Ứng dụng ofdm trong wimax

g. Bảng 2.2. Các trường header MAC yêu cầu dải thông Tên Chiều dài (bit) Mô tả CI 1 Chỉ thị CRC 1= CRC được gắn vào payload PDU sau khi mật hóa, nếu có. 0= Không chứa CRC. CID 16 Định danh kết nối EC 1 Điều khiển mật hóa 0=Payload không được mật hóa 1=Payload được mật hóa ESK 2 Tuần tự khóa mật hóa Chỉ số của khóa mật hóa lưu lượng (TEK) và vector khởi tạo được sử dụng để mật hóa payload. Trường này chỉ có ý nghĩa khi trường EC được thiết lập là 1. HCS 8 Tuần tự kiểm tra header Một trường 8 bit được sử dụng để phát hiện các lỗi trong header. Đa thức sinh là g(D)=D8+D2-D-1. Bên phát sẽ tính toán giá trị HCS cho 5 byte đầu tiên của header, chèn kết quả vào trường HCS (byte cuối cùng của header MAC). HT 1 Loại header. Được thiết lập là 0. LEN 11 Chiều dài. Chiều dài tính theo byte của MAC PDU mà bao gồm header MAC và CRC nếu có. Type 6 Trường này chỉ ra các loại subheader và payload đặc biệt có mặt trong payload bản tin. Các loại MAC – PDU Các loại MAC-PDU là: MAC PDU dữ liệu: payload là các MAC SDU, các segment, ví dụ như dữ liệu từ lớp trên (các CS PDU), được truyền trên các kết nối dữ liệu. MAC PDU quản lý: payload là các bản tin quản lý MAC hoặc các gói IP được gói gọn trong các MAC CS PDU, được truyền trên các kết nối quản lý. Các MAC PDU yêu cầu dải thông: HT =1; và không có payload, chỉ có header. Các subheader và các payload đặc biệt. Có 5 loại subheader có thể có mặt. Mỗi subheader PDU (mesh, ARQ Fast-Feedback, Fragmentation, Packing, và Grant Mangement) có thể được chèn theo sau ngay header MAC chung. Các subheader ARQ Fast-Feedback and Grant Management được sử dụng để truyền ARQ và các trạng thái cấp phát dải thông giữa BS và SS. Các subheader phân mảnh và đóng gói được sử dụng để tận dụng có hiệu quả định vị dải thông. Subheader Packing, khi được sử dụng, MAC có thể đóng gói nhiều SDU vào một MAC PDU. Khi đóng gói các MAC SDU chiều dài thay đổi, MAC đặc trước mỗi SDU một subheader Packing. Nếu cả hai subheader Fragmentation và Grant Mangement đều có mặt, thì subheader Grant Mangement sẽ đặt trước. Nếu subheader mesh có mặt, nó sẽ đặt trước tất cả các subheader khác. Subheader ARQ Fast-Feedback sẽ luôn xuất hiện như là subheader cuối cùng. Subheader duy nhất cho mỗi SDU là subheader Packing. Các subheader Fragmentation và Packing không thể cùng xuất hiện trong cùng MAC PDU. Xây dựng và truyền các MAC PDU. Các MAC PDU được truyền trên các burst PHY, burst PHY có thể chứa nhiều bolck FEC. Ghép Nhiều MAC PDU có thể được ghép vào một truyền dẫn riêng ở các hướng hoặc đường lên hoặc đường xuống. Xem hình 2.5. Hình 2.5. Ví dụ chỉ ra việc ghép MAC PDU. Phân mảnh: Phân mảnh là quá trình một MAC SDU có thể được chia thành nhiều đoạn, mỗi đoạn được ghép vào trong một MAC PDU. Quá trình này bảo đảm cho phép sử dụng hiệu quả dải thông khả dụng liên quan tới các yêu cầu QoS của một luồng dịch vụ của kết nối. Các khả năng phân mảnh và tái hợp là bắt buộc. Thực hiện phân mảnh lưu lượng trên một kết nối được xác định khi kết nối được tạo ra bởi MAC SAP. Phân mảnh có thể được bắt đầu ở BS cho các kết nối đường xuống và bởi một SS cho các kết nối đường lên. Hình 2.6. Phân mảnh các MAC SDU. Đóng gói: Đối với các block chiều dài cố định, trường length của header MAC chỉ rõ số MAC SDU được đóng gói vào trong một MAC PDU. Nếu kích thước MAC SDU là n byte, phía thu có thể mở gói một cách đơn giản bởi vì biết rằng trường length trong header MAC sẽ là nxk+j, trong đó k là số MAC SDU được gói vào MAC và j là kích thước của header MAC và bất cứ subheader MAC nào. Một MAC PDU chứa một chuỗi các MAC SDU chiều dài cố định được gói sẽ được tạo ra như hình 2.7. Hình 2.7. Đóng gói các MAC SDU với chiều dài cố định. Khi các SDU chiều dài thay đổi, như 802.3/Ethernet, quan hệ nxk+j giữa trường length của header MAC và các MAC SDU lớp cao hơn không còn đảm bảo nữa. Điều này đòi hỏi chỉ số nơi mà một MAC SDU kết thúc và SDU khác bắt đầu. Trong trường hợp MAC SDU chiều dài thay đổi, MAC gắn thêm một subheader packing cho mỗi MAC SDU. Một MAC PDU chứa một chuỗi các MAC SDU chiều dài thay đổi được đóng gói được tạo ra như trong hình 2.8. Nếu hơn một MAC SDU được đóng gói trong MAC PDU, trường type trong header MAC chỉ ra sự xuất hiện của các subheader packing (PSH). Hình 2.8. Quá trình đóng gói các MAC SDU chiều dài thay đổi. Đóng gói và phân mảnh đồng thời cho phép sử dụng hiệu quả kết nối không gian. Để thực hiện điều này, khi một subheader Packing có mặt, thông tin phân mảnh cho các MAC SDU riêng hoặc các mảnh MAC SDU được chứa trong subheader packing tương ứng. Tính toán CRC Một luồng dịch vụ có thể yêu cầu một CRC được thêm vào mỗi MAC PDU mang dữ liệu cho luồng dịch vụ đó. Trong trường họp này, với mỗi MAC PDU với HT=0, một CRC, sẽ được nối vào payload của MAC PDU. CRC sẽ được tính sau mật hóa, CRC bảo vệ Header chung và payload đã mật hóa. Mật hóa các PDU Khi truyền một MAC PDU trên một kết nối mà được ánh xạ tới một SA, bên gửi sẽ thực hiện mật hóa và nhận thực dữ liệu payload MAC PDU mà