Tài liệu Luận văn: Giải pháp điều khiển trong WiMAX doc

LINK DOWNLOAD MIỄN PHÍ TÀI LIỆU "Tài liệu Luận văn: Giải pháp điều khiển trong WiMAX doc": http://123doc.vn/document/1041452-tai-lieu-luan-van-giai-phap-dieu-khien-trong-wimax-doc.htm

Chương 1: Tổng quan về công nghệ WiMAX
5

MS không bị cản trở. Mở rộng phạm vi bị giới hạn hiện tại của WLAN công
cộng (hotspot) đến phạm vi rộng (hotzone) – cùng công nghệ thì có thể sử
dụng ở nhà và di chuyển. Ở những điều kiện tốt nhất có thể đạt được phạm vi
phủ sóng 50 km với tốc độ dữ liệu bị hạ thấp (một vài Mbit/s), phạm vi phủ
sóng điển hình là gần 5 km với CPE (NLOS) trong nhà và gần 15km với một
CPE được nối với một anten bên ngoài (LOS).
o Dung lượng cao: Có thể đạt được dung lượng 75 Mbit/s cho các trạm gốc với
một kênh 20 MHz trong các điều kiện truyền sóng tốt nhất.
o Tính mở rộng. Chuẩn 802.16 -2004 hỗ trợ các dải thông kênh tần số vô tuyến
(RF) mềm dẻo và sử dụng lại các kênh tần số này như là một cách để tăng
dung lượng mạng. Chuẩn cũng định rõ hỗ trợ đối với TPC (điều khiển công
suất phát) và các phép đo chất lượng kênh như các công cụ thêm vào để hỗ trợ
sử dụng phổ hiệu quả. Chuẩn đã được thiết kế để đạt tỷ lệ lên tới hàng trăm
thậm chí hàng nghìn người sử dụng trong một kênh RF. Các nhà vận hành có
thể cấp phát lại phổ qua hình quạt như số thuê bao gia tăng. Hỗ trợ nhiều kênh
cho phép các nhà chế tạo thiết bị cung cấp một phương tiện để chú trọng vào
phạm vi sử dụng phổ và những quy định cấp phát được nói rõ bởi các nhà vận
hành trong các thị trường quốc tế thay đổi khác nhau.
o Bảo mật: Bằng cách mật hóa các liên kết vô tuyến giữa BS và MS, sử dụng
chuẩn mật hóa tiên tiến AES ở chế độ CCM, đảm bảo sự toàn vẹn của dữ liệu
trao đổi qua giao diện vô tuyến. Cung cấp cho các nhà vận hành với sự bảo vệ
mạnh chống lại những hành vi đánh cắp dịch vụ.
1.4. Các chuẩn của Wimax.
1.4.1. Chuẩn IEEE 802.16 – 2001.
Chuẩn IEEE 802.16-2001 được hoàn thành vào tháng 10/2001 và được công
bố vào 4/2002, định nghĩa đặc tả kỹ thuật giao diện không gian WirelessMAN™
cho các mạng vùng đô thị. Đặc điểm chính của IEEE 802.16 – 2001:
Chương 1: Tổng quan về công nghệ WiMAX
6

 Giao diện không gian cho hệ thống truy nhập không dây băng rộng cố định
họat động ở dải tần 10 – 66 GHz, cần thỏa mãn tầm nhìn thẳng.
 Lớp vật lý PHY: WirelessMAN-SC.
 Tốc độ bit: 32 – 134 Mbps với kênh 28 MHz.
 Điều chế QPSK, 16 QAM và 64 QAM.
 Các dải thông kênh 20 MHz, 25 MHz, 28 MHz.
 Bán kính cell: 2 – 5 km.
 Kết nối có định hướng, MAC TDM/TDMA, QoS, bảo mật.
1.4.2. Chuẩn IEEE 802.16a.
Vì những khó khăn trong triển khai chuẩn IEEE 802.16, hướng vào việc sử
dụng tần số từ 10 – 66 GHz, một dự án sửa đổi có tên IEEE 802.16a đã được hoàn
thành vào tháng 11/2002 và được công bố vào tháng 4/2003. Chuẩn này được mở
rộng hỗ trợ giao diện không gian cho những tần số trong băng tần 2–11 GHz, bao
gồm cả những phổ cấp phép và không cấp phép và không cần thoả mãn điều kiện
tầm nhìn thẳng. Đặc điểm chính của IEEE 802.16a như sau:
 Bổ sung 802.16, các hiệu chỉnh MAC và các đặc điểm PHY thêm vào cho
dải 2 – 11 GHz (NLOS).
 Tốc độ bit : tới 75Mbps với kênh 20 MHz.
 Điều chế OFDMA với 2048 sóng mang, OFDM 256 sóng mang, QPSK, 16
QAM, 64 QAM.
 Dải thông kênh có thể thay đổi giữa 1,25MHz và 20MHz.
 Bán kính cell: 6 – 9 km.
 Lớp vật lý PHY: WirelessMAN-OFDM, OFDMA, SCa.
 Các chức năng MAC thêm vào: hỗ trợ PHY OFDM và OFDMA, hỗ trợ
công nghệ Mesh, ARQ.
1.4.3. Chuẩn IEEE 802.16 – 2004.
Tháng 7/2004, chuẩn IEEE 802.16 – 2004 hay IEEE 802.16d được chấp
thông qua, kết hợp của các chuẩn IEEE 802.16 – 2001, IEEE 802.16a, ứng dụng
Chương 1: Tổng quan về công nghệ WiMAX
7

