Tìm Hiểu Về Công Nghệ WiMAX và IEEE 802.16

• Người hướng dẫn: PTS. Nguyễn Văn A
• Trường học: Hà Nội
• Chuyên ngành: Công Nghệ Thông Tin
• Đề tài: Tìm Hiểu Về Công Nghệ WiMAX và IEEE 802.16
• Loại tài liệu: tiểu luận
• Năm xuất bản: 2006
• Địa điểm: Hà Nội

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN WIMAX
• 1.1. Sự ra đời của WiMAX
• 1.2. Đặc điểm chung của WiMAX
• 1.3. So sánh WiMAX với WiFi
• 1.4. Đấu trường PMR của WiMAX
• 1.5. Một số ứng dụng điển hình
• 2. CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT OFDM
• 2.1. Đa đường và hiệu suất phổ rộng OFDM
• 2.2. Đặc điểm kỹ thuật cơ bản của OFDM
• 2.3. Phép biến đổi Fourier rời rạc
• 2.4. Ưu điểm cơ bản của kỹ thuật OFDM
• 3. CHƯƠNG 3: LỚP VẬT LÝ IEEE 802
• 3.1. Chi tiết lớp vật lý IEEE 802
• 3.2. Quy trình hoạt động của thiết bị ở lớp vật lý
• 3.3. Quá trình ngẫu nhiên
• 3.4. Kiểm soát lỗi hướng thuận FE
• 3.5. Bộ điều chế và giải điều chế
• 3.6. Xử lý IFFT ở khối phát và FFT ở khối thu
• 3.7. Bộ đệm bằng và bộ ước lượng kênh
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG LỚP VẬT LÝ IEEE 802.16a OFDM VỚI PHẦN MỀM MATLAB7
• 4.1. Đặc điểm số hình của chương trình mô phỏng
• 4.2. Mô tả nội dung kịch bản điều chế
• 4.3. Menu Filesname
• 4.4. Các tham số trong cửa sổ hình
• 4.5. Kênh OFDM
• KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

I. WiMAX Là Gì Tổng Quan Về Công Nghệ IEEE 802

Ngày nay, công nghệ phát triển mạnh mẽ, kéo theo yêu cầu về hạ tầng truyền dẫn tăng cao. Từ truyền dẫn dữ liệu đơn giản, nay cần truyền âm thanh, hình ảnh, truyền hình chất lượng cao. Các chuẩn công nghệ liên tiếp ra đời. Wi-Fi thống lĩnh mạng không dây gia đình và văn phòng. TV, đầu đĩa có Wi-Fi xuất hiện nhiều. Nó cho phép truyền thông tin khắp thiết bị trong nhà không cần dây dẫn. Mạng không dây trên cơ sở thiết lập đa điểm ngày càng phổ biến, cho phép truy cập mạng, internet mọi lúc, mọi nơi. Điện thoại không dây dùng Wi-Fi cũng có mặt ở văn phòng. Tuy nhiên, Wi-Fi tiêu tốn năng lượng của thiết bị cầm tay và chuẩn 802.11 còn hạn chế. Thế hệ mạng đầu tiên dựa trên công nghệ mới WiMAX, hay IEEE 802.16, đã ra đời và sẽ phổ dụng. WiMAX là phiên bản phủ sóng diện rộng của Wi-Fi với thông lượng tối đa lên đến 70 Mbps và tầm xa lên đến 50 km, so với 50 m của Wi-Fi hiện nay. WiMAX có thể bao trùm cả một thành phố hay nhiều tỉnh thành giống như mạng điện thoại di động.

1.1. Lịch Sử Phát Triển và Sự Ra Đời Của WiMAX

Chúng ta đã biết đến các công nghệ truy nhập internet phổ biến hiện nay như quay số qua modem điện thoại (Dial Up), ADSL, các đường thuê kênh riêng (leased-line), hay sử dụng các hệ thống vô tuyến như điện thoại di động, hay mạng không dây WiFi. Mỗi phương pháp truy nhập mạng có đặc điểm riêng. Đối với Modem điện thoại thì tốc độ quá thấp, ADSL tốc độ có thể lên tới 8Mbps nhưng phải có đường dây kết nối, các đường thuê kênh riêng thì giá thành đắt lại rất khó khăn khi triển khai ở các khu vực có địa hình phức tạp. Hệ thống thông tin di động hiện tại cung cấp tốc độ truyền 9,6Kbps quá thấp so với nhu cầu người sử dụng. Ngay cả các mạng thế hệ sau GSM như GPRS (2,5G) cho phép truy nhập với tốc độ đến 171,2Kbps hoặc EDGE cũng chỉ tới 300-400Kbps. Như vậy rõ ràng chưa thể đáp ứng nhu cầu sử dụng các dịch vụ mạng internet ngày càng tăng. Hệ thống di động thế hệ tiếp theo 3G thì tốc độ truy nhập internet cũng không vượt quá 2Mbps. Còn với mạng WiFi thì chỉ có thể áp dụng cho các máy tính trao đổi thông tin với khoảng cách ngắn. Với thực tế như vậy, WiMAX (Khả năng tương tác toàn cầu với truy nhập vi ba) ra đời nhằm cung cấp một phương tiện truy nhập Internet không dây tổng hợp có thể thay thế cho ADSL và WiFi. Hệ thống WiMAX có khả năng cung cấp đường truyền với tốc độ lên đến 70Mbit/s và với bán kính phủ sóng của một trạm anten phát lên đến 50km.