được chỉ ra bởi SA đó. Khi nhận một MAC PDU trên một kết nối được ánh xạ tới một SA, bên nhận sẽ thực hiện giải mã và nhận thực dữ liệu payload MAC PDU, được chỉ ra bởi SA đó. Header MAC chung sẽ không được mật hóa. Header chứa tất cả thông tin mật hóa (trường EC, trường EKS, và CID) cần thiết cho giải mã một payload ở trạm nhận. Đệm Khoảng được chỉ định trong một burst dữ liệu mà không được sử dụng sẽ được khởi tạo một trạng thái đã biết. Điều này có thể được thực hiện bằng cách thiết lập mỗi byte không sử dụng giá trị byte nhồi (0xFF). Nếu kích thước vùng không sử dụng ít nhất bằng kích thước của header MAC, vùng này cũng có thẻ được khởi tạo bằng cách tạo một khoảng không sử dụng như là một MAC PDU. Khi làm như vậy, trường CID header MAC sẽ được thiết lập giá trị CID đệm, các trường Type, CI, EC, HT sẽ được thiết lập là 0, trường length sẽ được thiết lập số byte không sử dụng (chứa kích thước của header MAC được tạo cho MAC PDU đệm) trong burst dữ liệu, và HCS sẽ được tính theo cách này. 2.2.3.1 Các cơ cấu yêu cầu và cấp phát dải thông. A. Các yêu cầu Các yêu cầu dựa vào cơ cấu mà SS sử dụng để thông báo cho BS rằng chúng cần cấp phát dải thông đường lên. Một yêu cầu có thể được xem như là một header yêu cầu dải thông độc lập hoặc là một yêu cầu mang trên một bản tin nào đó (piggyback). Bản tin yêu cầu dải thông có thể được truyền trong bất cứ vị trí đường lên nào, ngoại trừ trong khoảng intial ranging. Các yêu cầu dải thông có thể là tăng thêm hoặc gộp lại. Khi BS nhận một yêu cầu dải thông tăng, nó sẽ thêm lượng dải thông được yêu cầu vào sự cảm nhận hiện thời các nhu cầu dải thông của nó của kết nối. Khi BS nhận một yêu cầu dải thông gộp lại, nó sẽ thay sự cảm nhận các nhu cầu dải thông của nó của kết nối bằng lượng dải thông được yêu cầu. Trường Type trong header yêu cầu dải thông chỉ ra yêu cầu là tăng hay là gộp lại. Bởi vì các yêu cầu dải thông piggyback không có trường type, nên nó sẽ luôn là tăng. Bản chất tự hiệu chỉnh của giao thức yêu cầu/cấp phát đòi hỏi các SS sử dụng định kỳ các yêu cầu dải thông gộp lại. Chu kỳ có thể là một hàm của QoS của một dịch vụ và của chất lượng liên kết. Bởi vì khả năng va chạm, các yêu cầu dải thông được truyền trong các thành phần thông tin yêu cầu broadcast hoặc unicast nên là các yêu cầu gộp lại. Các cấp phát Đối với một SS, các yêu cầu dải thông liên quan tới các kết nối riêng trong khi mỗi cấp phát dải thông được gửi tới CID cơ bản của SS, không phải tới các CID riêng. Bởi vì không xác định trước yêu cầu sẽ được thực hiện đúng, khi SS nhận một cơ hội truyền ngắn hơn mong đợi (quyết định trình lập lịch, mất bản tin yêu cầu, …), không có lý do rõ ràng nào được đưa ra. Trong tất cả các trường hợp, dựa vào thông tin nhận được sau cùng từ BS và trạng thái của yêu cầu, SS có thể quyết định thực hiện yêu cầu trở lại hoặc hủy SDU. Một SS có thể sử dụng các thành phần thông tin yêu cầu mà được quảng bá, trực tiếp ở một nhóm thăm dò multicast mà nó là một thành viên trong đó, hoặc trực tiếp ở CID cơ bản của nó. Trong các trường hợp, burst profile thành phần thông tin yêu cầu được sử dụng dù là BS có khả năng nhận SS với một burst profile hiệu quả hơn. Để nhận ưu điểm của một burst profile hiệu quả hơn, SS sẽ truyền nó trong một khoảng được xác định bởi một thành phần thông tin cấp phát dữ liệu trực tiếp ở CID cơ bản của nó. Bởi vì điều này, thăm dò unicast một SS bình thường sẽ được thực hiện bằng cách chỉ định một thành phần thông tin cấp phát dữ liệu ở CID cơ bản của nó. Trong một thành phần thông tin dữ liệu trực tiếp ở CID cơ bản, SS có thể tạo ra các yêu cầu dải thông cho bất cứ kết nối nào. Thăm dò Thăm dò là quá trình trong đó BS chỉ định cho các SS dải thông dành cho mục đích tạo các yêu cầu dải thông. Các chỉ định này có thể tới các SS riêng hoặc nhóm các SS. Tất cả các chỉ định cho các nhóm các kết nối và hoặc các SS thực tế là xác định các thành phần thông tin cạnh tranh yêu cầu dải thông. Các chỉ định thì không ở dạng bản tin rõ ràng, nhưng mà được chứa như là một chuỗi các thành phần thông tin trong UL-MAP. Thăm dò được thực hiện trên cơ sở SS. Dải thông luôn được yêu cầu trên cơ sở CID và dải thông được chỉ định trên cơ sở SS. Hỗ trợ PHY Nhiều công nghệ song công được hỗ trợ bởi giao thức MAC. Chọn lựa công nghệ song công có thể ảnh hưởng tới các tham số PHY nào đó cũng như tác động tới các đặc tính mà có thể được hỗ trợ. FDD, các kênh đường lên và đường xuống được đặt ở các tần số tách biệt và dữ liệu đường xuống có thể được truyền theo trong các burst. Một khung chu kỳ cố định được sử dụng cho các truyền dẫn đường lên và đường xuống. Điều này thuận tiện cho sử dụng các loại điều chế khác nhau. Và cũng cho phép đồng thời sử dụng cả các SS song công (truyền và nhận đồng thời) và tùy chọn các SS bán song công (không truyền và nhận đồng thời). Nếu các SS bán song công được sử dụng, trình điều khiển dải thông sẽ không chỉ định dải thông cho một SS bán song công ở cùng thời điểm mà nó được trông mong để nhận dữ liệu ở kênh đường xuống, bao gồm