecom Bảng 1. 1. Các thành viên của tổ chức WiMAX Forum ix 1.1.2. Lịch sử WIMAX Nhóm công tác IEEE 802.16 là nhóm đầu tiên chịu trách nhiệm phát triển chuẩn 802.16 bao gồm giao diện không gian cho truy nhập không dây băng rộng. Hoạt động của nhóm khởi đầu trong một cuộc họp vào 08/1998. được gọi là kiểm tra hệ thống điện tử không dây quốc gia (N-WEST), đây là một bộ phận của viện nghiên cứu công nghệ và chuẩn hóa quốc gia Mĩ. Ban đầu nhóm tập trung vào việc phát triển các chuẩn và giao diện không dây cho băng tần 10-676GHz. Sau đó dự án sửa đổi dẫn đến việc tán thành chuẩn IEEE 802.16a tập trung vào băng tần 211GHz. Sự phê chuẩn cuối cùng chi tiết kĩ thuật giao diện không gian 802.16a là vào 01/2003. ETST đã tạo ra chuẩn MAN không dây cho băng tần 2-11GHz gọi là chuẩn ETSI HiperMAN, được đưa ra vào 10/2003. Tổ chức ETST làm việc gần gũi với nhóm IEEE 802.16 do vậy chuẩn HiperMAN về cơ bản là theo chỉ dẫn 802.16. Chuẩn HiperMAN cung cấp việc truyền thông cho mạng không dây trong các băng tần 2-11GHz ở Châu Âu. Nhóm làm việc HiperMAN tận dụng lược đồ điều chế OFDM FFT 256 điểm, là một trong những lược đồ điều chế được định nghĩa trong chuẩn IEEE 802.16a. WiMAX Forum giữ vai trò tương tự liên minh W-Fi trong WLAN, hỗ trợ phát triển các sản phẩm MAN không dây dựa trên các chuẩn của Viện nghiên cứu của các kĩ sư điện và điện tử (IEEE) và viện nghiên cứu các chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI). WiMAX Forum tin rằng một chuẩn chung cho truy nhập không dây băng rộng BWA sẽ làm giảm chi phí thiết bị và thúc đẩy việc cải thiện hiệu năng. Bên cạnh đó, các nhà khai thác BWA sẽ không bị ràng buộc trong một nhà cung cấp duy nhất do các trạm gốc BS sẽ tương thích với thiết bị truyền thông cá nhân CPE của nhiều nhà cung cấp. Ban đầu tập trung vào truyền thông cố định cho dải tần 1066GHz, việc mở rộng quy mô lớn bắt đầu vào 01/2003 và chuyển sang cả lĩnh vực di động. x 1.1.3. Khái niệm WIMAX WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access – Khả năng tương tác toàn cầu với truy nhập vi ba) là một công nghệ truy nhập không dây băng thông rộng mới, dựa trên chuẩn IEEE 802.16. WiMAX gần giống với Wi-Fi nhưng được cải thiện khá nhiều để có thể tăng tốc độ truyền dẫn dữ liệu tới 70 Mb/giây với phạm vi hoạt động 2-10 km trong khu vực thành thị và 50 km tại những vùng hẻo lánh. Công nghệ Wimax dựa trên các chuẩn, cho phép truy cập băng rộng vô tuyến đến đầu cuối như một phương thức thay thế cho cáp và DSL. Nó có thể kết nối băng rộng vô tuyến cố định, nomadic (người sử dụng có thể di chuyển nhưng cố định trong lúc kết nối), mang xách được (người sử dụng có thể di chuyển với tốc độ đi bộ) và di động mà không cần thiết ở trong tầm nhìn thẳng (Line-of-Sight) trực tiếp tới một trạm gốc. Trong bán kính của một cell điển hình từ 3km đến 10km, các hệ thống đã