LOS ở dải tần số 10- 66 GHz và NLOS ở dải 2- 11 GHz. Khả năng vô tuyến bổ
sung như là “beam forming” và kênh con OFDM.
1.4.4. Chuẩn IEEE 802.16e.
Đầu năm 2005, chuẩn không dây băng thông rộng 802.16e với tên
gọi Mobile WiMax đã được phê chuẩn, cho phép trạm gốc kết nối tới những thiết bị
đang di chuyển. Chuẩn này giúp cho các thiết bị từ các nhà sản xuất này có thể làm
việc, tương thích tốt với các thiết bị từ các nhà sản xuất khác. 802.16e họat động ở
các băng tần nhỏ hơn 6 GHz, tốc độ lên tới 15 Mbps với kênh 5 MHz, bán kính cell
từ 2 – 5 km.
WiMAX 802.16e có hỗ trợ handoff và roaming. Sử dụng SOFDMA, một
công nghệ điều chế đa sóng mang. Các nhà cung cấp dịch vụ mà triển khai 802.16e
cũng có thể sử dụng mạng để cung cấp dịch vụ cố định. 802.16e hỗ trợ cho
SOFDMA cho phép số sóng mang thay đổi, ngoài các mô hình OFDM và OFDMA.
Sự phân chia sóng mang trong mô hình OFDMA được thiết kế để tối thiểu ảnh
hưởng của nhiễu phía thiết bị người dùng với anten đa hướng. Cụ thể hơn, 802.16e
đưa ra hỗ trợ cải tiến hỗ trợ MIMO và AAS, cũng như các handoff cứng và mềm.
Nó cũng cải tiến các khả năng tiết kiệm công suất cho các thiết bị di động và các
đặc điểm bảo mật linh hoạt hơn.
1.5. Các băng tần của Wimax.
1.5.1. Các băng tần được đề xuất cho WiMAX trên thế giới.
Các băng được Diễn đàn WiMax tập trung xem xét và vận động cơ quan
quản lý tần số các nước phân bổ cho WiMax là:
● Băng tần 2,3-2,4GHz (2,3GHz Band) : được đề xuất sử dụng cho Mobile
WiMAX. Tại Hàn Quốc băng này đã được triển khai cho WBA (WiBro).
● Băng tần 2,4-2,4835GHz: được đề xuất sử dụng cho WiMAX trong tương
lai .
● Băng tần 2,5-2,69GHz (2,5GHz Band): được đề xuất sử dụng cho WiMAX
di động trong giai đoạn đầu .
Chương 1: Tổng quan về công nghệ WiMAX
8