1.2. Các Đặc Điểm Chung Của Công Nghệ WiMAX

WiMAX đã được tiêu chuẩn hóa ở IEEE 802.16. Hệ thống này là hệ thống đa truy cập không dây sử dụng công nghệ OFDMA có các đặc điểm sau: Khoảng cách giữa trạm thu và phát có thể tới 50km. Tốc độ truyền có thể thay đổi, tối đa 70Mbit/s. Hoạt động trong cả hai môi trường truyền dẫn: đường truyền tầm nhìn thẳng LOS và đường truyền che khuất NLOS. Dải tần làm việc 2-11GHz và từ 10-66GHz hiện đã được và đang được tiêu chuẩn hóa. Trong WiMAX hướng truyền tin được chia thành hai đường lên và xuống và đều sử dụng công nghệ OFDM để truyền. OFDM 256 được Diễn đàn WiMAX lựa chọn cho các mô tả đầu tiên dựa trên 802.16. WiMAX sử dụng điều chế nhiều mức thích hợp từ BPSK, QPSK đến 256-QAM kết hợp với các phương pháp sửa lỗi dữ liệu như ngẫu nhiên hóa, với mã hóa sửa lỗi Reed Solomon, mã chập tỷ lệ mã từ 1/2 đến 7/8.

II. So Sánh WiMAX và WiFi Ưu Nhược Điểm Cần Biết

WiMAX khác biệt so với chuẩn 802.11 - chuẩn không dây thường được biết tới với tên WiFi. Tốc độ truyền tải của WiMAX hỗ trợ tốc độ truyền tải tới 70Mbit/s (tốc độ phụ thuộc vào các kiểu ăng-ten sử dụng). WiFi hỗ trợ tốc độ truyền tải thấp hơn, chỉ 11Mbit/s. WiMAX hoạt động trên giải băng tần phụ thuộc vào hoàn cảnh. WiFi hoạt động trên giải băng tần 2,4GHz trong khi WiFi5 hoạt động ở hai giải băng tần 2,4GHz và 5,8GHz. Nếu không gặp phải nhiều vật cản, WiMAX có thể truyền tải dữ liệu trong bán kính khoảng 50km. Trong môi trường có nhiều vật cản, phạm vi này rút ngắn xuống từ 5-8km. WiFi là lựa chọn thích hợp trong các gia đình và các điểm truy cập phạm vi nhỏ. Với phạm vi rộng lớn của WiMAX, các nhà cung cấp dịch vụ sẽ có thể phủ sóng toàn bộ các khu vực đô thị với chỉ một vài tháp.

2.1. Các Tiêu Chuẩn Kết Nối Không Dây và Hạn Chế Của WiFi

Ngày nay chúng ta có 3 loại mạng LAN không dây chính: 802.11g là chuẩn mà chúng ta biết rõ nhất với cái tên WiFi. 802.11g sử dụng cùng một dải phổ như 802.11b và tương thích ngược với nó, đã trở thành công nghệ LAN không dây thông dụng như hiện nay. 802.11a thường được xem là anh em họ “đuối” hơn của 802.11g. Sự kém hiệu quả một cách ghê gớm của 802.11a/b/g là kết quả của một loạt nhân tố: sự thật thối nghiêm trọng và nhiễu trong dải 2,4GHz; sự xử lý kém cỏi của các tín hiệu trả về; các cơ chế tranh chấp tương tự Ethernet; nhu cầu mã hóa cao để đảm bảo an ninh. Tất cả những nhân tố này sẽ dẫn tới một dịch vụ vốn không giống như đã được quảng cáo. Giải pháp cho vấn đề hiệu quả kém này là đề xuất 802.11n. Chưa biết là khi nào thì một chuẩn phải ra đời (một thời điểm nào đó trong năm 2006 là thời hạn chính thức) nhưng một vài nhóm cạnh tranh phải thỏa thuận với nhau trước khi vấn đề cuối cùng cũng được giải quyết.