được diễn đàn WiMAX (WiMAX Forum) chứng nhận sẽ có công suất lên tới 40Mbit/s mỗi kênh cho các ứng dụng truy cập cố định và mang xách được. WiMAX cho phép đủ băng thông để đồng thời hỗ trợ hàng trăm doanh nghiệp với kết nối tốc độ T1 và hàng ngàn hộ dân với kết nối tốc độ DSL. Công nghệ WiMAX đem lại giải pháp cho nhiều ứng dụng băng rộng tốc độ cao cùng thời điểm với khoảng cách xa và cho phép các nhà khai thác dịch vụ hội tụ tất cả trên mạng IP để cung cấp các dịch vụ “3 cung”: dữ liệu, thoại và video. Chuẩn IEEE 802.16-2004 được phê chuẩn vào 24/06/2004 là sự kết hợp của các chuẩn IEEE 802.16 (06/12/2001) IEEE 802.16a (29/01/2003) và IEEE 802.16c (12/12/2002). IEEE 802.16 (06/12/2001) Giao diện không gian cho các chi tiết kĩ thuật PHY và MAC của hệ thống truy nhập không dây băng rộng cố định đối với dải tần 10-66GHz (LOS). Một lớp PHY: Sóng mang đơn. Hướng kết nối, TDM/TDMA MAC, QoS, bảo mật. IEEE 802.16a (29/01/2003) xi Bổ sung 802.16, các sửa đổi MAC và các chi tiết kĩ thuật PHY bổ sung cho dải tần 2-11GHz Có 3 lớp PHY: OFDM, OFDMA và sóng mang đơn. Các chức năng MAC bổ sung: Hỗ trợ OFDMA PHY và OFDM, hỗ trợ cấu hình mạng mắt luới, ARQ. IEEE 802.16c (12/12/2002) Sửa đổi 802.16, miêu tả dải từ 10 đến 66GHz. IEEE 802.16e(12/2005) Tập trung về di động trong dải tần 2-6GHz. Cho phép chuyển giao tín hiệu tốc độ cao cần thiết cho truyền thông với những người dùng di chuyển ở tốc độ của phương tiện giao thông. Diễn đàn WiMAX đã định nghĩa các đặc tả dành cho lớp vật lý (PHY), lớp MAC đảm bảo một nền tảng thống nhất cho tất cả những triển khai WiMAX. Hình vẽ sau miêu tả phân lớp giao thức WIMAX cho hai lớp cuối cùng. Truyền tải ATM Truyền tải IP Lớp con hội tụ dịch vụ đặc biệt CCCS Lớp con phần chung MAC MAC-CPS Lớp con bảo mật PS Lớp vật (PHY) Lớp vật lílí(PHY) Hình 1. 1. Phân lớp giao thức của WiMAX M A C xii 1.2. Mô tả lớp vật lý 1.2.1 Truyền lan LOS và NLOS Trong thông tin vô tuyến, sóng vô tuyến được truyền qua môi trường vật lý có nhiều cầu trúc và vật thể như tòa nhà, đồi núi, cây cối xe cộ chuyển động…. Nói chung quá trình truyền sóng trong thông tin vô tuyến rất phức tạp. Quá trình này có thể chỉ có một đường truyền thẳng (LOS: line of sight), hay nhiều đường mà không có LOS hoặc cả hai. Truyền sóng nhiều đường xẩy ra khi có phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ. Trong liên kết LOS, một tín hiệu di chuyển qua một đường truyền thẳng và không có vật cản từ đầu phát đến đầu thu. Một liên kết LOS yêu cầu hầu hết miền Fresnel không có vật cản nào như hình vẽ. Nếu tiêu chuẩn này không đáp ứng thì sẽ có sự suy giảm đáng kể về độ lớn tín hiệu. Độ mở Fresnel được yêu cầu tùy thuộc vào tần số hoạt động và khoảng cách giữa vị trí đầu phát và đầu thu. Trong một liên kết NLOS, một tín hiệu đến đầu thu thông qua phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ. Tín