hạn định cho phép trễ truyền, khoảng truyền dẫn truyền/nhận SS (SSTTG), và khoảng truyền dẫn nhận/truyền SS (SSRTG). TDD, truyền đường lên và xuống xảy ra ở các thời điểm khác nhau và thường chia sẻ cùng tần số. Một khung TDD có khu kỳ cố định và chứa một khung con đường xuống và một khung con đường lên. Khung được chia thành một số nguyên các khe thời gian vật lý, mà giúp cho phân chia dải thông dễ dàng. LỚP PHY Chuẩn định nghĩa các PHY khác nhau mà có thể được sử dụng kết hợp với lớp MAC để đem lại một liên kết end- to- end tin cậy. ĐẶC TẢ WirelessMAN-SC PHY Đặc tả này được thiết kế nhằm mục đích cho Wimax hoạt động ở dải tần 10-66GHz, với mức độ mềm dẻo cao để cho phép các nhà cung cấp dịch vụ có thể tối ưu các triển khai hệ thống đối với quy hoạch cell, chi phí, khả năng vô tuyến, các dịch vụ và dung lượng. Để cho phép sử dụng phổ mềm dẻo, cả TDD và FDD được hỗ trợ. Hai công nghệ này sử dụng một định dạng truyền dẫn burst mà cơ cấu khung của nó hỗ trợ burst profiling thích ứng, ở đó những tham số truyền, bao gồm các kế hoạch điều chế và mã hóa, có thể được điều chỉnh riêng cho mỗi trạm thuê bao trên cơ sở từng khung một. Điều chế QPSK, 16QAM, 64QAM. Cấu trúc khung bao gồm một khung con đường xuống và một khung con đường lên. Kênh đường xuống là TDM, với thông tin cho mỗi SS được ghép kênh trên một luồng dữ liệu duy nhất và được nhận bởi tất cả các SS trong cùng dải quạt. Để hỗ trợ các SS bán song công phân chia tần số, đường xuống cũng được cấu tạo chứa một đoạn TDMA. Đường lên dựa vào sự kết hợp TDMA và DAMA. Cụ thể, kênh đường lên được phân thành một số khe thời gian. Số các khe thời gian được gán cho các sử dụng khác nhau (đăng ký, cạnh tranh, bảo vệ, hoặc lưu lượng) được điều khiển bởi MAC trong BS và có thể thay đổi đối với thời gian để chất lượng tối ưu. Mỗi SS sẽ cố gắng nhận tất cả các phần của đường xuống trừ những burst mà burst profile của nó hoặc không được thực hiện bởi SS hoặc không mạnh bằng burst profile đường xuống hoạt động hiện thời của SS. Các SS bán song công sẽ không cố gắng nghe các phần trùng khớp đường xuống với truyền dẫn đường lên được chỉ định cho chúng, nếu có thể, được điều chỉnh bởi sự sớm định thời truyền của chúng. Các chu kỳ khung có thể là 0,5 ms, 1 ms, 2ms. ĐẶC TẢ WirelessMAN-SCa PHY WirelessMAN-SCa PHY dựa vào công nghệ điều chế sóng mang đơn và được thiết kế cho hoạt động NLOS ở các dải tần dưới 11GHz. Các thành phần trong PHY này gồm: Các định nghĩa TDD và FDD, một trong hai phải được hỗ trợ. Đường lên TDMA, đường xuống TDM hoặc TDMA. Điều chế thích ứng Block và mã hóa FEC cho cả đường lên và đường xuống. Các cấu trúc khung mà cho phép sự cân bằng và chỉ tiêu đánh giá kênh được cải thiện đối với NLOS và các môi trường trải rộng trễ được mở rộng. FEC ràng buộc vào nhau sử dụng Reed-Solomon và điều chế được mã hóa mắt lưới thực dụng với chèn tùy chọn. Các tùy chọn FEC BTC và CTC bổ sung. Tùy chọn không FEC sử dụng ARQ cho điều khiển lỗi. Tùy chọn phân tập truyền mã hóa thời gian không gian (STC). Các chế độ mạnh cho hoạt động CINR thấp. Các thiết lập tham số và các bản tin MAC/PHY mà thuận tiện cho các bổ sung AAS tùy chọn. ĐẶC TẢ WirelessMAN-OFDM PHY Đặc điểm WirelessMAN-OFDM PHY dựa vào điều chế OFDM và được thiết kế cho họat động NLOS ở các dải tần số dưới 11GHz. WirelessMAN-OFDM, một lược đồ ghép kênh phân chia tần số trực giao (OFDM) với 256 sóng mang. Đa truy nhập của các trạm thuê bao khác nhau dựa vào đa truy nhập phân chia thời gian (TDMA). Lớp PHY OFDM hỗ trợ các hoạt động TDD và FDD, với hỗ trợ cho các SS cả FDD và H – FDD. Mã hóa sửa lỗi trước FEC: một lược đồ mã xoắn RS-CC tốc độ thay đổi được kết hợp, hỗ trợ các tốc độ mã hóa 1/2, 2/3, 3/4 và 5/6. BTC tốc độ thay đổi (tùy chọn)và mã CTC cũng được hỗ trợ tùy chọn. Chèn (Interleaving). Điều chế: Chuẩn hỗ trợ các mức điều chế, gồm BPSK, QPSK, 16- QAM và 64-QAM. Hỗ trợ (tùy chọn) phân tập phát ở đường xuống sử dụng STC và các hệ thống anten thích nghi (AAS) với SDMA. Lược đồ phân tập sử dụng hai anten ở BS để truyền một tín hiệu được mã hóa STC. Nếu phân tập truyền được sử dụng, một phần khung DL (được gọi là miền) có thể được định rõ để trở thành miền phân tập truyền. Tất cả các burst dữ liệu trong miền phân tập truyền sử dụng mã hóa STC. Cuối cùng, nếu AAS được sử dụng, một phần khung con DL có thể được chỉ định như là miển AAS. Trong phần của khung con này, AAS được sử dụng để giao tiếp với các SS có khả năng AAS. AAS cũng được hỗ trợ trong UL. Truyền kênh con ở đường lên là một tùy chọn cho một SS, và sẽ chỉ được sử dụng nếu các tín hiệu BS có khả năng giải mã các truyền dẫn như vậy. Symbol OFDM Ở miền thời gian, biến đổi Fourier ngược tạo ra dạng sóng OFDM, chu kỳ thời gian này được xem như thời gian symbol hữu ích Tb, một bản sao Tg sau cùng của chu kỳ symbol hữu ích, được quy ước là CP (tiền tố chu kỳ), được sử dụng để thu thập đa đường, trong khi duy trì sự trực giao. Hình 2.4 minh họa cấu trúc này. Hình 2.4. Cấu trúc thời gian symbol OFDM Ở miền tần số, một symbol OFDM bao gồm các