● Băng tần 3,3-3,4GHz (3,3GHz Band): được đề xuất sử dụng cho WiMAX cố
định.
● Băng tần 3,4-3,6GHz (3,5GHz Band): được đề xuất sử dụng cho WiMAX cố
định trong giai đoạn đầu : FWA (Fixed Wireless Access)/WBA (WideBand
Access).
● Băng tần 3,6-3,8GHz: được đề xuất sử dụng cho WiMAX cố định (WBA) và
cấp cho Châu Âu. Tuy nhiên, băng 3,7-3,8 GHz đã được dung cho vệ tinh viễn
thông Châu Á, nên băng tần này không được sử dụng cho Wimax Châu Á.
● Băng tần 5,725-5,850GHz: được đề xuất sử dụng cho WiMAX cố định trong
giai đoạn đầu.
● Ngoài ra, một số băng tần khác phân bổ cho BWA cũng được một số nước
xem xét cho BWA/WiMax là: băng tần 700-800MHz (< 1GHz), băng 4,9-5,1GHz.
1.5.2. Các băng tần ở Việt nam có khả năng dành cho WiMAX.
● Băng tần 2,3-2,4GHz :
Có thể dành đoạn băng tần này cho WiMAX. Băng tần 2,3-2,4GHz thích hợp
cho cả WiMAX cố định và di động.
● Băng tần 2,5-2,69GHz :
Băng tần này hiện nay đang được sử dụng nhiều cho vi ba và MMDS (tập trung
chủ yếu ở Hà nội và thành phố Hồ Chí Minh). Ngoài ra, băng tần này là một trong
các băng tần được đề xuất sử dụng cho 3G.
Băng tần này lại là băng tần được đánh giá là thích hợp nhất cho WiMAX di
động và đã được Diễn đàn WiMAX xác nhận chính thức là băng tần WiMAX. Một
số nước cũng đã dành băng tần này cho WiMAX như Mỹ, Mêhicô, Brazil, Canada,
Singapo. Vì vậy, đề nghị dành băng tần 2,5-2,69GHz cho WiMAX.
● Băng tần 3,3-3,4GHz:
Theo Qui hoạch phổ tần số VTĐ quốc gia, băng tần này được phân bổ cho các
nghiệp vụ Vô tuyến định vị, cố định và lưu động. Hiện nay, về phía dân sự và quân
Chương 1: Tổng quan về công nghệ WiMAX
9

sự vẫn chưa có hệ thống nào được triển khai trong băng tần này. Do đó, có thể cho
phép sử dụng WiMAX trong băng tần 3,3-3,4GHz.
● Băng tần 3,4-3,6GHz, 3,6-3,8GHz:
Đối với Việt nam, hệ thống vệ tinh VINASAT dự kiến sẽ sử dụng một số đoạn
băng tần trong băng C và Ku, trong đó cả băng tần 3,4-3,7GHz. Ngoài ra, đoạn băng
tần 3,7-3,8GHz mặc dù chưa sử dụng cho VINASAT nhưng có thể được sử dụng
cho các trạm mặt đất liên lạc với các hệ thống vệ tinh khác. Vì vậy, không nên triển
khai WiMAX trong băng tần 3,4 - 3,8 GHz.
● Băng tần 5,725-5,850GHz:
Hiện nay, băng tần này đã được Bộ qui định dành cho WiFi. Nếu cho phép triển
khai WiMAX trong băng tần này thì cũng sẽ hạn chế băng tần dành cho WiFi. Băng
tần này có thể thích hợp cho các hệ thống WiMAX ở vùng nông thôn, vùng sâu,
vùng xa, ở đó có thể cho phép hệ thống WiMAX phát với công suất cao hơn để
giảm giá thành triển khai hệ thống WiMAX. Vì vậy, đề nghị cho phép triển khai
WiMAX trong băng tần 5,725-5,850GHz nhưng WiMAX phải dùng chung băng tần
và phải bảo vệ các hệ thống WiFi.
Như vậy, với hiện trạng sử dụng băng tần tại Việt Nam như trên, các băng tần
có khả năng dành cho WiMAX ở Việt Nam là:
– Băng tần 2,3-2,4GHz và 3,3-3,4GHz cho các hệ thống truy cập không dây
băng rộng, kể cả WiMAX.
– Băng tần 5,725-5,850GHz cho các hệ thống truy cập không dây băng rộng, kể
cả WiMAX nhưng các hệ thống này phải dùng chung băng tần với các hệ
thống WiFi với điều kiện bảo vệ các hệ thống WiFi hoạt động trong băng tần
này.
– Băng tần 2,5-2,690GHz cho các hệ thống truy cập không dây băng rộng, kể cả
IMT-2000 và WiMAX.
Chương 1: Tổng quan về công nghệ WiMAX
10