hiệu đến tại đầu thu bao gồm các thành phần từ đường truyền thẳng, các đường truyền phản xạ, năng lượng tán xạ và các đường truyền lan nhiễu xạ. Các tín hiệu này khác nhau về khoảng rộng trễ, độ suy giảm, độ phân cực, và độ ổn định liên quan đến đường truyền thẳng. Hiện tượng đa đường có thể gây ra sự thay đổi phân cực tín hiệu. Do đó sử dụng phân cực như một phương pháp để tái sử dụng tần số, điều đó là thông dụng trong triển khai LOS nhưng có thể gặp nhiều khóa khăn trong các ứng dụng NLOS. Làm cách nào để hệ thống vô tuyến biến các tín hiệu đa đường thành một lợi ích là một mấu chốt để cung cấp dịch vụ trong các điều kiện NLOS. Một sản phẩm mà chỉ đơn thuần tăng công suất để xuyên qua các vật cản không phải là công nghệ của NLOS bởi vì phương pháp này vẫn còn dựa vào một đường truyền thẳng mạnh mẽ mà không sử dụng năng lượng có trong các tín hiệu gián tiếp. Cả hai kiểu LOS và NLOS đều bị chi phối bởi các đặc tính truyền lan của môi trường, suy hao đường truyền và nhiễu liên kết vô tuyến . xiii Độ mở miền Fresnel 0.6 Vị trí đặt trạm gốc Wimax Vị trí đặt CPE Wimax Mọi chướng ngại phải ở ngoài 0.6 của miền mở Fresnel đầu tiên Hình 1. 2 . Mô hình LOS Có nhiều lợi ích khiến truyền lan NLOS trở nên hấp dẫn. Ví dụ, các yêu cầu quy hoạch khắt khe, và những hạn chế về chiều cao của anten thường không cho phép anten được đặt trong môt trường LOS. Với các hệ thống cell quy mô lớn cạnh nhau thì việc tái sử dụng tần số là không phù hợp, làm giảm chiều cao anten là thuận lợi để giảm nhiễu kênh liên kết giữa các vị trí cell gần nhau. Điều này thường áp dụng cho các BS hoạt động trong điều kiện NLOS. Các hệ thống LOS không thể giảm chiều cao anten bởi vì nếu làm thế có thể tạo ra tác động đến đường truyền tầm nhìn thẳng được yêu cầu từ CPE đến BS. Công nghệ NLOS cũng giảm chi phí lắp đặt bằng cách lắp đặt CPE dưới mái hiên an toàn, làm giảm những khó khăn trong việc định vị các vị trí thích hợp của khung anten. Công nghệ này cũng làm giảm nhu cầu về khảo sát vị trí trước khi lắp đặt và cải thiện độ chính xác của các công cụ quy hoạch NLOS xiv Công nghệ NLOS và các đặc điểm nổi bật trong WiMAX làm cho nó có thể sử dụng các CPE trong nhà. Có hai thách thức chủ yếu là, đầu tiên phải khắc phục được các suy hao khi xuyên qua tòa nhà, thứ hai là khoảng cách bao phủ phù hợp với công suất phát và độ khuếch đại anten gắn với CPE phải thấp hơn. WiMAX đã khắc phục được điều này bằng cách thêm một số khả năng tùy chọn cho nó. Các giải pháp được lựa chọn cho NLOS là sử dụng công nghệ OFDM, kênh con hóa, các anten tính hướng, điều chế thích ứng, kĩ thuật hiệu chỉnh lỗi và điều khiển công suất. Trạm gốc Wimax (BS) Thiết bị truyền thông cá nhân Wimax (CPE) Đường trực tiếp Đường gián tiếp Hình 1. 