2.2. So Sánh Chi Tiết Tốc Độ Băng Tần và Phạm Vi Truyền Tải

Như đã nói đến, WiMAX hỗ trợ tốc độ truyền tải tới 70Mbit/s (tốc độ phụ thuộc vào các kiểu ăng-ten sử dụng). WiFi hỗ trợ tốc độ truyền tải thấp hơn, chỉ 11Mbit/s. WiMAX hoạt động trên giải băng tần phụ thuộc vào hoàn cảnh. WiFi hoạt động trên giải băng tần 2,4GHz trong khi WiFi5 hoạt động ở hai giải băng tần 2,4GHz và 5,8GHz. Nếu không gặp phải nhiều vật cản, WiMAX có thể truyền tải dữ liệu trong bán kính khoảng 50km. Trong môi trường có nhiều vật cản, phạm vi này rút ngắn xuống từ 5-8km. WiFi là lựa chọn thích hợp trong các gia đình và các điểm truy cập phạm vi nhỏ. Với phạm vi rộng lớn của WiMAX, các nhà cung cấp dịch vụ sẽ có thể phủ sóng toàn bộ các khu vực đô thị với chỉ một vài tháp.

III. Kỹ Thuật OFDM Trong WiMAX Cách Truyền Dữ Liệu Hiệu Quả

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là kỹ thuật điều chế đa sóng mang, chia kênh tần số trực giao. Nó được sử dụng rộng rãi trong WiMAX để truyền dữ liệu hiệu quả. OFDM giúp giảm ảnh hưởng của đa đường và tăng hiệu suất phổ. Kỹ thuật này chia băng tần thành nhiều kênh con hẹp, mỗi kênh con mang một phần nhỏ dữ liệu. Các kênh con này trực giao với nhau, giảm nhiễu giữa các kênh. Điều này cho phép WiMAX đạt tốc độ truyền dữ liệu cao và ổn định.

3.1. Đa Đường và Hiệu Suất Phổ Trong OFDM

Đa đường là hiện tượng tín hiệu truyền từ nguồn đến đích theo nhiều đường khác nhau. Điều này gây ra nhiễu và làm giảm chất lượng tín hiệu. OFDM giảm ảnh hưởng của đa đường bằng cách sử dụng các kênh con hẹp. Mỗi kênh con chỉ chịu ảnh hưởng của một phần nhỏ của đa đường. Hiệu suất phổ là khả năng sử dụng hiệu quả băng tần. OFDM tăng hiệu suất phổ bằng cách sử dụng các kênh con trực giao. Các kênh con này không gây nhiễu lẫn nhau, cho phép sử dụng băng tần hiệu quả hơn.

3.2. Các Đặc Tính Kỹ Thuật Cơ Bản Của OFDM

OFDM có nhiều đặc tính kỹ thuật cơ bản. Nó sử dụng biến đổi Fourier rời rạc (DFT) để điều chế và giải điều chế tín hiệu. OFDM cũng sử dụng tiền tố lặp (CP) để giảm nhiễu giữa các ký hiệu (ISI). CP là một bản sao của phần cuối của ký hiệu được thêm vào đầu ký hiệu. Điều này giúp đảm bảo rằng tín hiệu đến đích đúng thời điểm.

3.3. Ưu Điểm Của Kỹ Thuật OFDM Trong WiMAX

Kỹ thuật OFDM có nhiều ưu điểm trong WiMAX. Nó giúp giảm ảnh hưởng của đa đường, tăng hiệu suất phổ, và cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao. OFDM cũng linh hoạt và có thể được điều chỉnh để phù hợp với các điều kiện kênh khác nhau. Điều này làm cho WiMAX trở thành một công nghệ truyền thông không dây hiệu quả và đáng tin cậy.

IV. Lớp Vật Lý IEEE 802

Lớp vật lý IEEE 802.16 là lớp thấp nhất trong kiến trúc giao thức WiMAX. Nó chịu trách nhiệm truyền và nhận dữ liệu qua kênh vô tuyến. Lớp vật lý định nghĩa các thông số như băng tần, điều chế, mã hóa, và giao thức truy cập. Nó cũng bao gồm các chức năng như đồng bộ hóa, ước lượng kênh, và điều khiển công suất. Lớp vật lý IEEE 802.16 đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy của mạng WiMAX.

4.1. Chi Tiết Lớp Vật Lý IEEE 802.16a

Lớp vật lý IEEE 802.16a là một phiên bản của lớp vật lý IEEE 802.16. Nó được thiết kế để hoạt động trong băng tần 2-11 GHz. Lớp vật lý IEEE 802.16a sử dụng công nghệ OFDM để truyền dữ liệu. Nó cũng hỗ trợ nhiều sơ đồ điều chế khác nhau, bao gồm BPSK, QPSK, 16-QAM, và 64-QAM. Lớp vật lý IEEE 802.16a cũng bao gồm các chức năng như điều khiển công suất, ước lượng kênh, và đồng bộ hóa.