sóng mang con, số sóng mang con xác định kích thước FFT được sử dụng. Có ba loại sóng mang con: Sóng mang con dữ liệu: cho truyền dữ liệu. Sóng mang con pilot: cho các mục đích ước lượng khác nhau. Sóng mang con Null: không truyền dẫn, dùng cho các dải bảo vệ, các sóng mang con không hoạt động và sóng mang con DC. Hình 2.5. Mô tả symbol OFDM miền tần số Mục đích của các dải bảo vệ là để cho phép tín hiệu suy yếu và tạo ra FFT dạng hình “brick wall”. Các sóng mang phụ không hoạt động chỉ trong trường hợp truyền kênh con bởi một SS. Cấu trúc khung OFDM PHY hỗ trợ truyền dựa theo khung. Một khung chứa khung con đường xuống và đường lên. Khung con đường xuống chỉ chứa một PHY PDU đường xuống. Một khung con đường lên chứa các khoảng tranh chấp được sắp xếp cho các mục đích “intial ranging”, yêu cầu dải thông và một hoặc nhiều PHY PDU, mỗi PHY PDU được truyền từ một SS khác nhau. Xem minh họa trên hình 2.6. Một PHY PDU đường xuống bắt đầu với một “preamle”, được sử dụng cho đồng bộ PHY. Sau “preamble” là một burst FCH. Burst FCH là một symbol OFDM và được truyền sử dụng BPSK tốc độ 1/2 với sơ đồ mã hóa bắt buộc. FCH chứa DLFP (tiền tố khung đường xuống) chỉ ra burst profile và chiều dài của một hoặc nhiều burst đường xuống theo ngay sau FCH. Một Bản tin DL-MAP, nếu được truyền trong khung hiện thời, sẽ là MAC PDU đầu tiên trong burst theo sau FCH. Một bản tin UL-MAP sẽ theo sau ngay hoặc DL-MAP (nếu nó được truyền) hoặc DLFP. Nếu các bản tin UCD và DCD được truyền trong khung, chúng sẽ theo ngay sau các bản tin DL-MAP và UL-MAP. Mặc dù burst số 1 chứa các bản tin điều khiển MAC quảng bá, nó không cần sử dụng điều chế/mã hóa được xem là mạnh nhất. Điều chế/mã hóa hiệu quả hơn có thể được sử dụng nếu nó được hỗ trợ và có thể dùng được tới tất cả các SS của một BS. Hình 2.6. Cấu trúc khung OFDM với TDD. Theo sau FCH là một hoặc nhiều burst đường xuống, mỗi burst được truyền với burst profile khác nhau. Mỗi burst đường xuống chứa một số nguyên symbol OFDM. Vị trí và profile của burst đường xuống đầu tiên được chỉ ra trong DLFP. Vị trí và profile của số burst tiếp theo có thể lớn nhất cũng sẽ được chỉ ra trong DLFP. Vị trí và profile của các burst khác được chỉ trong DL-MAP. Khung con đường DL có thể tùy chọn chứa miền STC nơi mà tất cả các burst DL được mã hóa STC. Với PHY OFDM, một burst PHY, hoặc một burst PHY đường xuống hoặc một burst PHY đường lên, chứa một số nguyên symbol OFDM, mang các bản tin MAC, như các MAC PDU. Trong mỗi khung TDD, TTG và RTG sẽ được chèn giữa khung con đường xuống và đường lên và ở cuối mỗi khung, tách biệt ra cho phép BS chuyển hướng. Trong hệ thống FDD, cấu trúc khung UL và DL tương tự, ngoại trừ UL và DL được truyền trên các kênh riêng rẽ. Khi các SS là H-FDD, BS phải đảm bảo rằng không lập lịch để truyền và nhận cùng thời điểm. Đặc tả WirelessMAN- OFDMA PHY Đặc điểm Lớp PHY OFDMA WirelessMAN cũng được thiết kế dựa trên điều chế OFDM. WirelessMAN-OFDMA, lược đồ OFDM 2048 sóng mang OFDM. Đa truy nhập được thực hiện bằng cách gán một tập con các sóng mang cho một máy thu cá nhân, và vì vậy nó được xem như là OFDMA. Nó hỗ trợ kênh con ở UL và DL. Chuẩn hỗ trợ 5 lược đồ kênh con khác nhau. Lớp PHY OFDMA hỗ trợ hai họat động TDD và FDD. CC (mã xoắn) là lược đồ mã hóa được yêu cầu và các tốc độ mã hóa giống nhau được hỗ trợ như được hỗ trợ bởi lớp PHY OFDM. Các lược đồ mã hóa BTC và CTC được hỗ trợ tùy chọn. Các mức điều chế giống nhau cũng được hỗ trợ. STC và AAS với SDMA được hỗ trợ, cũng như MIMO. Symbol OFDMA Ở miền thời gian, biến đổi Fourier ngược tạo ra dạng sóng OFDMA, chu kỳ thời gian này được xem như thời gian symbol hữu ích Tb. Một bản sao Tg sau cùng của chu kỳ symbol hữu ích, được quy ước là CP, được sử dụng để thu thập đa đường, trong khi duy trì sự trực giao. Hình 2.7 minh họa cấu trúc này. Hình 2.7. Cấu trúc thời gian symbol OFDMA Ở miền tần số, một symbol OFDMA bao gồm các sóng mang con, số sóng mang xác định kích thước FFT sử dụng. Hình 2.8. Mô ta tần số OFDMA (ví dụ với lược đồ 3 kênh con) Trong chế độ OFDMA, các sóng mang con hoạt động được chia thành các tập sóng mang con, mỗi tập được xem như một kênh con. Ở đường xuống, một kênh con có thể được dành cho (nhóm) các máy thu khác nhau; ở đường lên, một máy phát có thể được gán cho một hoặc hơn các kênh con, nhiều máy phát có thể truyền đồng thời. Các sóng mang con tạo ra một kênh con có thể, nhưng không cần thiết phải kề nhau. Symbol được chia thành các kênh con logic để hỗ trợ khả năng mở rộng, đa truy nhập, và các khả năng xử lý ma trận ăng ten tiên tiến. Cấu trúc khung Trong hệ thống TDD, mỗi khung ở truyền dẫn đường xuống bắt đầu với một preamble và theo sau bởi một đoạn truyền dẫn DL và một đoạn truyền dẫn UL. Ở mỗi khung, TTG và RTG sẽ được chèn giữa đường lên và đường xuống ở cuối mỗi khung cho phép BS chuyển hướng. Trong các hệ thống TDD và H-FDD, các hạn định cho phép trạm thuê bao phải được thực hiện bởi một SSRTG và bởi một SSTTG. BS sẽ không truyền thông tin đường xuống tới một trạm muộn hơn (SSRTG+RTD) trước định vị đường lên được lập lịch của nó, và sẽ không truyền thông tin đường xuống tới nó sớm hơn (SSTTG+RTD) sau tận cùng của định vị đường lên được lập lịch, ở đó RTD biểu thị trễ toàn phần. Các tham số SSRTG và SSTTG có khả năng được cung cấp bởi SS tới BS dựa vào yêu cầu trong thời gian vào mạng. Hình 2.9. Phân bố thời gian-khung TDD (chỉ với miền bắt buộc). Hai kênh con được truyền đầu tiên trong symbol dữ liệu đầu tiên của đường xuống được gọi là FCH. FCH sẽ được truyền sử dụng QPSK tốc độ 1/2 với 4 lần lặp sử dụng sơ đồ mã hóa bắt buộc (thông tin FCH sẽ được gửi trên 4 kênh con liền kề) trong một vùng PUSC. FCH chỉ rõ chiều dài của bản tin DL-MAP mã hóa được sử dụng cho bản tin DL-MAP. Những chuyển tiếp giữa điều chế và mã hóa xảy ra trên các biên symbol OFDMA ở miền thời gian và trên các kênh con trong một symbol OFDMA trong miền tần số. CHƯƠNG 3 3.1 Khái niêm OFDM Kỹ thuật điều chế OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang trong đó trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau,nhờ vậy phổ tín hiệu ở các sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu cũng có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu. Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ tín hiệu lớn hơn nhiều so với các kỹ thuật điều chế thông thường. OFDM là một công nghệ điều chế và mã hóa số, đã được sử dụng thành công trong các ứng dụng hữu tuyến như modem DSL và modem cáp. Các sản phẩm của các công ty thành viên Diễn đàn WiMAX đang sử dụng các hệ thống 802.16 dựa trên OFDM để vượt qua những thách thức của việc truyền sóng NLOS. OFDM đạt đến tốc độ và hiệu quả dữ liệu cao nhờ sử dụng nhân chồng các tín hiệu sóng mang thay cho chỉ một tín hiệu. Ưu điểm quan trọng của OFDM của các cơ chế điều chế đơn sóng mang đơn là khả năng mang lại hiệu suất băng thông cao hơn và do đó thông lượng dữ liệu sẽ cao hơn thậm chí phải đối mặt thách thức với kịch bản triển khai chẳng hạn như các đường kết nối NLOS phải chịu suy hao đáng kể do các điều kiện đa đường. Đặc điểm OFDM 3.2.1 NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA OFDM OFDM phân chia kênh truyền theo cả miền tần số và miền thời gian(hình1) Hình 3.2.1.Điều chế OFDM làm tăng hiệu quả sử dụng băng tần và làm giảm nhiễu -Miền tần số chia thành nhiều băng con. -Miền thời gian chia liên tiếp thành nhiều khe thời gian. Mỗi một ô(tần số-thời gian) được bố trí một sóng mang,mỗi khe thời gian chứa N sóng mang gọi là một ký hiệu OFDM(OFDM symbol).Trong mỗi khoảng thời gian đó,các sóng mang được điều chế với vài bit dữ liệu,số bit truyền trên mỗi sóng mang tuỳ thuộc vào loại điều chế như BPSK là 1 bit,QPSK là 2 bit,8-PSK là 3 bit,16-PSK là 4 bit ….mỗi ký hiệu OFDM chứa N sóng mang.tập hợp một số lượng nhất định ký hiệu OFDM tạo thành một khung truyền dẫn. Phổ của tín hiệu OFDM do các sóng mang trực giao với nhau nên khi ghép với nhau,phổ của chúng có thể trùng lên nhau mà không ảnh hưởng lẫn nhau.Trong FDM (ghép kênh đa phân chia tần số) các tần số không có quan hệ này nên để tránh nhiễu giữa các tần số kề nhau thì phổ của các kênh không được chồng lên nhau.Vì vậy độ rộng băng tần của FDM lớn hơn OFDM.với mỗi sóng mang tồn tại thời gian là Ts,phổ của nó là hàm sin có độ rộng là 2/Ts.Giả sử có 5 sóng mang ứng với 5 tần số khác nhau,dùng kỹ thuật FDM thì độ rộng băng tần theo yêu cầu là:Btdm = 5*2/Ts = 10/Ts,dùng kỹ thuật OFDM thì băng tần yêu cầu còn lại là: Bofdm =5*∆f = 5*1/Ts =5/Ts.Như vậy đối với kỹ thuật OFDM thì hiệu suất phổ cao hơn so với FDM. →| |← Độ rộng băng tần Hình 3.2.2.Độ rộng băng tần của OFDM khi có 5 sóng mang 3.2.2 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG TIN DÙNG OFDM Phía máy phát dữ liệu vào nối tiếp trước tiên được nhóm thành từng tổ hợp M bít,sau đó chuyển thành dữ liệu song song.mỗi tổ hợp phù hợp với kiểu điều chế số (M-PSK) được sử dụng trên mỗi sóng mang.IFFT chuyển đổi từng ký hiệu OFDM miền thời gian.Khoảng an toàn được chèn vào giữa các ký hiệu OFDM để tránh nhiễu xuyên ký hiệu ISI (INTER-SYMBOL- INTERFERENCE),gây ra bởi méo đa đường.cuốicùng các ký hiệu rời rạc được chuyển đổi thành tương tự,được lọc thông thấp rồi chuyển lên cao tần RF để phát lên kênh truyền dẫn.Máy thu xử lý ngược lại quá trình phát,sau khi loại bỏ khoảng an toàn,khối FFT chuyển đổi tín hiệu thu được từ miền thời gian sang miền tần số.tiếp theo tín hiệu được đưa qua giải điều chế số và chuyển đổi song song thành nối tiếp để khôi phục lại dữ liệu ban đầu. Do nhiễu sóng mang nên rất rễ gây nhiễu xuyên sóng mang ICI.