3. Mô hình NLOS 1.2.2 Chế độ truyền dẫn. Đặc điểm lớp vật lý WiMAX hỗ trợ cả hai kiểu truyền dẫn TDD, FDD và cho phép phương thức bán song công HD-FDD (half duplex - FDD). Chế độ truyền dẫn TDD, đường lên và đường xuống sử dụng cùng tần số và chia sẻ thời gian bằng việc gán các khe thời gian cho phương thức phát và nhận, TDD chỉ hỗ trợ phương thức truyền dẫn bán song công. xv FDD yêu cầu hai phổ tần riêng rẽ cho truyền dẫn đường lên và đường xuống. FDD có thể hỗ trợ phương thức truyền dẫn song công và bán song công. Trong băng tần cấp phép hỗ trợ cả hai chế độ truyền dẫn TDD và FDD, HDFDD. Trong băng tần không cấp phép chỉ hỗ trợ chế độ truyền dẫn TDD. 1.2.3 Sơ đồ khối quá trình truyền - nhận tin Hình 1. 4. Quá trình truyền-nhận tin Thông tin của lớp vật lý sẽ được nhồi vào các symbol. Quá trình truyền dữ liệu bao gồm các quá trình mã hóa kênh, điều chế OFDM thành các symbol và điều chế cao tần. Cụ thể: • Mã hóa kênh Mã hoá kênh gồm quá trình ngẫu nhiên hóa, quá trình mã hóa sửa lỗi FEC và quá trình xen kẽ. Quá trình ngẫu nhiên hóa Ngẫu nhiên hóa dữ liệu được thực hiện trên mỗi burst dữ liệu cả đường lên và đường xuống. Ngẫu nhiên hóa được thực hiện trên mỗi phần (đường lên hoặc đường xuống) có nghĩa rằng với mỗi phần của một khối dữ liệu (các kênh con trên miền tần số và các symbol OFDM trên miền thời gian) bộ tạo ngẫu nhiên sẽ được dùng một cách độc lập. Nếu lượng dữ liệu để phát không vừa vặn một cách chính xác với lượng dữ liệu được đã được cung cấp, vật đệm 0xFF sẽ được thêm vào cuối khối truyền. Với dữ liệu đã mã hóa RS-CC và CC, đệm sẽ được thêm vào cuối khối truyền, cho đến lượng dữ liệu đã được cung cấp trừ 1 byte, cái này sẽ được phục vụ xvi cho việc giới thiệu một byte đuôi 0x00 bởi FEC. Với BTC và CTC, nếu được bổ sung, đệm sẽ được thêm vào cuối khối truyền cho đến lượng dữ liệu đã được cung cấp. Thanh ghi dịch chuyển của bộ tạo ngẫu nhiên sẽ được khởi tạo cho mỗi phần mới. Hàm tạo chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên là 1+x14+x15. Mỗi byte dữ liệu được phát sẽ đi vào bộ tạo ngẫu nhiên một cách tuần tự, đầu tiên là MSB. Đầu đề không được ngẫu nhiên hóa. Giá trị gốc sẽ được dùng để tính toán các bit ngẫu nhiên hóa, nó kết hợp theo phép toán XOR với luồng bit đã phát của mỗi burst. Chuỗi ngẫu nhiên chỉ được áp dụng cho các bit thông tin. Các bit được tạo ra từ bộ ngẫu nhiên sẽ được đưa vào bộ mã hóa. Ở đường xuống, bộ tạo ngẫu nhiên sẽ được khởi tạo lại ở điểm khởi đầu mỗi khung với chuỗi 100101010000000. Bộ tạo ngẫu nhiên sẽ không được xác lập lại ở điểm khởi đầu burst #1. Ở điểm khởi đầu của các burst tiếp theo (từ burst #2 đến burst #n), bộ tạo ngẫu nhiên sẽ được khởi tạo với vecter như hình vẽ. Số khung sử dụng để khởi tạo tương ứng với khung trong burst đường xuống đã được phát. BSID DIUC b3 b2 b1 b0 b14 b13 b12 b11 b3 1 1 b8 b2 b7 Số khung b1 b6 b0 b5 b3 1 b3 MSB b2 b2 b1 b0 b1 b0 LSB Hình 1. 