4.2. Quá Trình Hoạt Động Của Thiết Bị Ở Lớp Vật Lý

Quá trình hoạt động của thiết bị ở lớp vật lý bao gồm nhiều bước. Đầu tiên, dữ liệu được mã hóa và điều chế. Sau đó, dữ liệu được truyền qua kênh vô tuyến. Tại đầu thu, dữ liệu được giải điều chế và giải mã. Cuối cùng, dữ liệu được chuyển đến lớp trên. Quá trình này được thực hiện liên tục để đảm bảo truyền dữ liệu hiệu quả và đáng tin cậy.

4.3. Kiểm Soát Lỗi Hướng Thuận FEC Trong IEEE 802.16

Kiểm soát lỗi hướng thuận (FEC) là một kỹ thuật được sử dụng để phát hiện và sửa lỗi trong quá trình truyền dữ liệu. FEC được sử dụng trong lớp vật lý IEEE 802.16 để cải thiện độ tin cậy của mạng. FEC hoạt động bằng cách thêm thông tin dư thừa vào dữ liệu trước khi truyền. Tại đầu thu, thông tin dư thừa này được sử dụng để phát hiện và sửa lỗi.

V. Ứng Dụng Thực Tế Của Công Nghệ WiMAX Trong Đời Sống

WiMAX có nhiều ứng dụng thực tế trong đời sống. Nó có thể được sử dụng để cung cấp truy cập internet băng rộng cho các khu vực nông thôn và vùng sâu vùng xa. WiMAX cũng có thể được sử dụng để cung cấp các dịch vụ như truyền hình trực tuyến, hội nghị truyền hình, và trò chơi trực tuyến. Ngoài ra, WiMAX có thể được sử dụng để hỗ trợ các ứng dụng di động như điện thoại di động và máy tính bảng.

5.1. Triển Khai WiMAX Trong Mạng Lưới Băng Rộng Không Dây

WiMAX có thể được triển khai trong mạng lưới băng rộng không dây để cung cấp truy cập internet tốc độ cao cho người dùng. Mạng lưới WiMAX có thể được sử dụng để kết nối các khu vực nông thôn và vùng sâu vùng xa với internet. Nó cũng có thể được sử dụng để cung cấp các dịch vụ như truyền hình trực tuyến, hội nghị truyền hình, và trò chơi trực tuyến.

5.2. WiMAX Trong Các Ứng Dụng Di Động và Kết Nối Mọi Lúc Mọi Nơi

WiMAX có thể được sử dụng để hỗ trợ các ứng dụng di động như điện thoại di động và máy tính bảng. WiMAX cung cấp kết nối internet tốc độ cao cho các thiết bị di động, cho phép người dùng truy cập internet mọi lúc mọi nơi. Nó cũng có thể được sử dụng để hỗ trợ các ứng dụng như truyền hình trực tuyến, hội nghị truyền hình, và trò chơi trực tuyến trên các thiết bị di động.

VI. Tương Lai Của WiMAX Xu Hướng Phát Triển và Tiềm Năng

Tương lai của WiMAX rất hứa hẹn. Công nghệ này đang tiếp tục phát triển và cải tiến. Các phiên bản mới của WiMAX, như WiMAX 2, cung cấp tốc độ truyền dữ liệu cao hơn và hiệu suất tốt hơn. WiMAX cũng đang được tích hợp với các công nghệ khác, như LTE, để tạo ra các mạng lưới truyền thông không dây mạnh mẽ hơn. WiMAX có tiềm năng trở thành một công nghệ quan trọng trong tương lai của truyền thông không dây.

6.1. WiMAX 2 và Sự Phát Triển Của Các Tiêu Chuẩn Mới

WiMAX 2 là một phiên bản mới của WiMAX. Nó cung cấp tốc độ truyền dữ liệu cao hơn và hiệu suất tốt hơn so với các phiên bản trước. WiMAX 2 cũng hỗ trợ các tính năng mới, như MIMO và beamforming. Các tiêu chuẩn mới cho WiMAX đang được phát triển để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về truyền thông không dây tốc độ cao.

6.2. So Sánh WiMAX và LTE Cuộc Đua Công Nghệ Không Dây

WiMAX và LTE là hai công nghệ cạnh tranh trong lĩnh vực truyền thông không dây. Cả hai công nghệ đều cung cấp tốc độ truyền dữ liệu cao và hiệu suất tốt. Tuy nhiên, có một số khác biệt giữa hai công nghệ. WiMAX được thiết kế để cung cấp truy cập internet băng rộng cho các khu vực rộng lớn, trong khi LTE được thiết kế để cung cấp truy cập internet tốc độ cao cho các thiết bị di động. Cả hai công nghệ đều có ưu và nhược điểm riêng, và tương lai của truyền thông không dây có thể sẽ bao gồm cả hai công nghệ.