CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ WIMAX 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 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. WiMax gần giống với Wi- Fi nhưng được cải thiện khá nhiều để có thể tăng tốc độ truyền dẫn dữ liệu tới 70 Mbs 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.
Wimax cho phép 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. Năm 2007 công nghệ Wimax được kết hợp vào trong các máy tính xách tay và các PDA cho phép các khu vực nông thôn và thành phố trở thành “các khu vực đô thị” để truy cập vô tuyến băng rộng ngoài trời cho các thiết bị di động.
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. 16 Công nghệ Wimax, dựa trên chuẩn giao diện vô tuyến IEEE 802.16-2004 đã nhanh chóng khẳng định vai trò chính trong mạng vô tuyến băng rộng cố định ở các vùng đô thị lớn. Tháng 12 năm 2005 IEEE công bố chuẩn 802.16e, bản chỉnh sửa của chuẩn 802.16e đã bổ sung thêm một số tính năng cần thiết để hỗ trợ thêm tính di động trong Wimax. Hai chế độ song công được áp dụng cho WiMax là song công phân chia theo thời gian TDD (Time Division Duplexing) và song công phân chia theo tần số (Frequency Division Duplexing).
FDD cần có 2 kênh, một đường lên, một đường xuống. Với TDD chỉ cần 1 kênh tần số, lưu lượng đường lên và đường xuống được phân chia theo các khe thời gian. Công nghệ Wimax là giải pháp băng rộng vô tuyến cải thiện vùng phủ sóng cho mạng băng rộng cố định và băng rộng di động thông qua công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng và cấu hình mạng cố định. Diễn đàn Wimax có nhiệm vụ định nghĩa các đặc tả dành cho lớp vật lý (PHY), tầng MAC đảm bảo một nền tảng thống nhất cho tất cả những triển khai Wimax.
MÔ TẢ LỚP VẬT LÝ Lớp vật lý (PHY) được 802.16 định nghĩa có ba biến thể: sóng mang đơn, OFDM 256 và OFDMA 2048. Lớp vật lý OFDM 256 được diễn đàn Wimax lựa chọn cho các mô tả đầu tiên dựa trên 802.16-2004 (trước đây là 802. Đặc điểm lớp vật lý Lớp vật lý Wimax hoạt động ở ba dải băng tần truyền dẫn chính sau: - Dải băng tần cấp phép 10-66GHz: Ứng dụng trong môi trường truyền dẫn tầm nhìn thẳng (LOS). Trong dải băng tần này sử dụng bước sóng ngắn, băng thông 25MHz hoặc 28MHz, cung cấp ứng dụng tốc độ 120Mb/s, phù hợp với các ứng dụng điểm đa điểm (PMP) ở các cơ quan, trường học, khu vực dân cư nhỏ.
17 - Dải băng tần dưới 11GHz: Ứng dụng trong môi trường truyền dẫn tầm nhìn thẳng (LOS) và không cần thiết trong tầm nhìn thẳng (NLOS). Trong dải băng tần này sử dụng bước sóng dài hơn, hỗ trợ một số đặc tính như kỹ thuật quản lý nguồn, làm giảm nhiễu giao thoa (interference) và sử dụng đa anten. - Dải băng tần không cấp phép dưới 11GHz (5-6GHz): hạn chế nhiễu giao thoa và giảm sự bức xạ nguồn (radiated power). Lớp vật lý và lớp MAC hỗ trợ kỹ thuật lựa chọn tần số động (DFS: Dynamic Frequency Selection) phát hiện và tránh nhiễu giao thoa.
Các băng tần được Diễn đàn Wimax tập trung xem xét và vận động cơ quan quản lý tần số các nước phân bổ cho Wimax là: 3600-3800MHz, 3400- 3600MHz (băng 3,5GHz), 3300-3400MHz (băng 3,3GHz), 2500-2690MHz (băng 2,5GHz), 2300-2400MHz (băng 2,3GHz), 5725-5850MHz (băng 5,8GHz), 700-800MHz (dưới 1GHz). 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. 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, HD-FDD. Trong băng tần không cấp phép chỉ hỗ trợ chế độ truyền dẫn TDD. Sơ đồ khối quá trình truyền - nhận tin Hình 1.1: 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 Quá trình ngẫu nhiên hoá thực hiện giả ngẫu nhiên chuỗi bit tín hiệu đầu vào. Chuỗi bit đầu vào sẽ được biến đổi sao cho xác suất xuất hiện các bit 0 và 1 tương đương nhau, tránh hiện tượng quá nhiều bit 0 hoặc bit 1 cùng xuất hiện liên tiếp, tránh hiện tượng mất xung đồng bộ.
Nhưng quá trình này có chu kì lặp lại nên trong một khoảng thời gian nhất định thì coi nó là ngẫu nhiên. 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. 19 - 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.1: 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. 20 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. Điều chế OFDM 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) 21 Bảng 1.2: Bảng mô tả các thông số trong khâu biến đổi OFDM Thông số Giá trị Số sóng mang NFFT 256 Số sóng mang sử dụng 200 Số sóng mang dẫn đường 8 Số sóng mang dữ liệu 192 Số sóng mang bảo vệ 55 (28 Thấp, 27 cao) Tg/Ts 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 Dải Điều chế cao tần 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.
Quá trình nhận được thực hiện theo thứ tự ngược lại, qua các khâu giải điều chế, giải mã. OFDM Symbol Một OFDM Symbol được tạo thành từ các sóng mang con, tương ứng với kích thước của biến đổi FFT. OFDM Symbol gồm tất cả các thông tin được vận chuyển bởi các sóng mang con sau khâu 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.
22 Cấu trúc theo miền thời gian của symbol có dạng sau: Hình 1.2: Cấu trúc symbol trong miền thời gian Symbol có độ dài Ts, trong đó Tb là khoảng thời gian thực của symbol còn Tg=Ts-Tb là giá trị thêm vào để chống hiện tượng đa đường. Phần này gọi là CP (Cyclic Prefix), nó có thể có các giá trị khác nhau tùy vào hệ thống. CP thường là sao chép một phần cuối của symbol. Khi khởi tạo, một SS sẽ tìm kiếm tất cả các giá trị có thể của CP cho tới khi tìm ra được giá trị CP đã được sử dụng bởi BS.