để tránh điều này kỹ thuật OFDM bố trí các sóng mang trực giao,có nghĩa là khoảng cách giữa các sóng mang bằng nghịch đảo của thời gian một ký hiệu Ts. Dữ liệu vào nối tiếp Chuyển đổi nối tiếp/song song Điều chế số IFFT Chèn khoảng An toàn Kênh Truyền Dẫn Loại bỏ Khoảng An toàn FFT Giải điều Chế số Chuyển đổi song song/nối tiếp Dữ liệu ra nối tiếp Nhiễu Hình 3.2.3 Sơ đồ khối hệ thống thông tin dùng OFDM 3.2.2.a THUẬT TOÁN IFFT TẠO TÍN HIỆU OFDM Phép biến đổi nhanh fourier FFT (Fast Fourier Transform) có ứng dụng rộng rãi trong xử lý số tín hiệu.biến đổi FFT thuận chuyển tín hiệu từ miền thời gian rời rạc sang miền tần số rời rạc.Biến đổi FFT ngược thực hiện chuyển tín hiệu từ miền tần số rời rạc sang miền thời gian rời rạc.Giả sử x(n) là tín hiệu rời rạc theo thời gian tuần hoàn chu kỳ N (N mẫu/chu kỳ) chuyển sang miền tần số rời rạc X(k).Phép biến đổi FFT thuận N điểm viết dưới dạng tổng các hàm sin và cosin như sau: N-1 N-1 X(k)= ∑ x(n).sin(2пkn/N) + j∑x(n).cos(2пkn/N) n=0 n=0 X(k) là giá trị phổ tại tần số thứ k (k=0,1,2…,N-1) cũng là hàm tuần hoàn chu kỳ N,x(n) là tín hiệu tại thời điểm n.Phép biến đổi FFT ngược (IFFT) chuyển đổi toàn bộ phổ tần X(k) sang tím hiệu miền thời gian rời rạc.Phép biến đổi IFFT với điểm N là: 1 N-1 1 N-1 X(n) =  ∑X(k)sin(2пkn/N) – j  ∑X(k)cos(2пkn/N) N k=0 N k=0 Sự khác nhau giữa FFT và IFFT chỉ là hệ số (biên độ) của hàm sin,cosin và dấu trừ.Hai quá trình trên là một cặp tuyến tính,dùng IFFT ở máy phát và FFT ở máy thu ta khôi phục được tín hiệu ban đầu.điều này được minh hoạ như hình sau: IFFTTT FFTT Tần số Thời gian Tần số Hình 3.2.4 khôi phục lại phổ tín hiệu ban đầu khi dùng liên tiếp IFFT và FFT Các bít tín hiệu ở từng dòng có thể được xem như biên độ của 4 hàm sin với tần số khác nhau.Vì thế ta có thể dùng IFFT để tạo ra tín hiệu miền thời gian.cần lưu ý là tín hiệu đang trong niền thời gian,mà IFFT là chuyển đổi tín hiệu từ miền tần số sang miền thời gian?Câu trả lời đó là ta coi các bít vào không phải biểu diễn miền thời gian mà là ở miền tần số 1,2,3 và 4Hz.Bằng cách này chúng ta có thể đưa các bít này vào IFFT để tạo ra tín hiệu OFDM miền thời gian. 3.2.2.b Dải bảo vệ trong OFDM Trở ngại duy nhất trong việc sử dụng FFT trong kỹ thuật OFDM là bản chất không tuần hoàn của tín hiệu trong miền thời gian. Ðiều này có thể được giải quyết bằng cách thêm một thời khoảng bảo vệ Tg, đoạn này chính là bản sao của ký hiệu tích cực trong Tg giây trước. Ðoạn thêm vào này thường được gọi là CP (cyclic prefix) bởi vì nó làm cho ký hiệu OFDM như là tuần hoàn đối với máy thu. Tín hiệu thu sau đó sẽ được xấp xỉ bằng phép chập tuần hoàn giữa tín hiệu phát và đáp ứng xung của kênh. Thêm CP vào ký hiệu OFDM Chiều dài của dải bảo vệ bị hạn chế nhằm đảm bảo hiệu suất sử dụng dải tần, tuy nhiên, nó phải dài hơn đáp ứng xung của kênh nhằm duy trì tính trực giao giữa các sóng mang con và loại bỏ được các loại giao thoa ICI và ISI. Những lợi ích đạt được nhờ chèn thêm dải bảo vệ này thường có giá trị hơn những suy giảm trong hiệu suất sử dụng dải tần và trong tỷ số SNR. Ðể minh hoạ cho điều này, chúng ta có thể thấy rằng năng lượng phát sẽ tăng khi tăng chiều dài Tg của CP, trong khi đó thì năng lượng tín hiệu thu và lấy mẫu vẫn giữ nguyên. Năng lượng phát trên một sóng mang con là : và suy giảm SNR do loại bỏ CP tại máy thu là : Như vậy, CP có chiều dài càng lớn thì suy giảm SNR càng nhiều. Thông thường, chiều dài tương đối của CP sẽ được giữ ở mức nhỏ, còn suy giảm SNR sẽ chủ yếu là do yêu cầu loại bỏ giao thoa ICI và ISI (nhỏ hơn 1dB với Tg/T < 0,2). MÔ TẢ TOÁN HỌC CỦA OFDM Mô tả toán học OFDM là trình bày tín hiệu được tạo ra như thế nào ,máy thu vận hành như thế nào và cũng cung cấp một công cụ để hiểu rõ những tác động không hoàn hảo trong kêng truyền. Phương pháp điều chế OFDM truyền một số lớn sóng mang có dãi thông hẹp được đặt cách nhau chính xác trong miền tần số .Để tránh việc sử dụng một số lượng lớn bộ điều chế và bộ lọc ở máy phát cũng như một số luợng lớn bộ lọc và bộ giải điều chế bổ sung ở máy thu thì phương pháp này phải sử dụng công nghệ xử lý tín hiệu số hiện đại. Trong toán học ,mỗi sóng mang được mô tả như một sóng phức : j [ω c + Φ c ( t )] sc (t ) = Ac (t )e Tín hiệu thực là phần thực của Sc(t).Cả Ac(t) và Φc(t)( Biên độ và pha tương ứng của sóng mang ) có thể thay đổi trên mỗi symbol thông qua symbol cơ bản.Đối với điều chế QPSK , biên độ của sóng mang thường bằng 1 và pha sẽ lấy một trong bốn góc phần tư pha của hệ thống điều chế QPSK thông thường .Đối với symbol thứ p ,trên khoảng thời gian (p-1)τ<t<pτ, Φc(t) sẽ chiếm một giá trị tập hợp góc 00,900,1800,2700 . Phương pháp điều chế OFDM sử dụng rất nhiều sóng mang ,vì vậy tín hiệu phức Ss(t) được thể hiện bởi công thức : 1N-1 j[ωn.t + Φc(t)] Ss(t) =  ∑ Ac(t).e N n=0 Trong đó : ωn=ω0+n∆ω Tất nhiên ,đây là một tín hiệu liên tục .Nếu dạng sóng của mổi phần tử tín hiệu trên một chu kỳ symbol trên một chu kỳ được xem xét thì các biến số Ac(t) và φc(t) và nhận các giá trị cố định mà các giá trị này phụ thuộc vào tần số của sóng mang cụ thể đó ,và như vậy có thể viết lại như sau Nếu tín hiệu được lấy mẫu với tần số lấy mẫu có giá trị là 1/T ( với T là chu kỳ lấy mẫu),thì tín hiệu hợp thành được thể hiện bởi công thức : (4.2.1) Ở điểm này khoảng thời gian tín hiệu được phân thành N mẫu đã được giới hạn .Nó là thuận lợi để lấy mẫu trong một chu kỳ của một symbol dữ liệu .Vì thế có mối liện hệ . ح=NT Nếu bây giờ đơn giản biểu thức (4.2.1) mà không làm mất tính tổng quát bằng cách cho ω0=0 ,thì