5. Vector khởi tạo đường xuống bộ tạo ngẫu nhiên OFDM DIUC là mã sử dụng trong khoảng thời gian đường xuống. BSID là nhận dạng trạm gốc. Ở đường lên, bộ tạo ngẫu nhiên được khởi tạo với một vector cho trước. Số khung sử dụng để khởi tạo là của khung trong ánh xạ đường lên cho biết burst đường lên đã được phát. Ưu điểm của quá trình ngẫu nhiên hoá: - Đảm bảo được sự đồng bộ với bên thu, đồng hồ bên thu sẽ dễ dàng được khôi phục, qua đó vấn đề giải điều chế cũng dễ hơn. xvii - Đảm bảo an ninh cho tín hiệu, đối với các thiết bị mà không có được bộ giải điều chế ngẫu nhiên thì các tín hiệu này giống như các tín hiệu nhiễu, tạp (xác suất bit 1 và 0 là ngang nhau), nó sẽ không thu nhận được. Quá trình mã hóa sửa lỗi Quá trình mã hóa thực hiện sửa lỗi trong trường hợp các bit bị hỏng, bị sai trên đường truyền. Trong những điều kiện môi trường truyền tin không tốt, dữ liệu bị hỏng, bên thu có thể dựa vào quá trình giải mã để hồi phục lại nguyên vẹn thông tin. WiMAX kết hợp cả hai loại mã sửa lỗi: mã khối và mã chập. Dữ liệu được mã hóa bằng mã khối (mã Reed-Solomon), sau đó sẽ được mã hóa bằng mã chập. Bảng 1. 2: Bảng mô tả sửa lỗi với các lựa chọn khác nhau Mã hóa RS(n,k,t): với k bit đầu vào, n bit đầu ra và có thể sửa được t lỗi. Mã hóa CC n/k: có k bit đầu vào thì có n bit đầu ra. Ví dụ, khi dùng điều chế QPSK với 24 byte đầu vào chưa được mã hóa. Khi qua bộ mã hóa Reed-Solomoon RS (32,24,4) ta sẽ có 32 byte đầu ra. Tiếp tục cho qua bộ mã hóa CC2/3 ta sẽ có 48 byte đầu ra. Như vậy, với 24 byte đầu vào sẽ có 48 byte đầu ra. Kết quả ta có hệ số mã hóa chung là ½. Quá trình xen kẽ Quá trình này nhằm hỗ trợ việc khôi phục thông tin phía thu, tránh lỗi bit xảy ra một cụm liên tục nhau. Các cụm bit sẽ được truyền xen kẽ với nhau. Bảng 1. 3: Bảng mô tả xen kẽ trong WiMAX BPSK 16 kênh con (mặc định) 192 8 kênh con 4 kênh con 2 kênh con 1 kênh con 96 48 24 12 xviii QPSK 384 16QAM 768 64QAM 1152 • Điều chế OFDM 192 384 576 96 192 288 48 96 144 24 48 72 Quá trình này có một số điểm cần chú ý Thêm các thông tin dẫn đường Thông tin dẫn đường được chèn thêm vào để bên nhận có thể dự đoán được kênh truyền và được vận chuyển bởi các sóng mang dẫn đường. Quá trình này được thực hiện trước khi ánh xạ vào các ký hiệu BPSK. Điều chế số Các bit sẽ được ánh xạ vào các kí hiệu BPSK, QPSK, 16QAM hoặc 64QAM tùy trường hợp. Do yêu cầu phải đảm bảo độ tin cậy, khỏe nhất đối với các thông tin dẫn đường mà các thông tin này bắt buộc điều chế vào các kí hiệu BPSK. IFFT Quá trình điều chế đa sóng mang trực giao bằng cách biến đổi Furie rời rạc ngược. Các kí hiệu BPSK, QPSK, QAM được điều chế vào các sóng mang khác nhau. WMAN-OFDM định nghĩa kích thước của FFT là 256. Với 192 sóng mang dữ liệu, 8 sóng mang dẫn đường và 55 sóng mang bảo vệ (sóng mang trung tâm không được dùng). Bảng 1. 