Hiện tại, chính phủ đã cấp phép thử nghiệm dịch vụ WiMAX di động tại băng
tần 2,3-2,4 GHz; và băng tần 2,5-2,69 GHz. (theo công văn số 5535/VPCP-CN
của Văn phòng Chính phủ).
1.6. Truyền sóng.
Trong khi nhiều công nghệ hiện đang tồn tại cho không dây băng rộng chỉ có
thể cung cấp phủ sóng LOS, công nghệ WiMAX được tối ưu để cung cấp phủ sóng
NLOS. Công nghệ tiên tiến của WiMAX cung cấp tốt nhất cho cả hai. Cả LOS và
NLOS bị ảnh hưởng bởi các đặc tính đường truyền môi trường của chúng, tổn thất
đường dẫn, và ngân quỹ kết nối vô tuyến.
Trong liên lạc LOS, một tín hiệu đi qua một đường trực tiếp và không bị tắc
nghẽn từ máy phát đến máy thu. Một liên lạc LOS yêu cầu phẩn lớn miền Fresnel
thứ nhất thì không bị ngăn cản của bất kì vật cản nào, nếu tiêu chuẩn này không
thỏa mãn thì có sự thu nhỏ đáng kể cường độ tín hiệu quan sát. Độ hở Fresnel được
yêu cầu phụ thuộc vào tần số hoạt động và khoảng cách giữa vị trí máy phát và máy
thu.
Trong liên lạc NLOS, tín hiệu đến máy thu qua phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ.
Các tín hiệu đến máy thu bao gồm các thành phần từ đường trực tiếp, các đường
được phản xạ nhiều lần, năng lượng bị tán xạ, và các đường truyền bị nhiễu xạ. Các
tín hiệu này có khoảng trễ khác nhau, suy hao, phân cực, và độ ổn định quan hệ với
đường truyền trực tiếp. Là nguyên nhân gây ra nhiễu ISI và méo tín hiệu. Điều đó
không phải là vấn đề đối với LOS, nhưng với NLOS thì lại là vấn đề chính.
Có nhiều ưu điểm mà những triển khai NLOS tạo ra đáng khao khát. Ví dụ,
các yêu cầu lập kế hoạch chặt chẽ và giới hạn chiều cao anten mà thường không cho
phép anten được bố trí cho LOS. Với những triển khai tế bào kề nhau phạm vi rộng,
nơi tần số được sử dụng lại là tới hạn, hạ thấp anten là thuận lợi để giảm nhiễu kênh
chung giữa các vị trí cell liền kề. Điều này thường có tác dụng thúc đẩy các trạm
gốc hoạt động trong các điều kiện NLOS. Các hệ thống LOS không thể giảm chiều
cao anten bởi vì làm như vậy sẽ có tác động đến đường quan sát trực tiếp được yêu
cầu từ CPE đến trạm gốc.
Chương 1: Tổng quan về công nghệ WiMAX
11


Hình 1.1. Minh họa họat động WiMAX.
Công nghệ NLOS cũng giảm phí tổn cài đặt bằng cách đặt dưới các mái che thiết
bị CPE đúng như nguyên bản và giảm bớt khó khăn định vị trí các địa điểm đặt CPE
thích hợp. Công nghệ cũng giảm bớt nhu cầu quan sát vị trí thiết bị phía trước và cải
thiện độ chính xác của các công cụ lập kế hoạch NLOS. Xem minh họa trên hình
1.1.
Công nghệ NLOS và những tính năng được nâng cao trong WiMAX tạo khả
năng sử dụng thiết bị phía đầu khách hàng (CPE) trong nhà.
Công nghệ WiMAX, giải quyết và giảm nhẹ các vấn đề do bởi các điều kiện
NLOS bằng cách sử dụng: công nghệ OFDM, OFDMA, điều chế thích nghi, các
công nghệ sửa lỗi, các công nghệ anten, điều khiển công suất, kênh con. Dưới đây
trình bày khái quát về những giải pháp nêu trên.
1.6.1. Công nghệ OFDM.
Công nghệ OFDM (ghép kênh phân chia tần số trực giao), dựa vào FDM là
công nghệ mà sử dụng nhiều tần số để truyền đồng thời nhiều tín hiệu song song,
tăng tốc độ truyền dẫn. Mỗi tín hiệu có dải tần số riêng (sóng mang con) mà sau đó
được điều chế theo dữ liệu. Mỗi sóng mang con được tách biệt bởi một dải bảo vệ
để đảm bảo rằng chúng không chồng lên nhau. Những sóng mang này sau đó được
giải điều chế ở máy thu sử dụng các bộ lọc để tách riêng các dải. OFDM tương tự
với FDM nhưng hiệu quả phổ lớn hơn bởi khoảng cách các kênh con khép gần hơn
Chương 1: Tổng quan về công nghệ WiMAX
12

(cho đến khi chúng thực sự chồng nhau). Điều này được thực hiện bởi tìm các tần
số mà chúng trực giao, có nghĩa là chúng vuông góc theo cảm nhận toán học, cho
phép phổ của mỗi dải thông con được giảm đáng kể bằng cách di chuyển các dải
bảo vệ và cho phép các tín hiệu chồng nhau. Để giải điều chế tín hiệu, cần một bộ
biến đổi Fourier rời rạc (DFT). So sánh FDM và OFDM được minh họa trên hình
1.2.

Hình 1.2. So sánh FDM và OFDM.
Trong OFDM chúng ta có 256 sóng mang với 192 sóng mang con dữ liệu, 8
sóng mang con pilot.