tín hiệu trở thành : Tiếp theo ta có thể so sánh biểu thức (4.2.2) với dạng tổng quát của biến đổi Fourier ngược : Trong biểu thức 4.2.2 ,hàm số An ejΦ giống như định nghĩa của tín hiệu trong khoảng tần số lấy mẫu và S(kT) là một biểu diễn trong miền thời gian . Biểu thức 4.2.2 và 4.2.3 là tương đương nếu : Đây cũng là điều kiện yêu cầu cho tính trực giao .Do đó kết quả của việc bảo toàn tính trực giao là tín hiệu OFDM có thể được xác định bằng cách thủ tục biến đổi Fourier. Các thành phần của một mạng trực giao thì độc lập tuyến tính với nhau Có thể xem tập hợp các sóng mang phát đi là một mạng trực giao được cho bởi công thức : Nếu tập hợp các sóng mang này thật sự trực giao thì mối quan hệ trực giao.Trong biểu thức 4.2.1 sẽ được biểu diễn như sau: (Nhớ rằng p và q là hai số nguyên ) Các sóng mang thường tách riêng ra tần số 1/τ,đạt đến yêu cầu qui định của tính trực giao thì chúng được tương quan trên một thời đoạn τ.Nếu tích phân đuợc mở rộng ra cả pha của mỗi sóng mang thì biểu thức (4.2.1) được sửa lại như biểu thức (4.2.5).Đây là sự tính toán cần thiết cho máy thu. Những tín hiệu thì trực giao nếu chúng độc lập với nhau .Sự trực giao là một thuộc tính cho phép truyền tín hiệu một cách hoàn hảo trên một kênh chung và phát hiện chúng mà không có can nhiễu .Việc tổn hao tính trực giao làm sút kém kết quả những tín hiệu thông tin này và giảm phẩm chất thông tin và nhiều sơ đồ ghép kênh trực giao .Ghép kênh theo thời gian(TDM) cho phép truyền nhiều tín hiệu thông tin trên một kênh đơn bởi việc gán khe thời gian đồng nhất cho mỗi tín hiệu thông tin riêng biệt .Trong mỗi khe thời gian chỉ một tín hiệu từ một nguồn đơn thì được ,khi truyền ngăn ngừa sự can nhiễu bất kỳ giữa nhiều nguồn thông tin .Do vậy TDM này trực giao về bản chất .Trong miền tần số ,đa số các hệ thống FDM trực giao vì mỗi tín hiệu truyền riêng biệt được để cách ly nhau theo tần số để ngăn ngừa can nhiễu. Các tín hiệu OFDM được tạo thành từ tổng các tín hiệu hìn sin ,mỗi hình sin tương ứng với một tải phụ .Dảy tần số cơ bản của mỗi tải phụ được chọn là số nguyên lần thời gian symbol.Kết quả là tất cả các tải phụ có một số nguyên các chu kỳ trong một symbol ,và chúng trực giao với nhau. 3.2.4 OFDM đa đường dẫn và hiệu quả quang phổ Công nghệ OFDM thiết kế trong các hệ thống để hoạt động trong các điều kiện môi trường kết nối đa dạng từ Có tầm nhìn thẳng LOS (Line-of-sight) đến đường dẫn thẳng bị che chắn OLOS(Obstructed Line-Of-Sight) và không có đường dẫn thẳng (NLOS). Đây chính là ưu điểm của công nghệ OFDM. Trong môi trường không có tầm nhìn thẳng, tín hiệu đa đường dẫn là tổ hợp của tín hiệu gốc và các tín hiệu phản xạ bởi các vật cản giữa trạm phát và trạm thu. Các tín hiệu phản xạ thường đến trạm thu không cùng một lúc phụ thuộc vào khoảng cách đường đi và đều đến sau so với tín hiệu gốc (dẫn thẳng). Do không đến cùng một thời điểm (out of phase) các tín hiệu phản xạ gây ra hiện tượng nhiễu. Hình 3.2.4.1. Đa đường dẫn trong các điều kiện kết nối NOLS Tác động của hiện tượng đa đường trên hệ thống kết nối vô tuyến là ảnh hưởng giữa các symbol -ISI (Inter Symbol Interference). Các tiếng vọng từ một symbol nhất định (gọi là vọng symbol N) sẽ ảnh hưởng đến symbol tiếp theo (gọi là symbol N+1). Công nghệ OFDM đã khắc phục được vấn đề ISI bằng cách sử dụng Khoảng bảo vệ (Guard Interval –GI period) tại đoạn bắt đầu của symbol. Khoảng thời gian bảo vệ chính là phần symbol bị ảnh hưởng bởi ISI còn khoảng dữ liệu tiếp theo khoảng bảo vệ chính là khoảng tải tin. Hình 3.2.4.2. Cấu trúc Symbol OFDM, ISI và khoảng bảo vệ Công nghệ OFDM hỗ trợ truyền số liệu tốc độ cao và tăng hiệu quả quang phổ. Điều này đạt được là do sự truyền dẫn song song của nhiều sóng mang phụ (sub-carrier) qua không trung, mỗi sub-carrier có khả năng mang số liệu điều biến. Các sub-carrier được đặt vào các tần số trực giao. Trực giao có nghĩa là tần số trung tâm của một sub-carrier nhất định sẽ rơi đúng vào các điểm bằng 0 (null) của các sub-carrier khác (Hình 3.2.4.3). Sử dụng các tần số trực giao sẽ tránh được sự ảnh hưởng lẫn nhau giữa các sub-carrier khác nhau khi sắp xếp vị trí các sub-carrier với mật độ lớn trong miền tần số do đó sẽ đạt được hiệu quả quang phổ cao. Hình3.2.4.3. Trực giao sub-carrier OFDM trong miền tần số Ưu và nhược đểm của OFDM 3.3.1 Ưu điểm - Công nghệ này thích hợp cho hệ thống tốc độ cao. - Thích hợp với các ứng dụng không dây cố định. - Rất hiệu quả trong các môi trường đa đường dẫn. - Sử dụng dải tần rất hiệu quả do cho phép chồng phổ giữa các sóng mang con. Hạn chế được ảnh hưởng của fading và hiệu ứng nhiều đường bằng cách chia kênh fading chọn lọc tần số thành các kênh con fading phẳng tương ứng với các tần số sóng mang OFDM khác nhau. - Phương pháp này có ưu điểm quan trọng là loại bỏ được hầu hết giao thoa giữa các sóng mang và giao thoa giữa các tín hiệu. - Giải quyết vấn đề fading bằng quá trình thực hiện điều chế và giải điều chế trong OFDM nhờ sử dụng phép biến đổi FFT - OFDM có ưu điểm nổi bật là khắc phục hiện tượng không