4: Bảng mô tả các thông số trong khâu biến đổi OFDM Thông số Số sóng mang NFFT Số sóng mang sử dụng Số sóng mang dẫn đường Số sóng mang dữ liệu Số sóng mang bảo vệ Tg/Ts • Điều chế cao tần Giá trị 256 200 8 192 55 (28 Thấp, 27 cao) 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 Các sóng mang trong quá trình điều chế OFDM tạo thành một OFDM Symbol cơ bản. Tín hiệu trước khi được truyền đi cho qua bộ điều chế cao tần để đưa lên ănten. xix Quá trình nhận được thực hiện theo thứ tự ngược lại, qua các khâu giải điều chế, giải mã. 1.2.4 OFDM Symbol Một OFDM Symbol được tạo thành từ các sóng mang con, tương ứng với kích thước của biến đổi FFT. Trong một symbol có ba loại sóng mang: sóng mang dữ liệu dùng để truyền dữ liệu, sóng mang dẫn đường cho mục đích dự báo sự thay đổi và sóng mang rỗng sẽ không mang thông tin, được dùng để làm khoảng bảo vệ. Thuận lợi của OFDM là tính đàn hồi của nó với đa đường. Với nhiễu và fading tần số được lựa chọn, OFDM có thể khắc phục bằng cách lợi dụng tính chất băng thông chậm hơn và song song của nó *) Cấu trúc theo miền thời gian của symbol có dạng sau: Chuyển đổi Fourier ngược tạo ra dạng sóng OFDM, khoảng thời gian này được xem như thời gian symbol hữu ích Tb. Một bản sao của Tg ở cuối của chu kì symbol hữu ích được gọi là CP (Cyclic Prefix: mào đầu chu kì) dùng để tập trung đa đường trong khi duy trì tính trực giao của các tín hiệu. Ts Chu kì toàn bộ Symbol Mào đầu chu kì Tg Tải trọng dữ liệu Tb Chu kì Symbol hữu ích Tg Cấu trúc của symbol trên miền tần số có dạng: xx Hình 1. 6. Cấu trúc symbol trong miền tần số Miền tần số bao gồm cấu trúc cơ bản của một symbol OFDM Một symbol OFDM được tạo thành từ các sóng mang con, số sóng mang con quyết định kích cỡ FFT được dùng. Có 3 loại sóng mang con: • Sóng mang con dữ liệu: để truyền dữ liệu • Sóng mang con dẫn đường: cho các mục đích đánh giá khác nhau • Sóng mang con rỗng: không để truyền, dành cho các băng bảo vệ, các sóng mang con không hoạt động và các sóng mang con DC Sóng mang con DC: trong tín hiệu OFDM hay OFDMA, sóng mang con mà tần số của nó có thể bằng tần số trung tâm RF của trạm. Mục đích của các băng tần bảo vệ là làm cho tín hiệu suy giảm một cách tự nhiên và tạo dạng FFT. 1.2.5 Điều chế và mã hóa thích ứng Với kĩ thuật điều chế thích ứng sẽ làm tăng dung lượng kênh truyền và phạm vi bao phủ. Điều chế thích ứng cho phép một hệ thống WiMAX tối ưu thông lượng dựa trên các điều kiện truyền lan. Sử dụng lược đồ điều chế thích ứng, hệ thống WiMAX có thể chọn điều chế mức cao nhất cung cấp các điều kiện kênh truyền tốt. Một SNR tốt gần BS, vì thế lược đồ điều chế mức cao hơn được sử dụng trong các vùng này để tăng thông lượng. Tuy nhiên, trong các vùng gần rìa tế bào, SNR thường thấp vì thế hệ thống hạ xuống lược đồ điều chế mức thấp hơn để duy trì chất lượng kết nối và độ ổn định của liên kết.