Hình 1.3. OFDM với 256 sóng mang.
Các sóng mang con pilot cung cấp một tham chiếu để tối thiểu những dịch
chuyển tần số và pha trong thời gian truyền trong khi các sóng mang null cho phép
các khoảng bảo vệ và sóng mang DC (tần số trung tâm). Tất cả các sóng mang con
được gửi ở cùng thời gian.
OFDM nén nhiều sóng mang được điều chế chặt chẽ cùng nhau, giảm dải
thông yêu cầu nhưng giữ các tín hiệu được điều chế trực giao để chúng không gây
ra nhiễu lẫn nhau. Nó cung cấp các hoạt động với một phương thức hiệu quả khắc
phục các trở ngại của truyền sóng NLOS. Dạng sóng OFDM WiMAX cung cấp
Chương 1: Tổng quan về công nghệ WiMAX
13

thuận lợi là có thể hoạt động với khoảng trễ lớn hơn ở môi trường NLOS.
Khả năng khắc phục khoảng trễ, đa đường, và ISI theo cách hiệu quả cho
phép thông lượng tốc độ dữ liệu cao.
1.6.2. Công nghệ OFDMA.
Công nghệ OFDMA cho phép một vài sóng mang con được gán tới những
người dùng khác nhau. Ví dụ các sóng mang con 1, 3 và 7 có thể được gán cho
người dùng 1, và các sóng mang con 2, 5 và 9 cho người dùng 2. Những nhóm sóng
mang con này được xem như các kênh con. OFDMA mở rộng được cho phép các
kích thước FFT nhỏ hơn để cải thiện chất lượng đối với các kênh dải thông thấp
hơn.


Hình 1.4. Các kênh con trong OFDMA.
Để giảm bớt fading lựa chọn tần số, các sóng mang của một trong các kênh
con được trải rộng theo phổ kênh. Hình 1.4 miêu tả nguyên lý của sự phân chia
thành các kênh con. Khoảng sóng mang có thể dùng được được phân thành một số
nhóm liên tiếp. Mỗi nhóm chứa một số các sóng mang liên tiếp N
E
, sau đó loại trừ
các kênh con pilot được gán ban đầu. Một kênh con có một thành phần từ mỗi nhóm
được định vị qua một quá trình giả ngẫu nhiên dựa vào sự hoán vị, vì vậy N
G
là số
thành phần kênh con. Với N = 2048, đường xuống N
G
= 48 và N
E
=32, đường lên
N
G
= 53 và N
E
=32.
Chương 1: Tổng quan về công nghệ WiMAX
14

1.6.3. Điều chế thích nghi.
Điều chế thích nghi cho phép hệ thống WiMAX điều chỉnh sơ đồ điều chế
tín hiệu phụ thuộc vào điều kiện SNR của liên kết vô tuyến. Khi liên kết vô tuyến
chất lượng cao, sơ đồ điều chế cao nhất được sử dụng, đưa ra hệ thống dung lượng
lớn hơn.


Hình 1.5. Bán kính cell quan hệ với điều chế thích nghi.
Trong quá trình suy giảm tín hiệu, hệ thống WiMAX có thể dịch đến một sơ
đồ điều chế thấp hơn để duy trì chất lượng kết nối và ổn định liên kết. Đặc điểm này
cho phép hệ thống khắc phục fading lựa chọn thời gian.
1.6.4. Công nghệ sửa lỗi.
Các công nghệ sửa lỗi đã được hợp nhất trong WiMAX để giảm các yêu cầu
tỉ số tín hiệu trên tạp âm hệ thống. Các thuật toán FEC, mã hóa xoắn và chèn được
dùng để phát hiện và sửa các lỗi cải thiện thông lượng. Các công nghệ sửa lỗi mạnh
giúp khôi phục các khung bị lỗi mà có thể bị mất do fading lựa chọn tần số và các
lỗi cụm. Tự động yêu cầu lặp lại (ARQ) được dùng để sửa lỗi mà không thể được
sửa bởi FEC, gửi lại thông tin bị lỗi. Điều này có ý nghĩa cải thiện chất lượng tốc độ
lỗi bit (BER) đối với một mức ngưỡng như nhau.
1.6.5. Điều khiển công suất.
Các thuật toán điều khiển công suất được dùng để cải thiện chất lượng toàn
bộ hệ thống, nó được thực hiện bởi trạm gốc gửi thông tin điều khiển công suất đến
mỗi CPE để điều chỉnh mức công suất truyền sao cho mức đã nhận ở trạm gốc thì ở