có đường dẫn thẳng bằng tín hiệu đa đường dẫn. OFDM đang chứng tỏ những ưu điểm của mình trong các hệ thống viễn thông trên thực tế đặc biệt là trong các hệ thông vô tuyến đòi hỏi tốc độ cao như thông tin di động và cả trong truyền hình số. 3.3.2 Nhược điểm OFDM không phải không có nhược điểm, đó là nó đòi hỏi khắt khe về vấn đề đồng bộ vì sự sai lệch về tần số, ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler khi di chuyển và lệch pha sẽ gây ra nhiễu giao thoa tần số (Intercarrier interference - ICI) mà kết quả là phá bỏ sự trực giao giữa các tần số sóng mang và làm tăng tỷ số bít lỗi (BER). Tuy nhiên OFDM cũng có thể giảm bớt sự phức tạp của vấn đề đồng bộ thông qua khoảng bảo vệ (GI). Sử dụng chuỗi bảo vệ (GI) cho phép OFDM có thể điều chỉnh tần số thích hợp mặc dù việc thêm GI cũng đồng nghĩa với việc giảm hiệu quả sử dụng phổ tần số. Ngoài ra OFDM chịu ảnh hưởng của nhiễu xung, có nghĩa là một xung tín hiệu nhiễu có thể tác động xấu đến một chùm tín hiệu thay vì một số ký tự như trong CDMA và điều này làm tăng tỷ lệ lỗi bit của OFDM so với CDMA. 3.4 Công nghệ OFDM cho việc truyền dẫn vô tuyến ở mạng WiMax WiMax sử dụng công nghệ OFDM ở giao diện vô tuyến để truyền tải dữ liệu và cho phép các thuê bao truy nhập kênh. Cũng có nhiều công nghệ khác nhau ở giao diện này như FDM, CDMA. Tuy nhiên OFDM đã chứng tỏ là nó có những ưu việt hơn rất nhiều về tốc độ truyền, tỷ lệ lỗi bit, cũng như hiệu quả sử dụng phổ tần nên đã được IEEE chọn làm công nghệ truyền dẫn cho truyền thông vô tuyến băng rộng trong chuẩn IEEE 802.16e. Chú ý rằng môi trường truyền thông vô tuyến là một mỗi trường khắc nghiệt nhất trong truyền dẫn thông tin. Nó gây suy hao tín hiệu về biên độ cũng như suy hao lựa chọn tần số, kèm theo các hiệu ứng pha đinh đa đường. Sự suy hao này đặc biệt tăng nhanh theo khoảng cách và ở tần số cao, ngoài ra còn tùy thuộc vào địa hình là thành thị, đồng bằng hay miền núi mà sự suy giảm cũng khác nhau. Hình 3 và Bảng 1 ở dưới đây là nghiên cứu trên các hệ thống ISM tần số 2,4GHz và UNII tần số 5,4GHz minh hoạ sự suy giảm theo khoảng cách và trên các loại địa hình với các điều kiện truyền dẫn khác nhau. Hình 3.4.1: Suy giảm tín hiệu theo khoảng cách [2] Mô tả Mức độ suy giảm Khu vực trung tâm thành phố nhiều nhà cao tầng 20dB thay đổi từ phố này tới phố khác Khu vực ngoại ô ít nhà cao tầng tăng 10dB tín hiệu so với vùng trung tâm Khu nông thôn tăng 20dB tín hiệu so với vùng ngoại ô Khu vực địa hình không đều và vùng nhiều cây cối công suất tín hiệu thay đổi từ 3-12dB Bảng 1: Sự suy giảm tín hiệu trong môi trường vô tuyến [3] Trong môi trường truyền dẫn đa đường, nhiễu xuyên ký tự (ISI) gây bởi tín hiệu phản xạ có thời gian trễ khác nhau từ các hướng khác nhau từ phát đến thu là điều không thể tránh khỏi. ảnh hưởng này sẽ làm biến dạng hoàn toàn mẫu tín hiệu khiến bên thu không thể khôi phục lại được tín hiệu gốc ban đầu. Các kỹ thuật sử dụng trải phổ trực tiếp DS-CDMA như trong chuẩn 802.11b rất dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu đa đường vì thời gian trễ có thể vượt quá khoảng thời gian của một ký tự. OFDM sử dụng kỹ thuật truyền song song nhiều băng tần con nên kéo dài thời gian truyền một ký tự lên nhiều lần. Ngoài ra, OFDM còn chèn thêm một khoảng bảo vệ (guard interval - GI), thường lớn hơn thời gian trễ tối đa của kênh truyền, giữa hai ký tự nên nhiễu ISI có thể bị loại bỏ hoàn toàn. Nhiễu lựa chọn tần số cũng là một vấn đề gây ảnh hưởng lớn đến chất lượng truyền thông tín hiệu. Tuy nhiên, OFDM cũng mềm dẻo hơn CDMA khi giải quyết vấn đề này. OFDM có thể khôi phục lại kênh truyền thông qua tín hiệu dẫn đường (Pilot) được truyền đi cùng với dòng tín hiệu thông tin. Ngoài ra, đối với các kênh con suy giảm nghiêm trọng về tần số thì OFDM còn có một lựa chọn nữa để giảm tỷ lệ lỗi bit là giảm bớt số bít mã hoá cho một tín hiệu điều chế tại kênh tần số đó.  Chương 4 Chương này chúng tôi mô phỏng lớp vật lý của WIMAX theo chuẩn IEEE 802.16d. Chúng tôi sẽ đưa ra mô hình mô phỏng ,các bước thiết lập mô hình và kết quả chạy mô phỏng của chương trình. 4.1 Mô hình mô phỏng của lớp vật lý IEEE 802.16d Hình 4.1 Sơ đồ mô phỏng lớp vật lý IEEE 802.16d Ở phía phát gồm các khối mã hóa kênh,khối điều chế và khối OFDM . các khối mã hóa kênh được thiết kế để cải thiện hiệu năng thông tin bằng việc cho phép tín hiệu phát chống lại tốt hơn các tác động của suy hao kênh khác nhau, như nhiễu, pha đinh, jamming. Lợi ích của mã hoá kênh là giảm tỉ lệ lỗi bít (BER), thực hiện giới hạn công suất và giới hạn độ rộng băng tần kênh bằng cách thêm một mã dư vòng vào dữ liệu được phát .Trong chuẩn IEEE 802.16d, mã hoá kênh bao gồm ngẫu nhiên hoá , sửa lỗi trước (Reed-Solomon, convolution coding,puctune), và đan xen. Khối FEC bao gồm mã hoá Reed-Solomon, mã xoắn và đục lỗ (được sử dụng để điều chỉnh tốc độ dữ liệu khác nhau). Đây là các khối bắt buộc trong chuẩn. Mã hoá turbo và mã xoắn turbo (CTC) là tuỳ chọn cũng như đan xen CTC, vì vậy chúng không được thực hiện trong mô hình này. Điều chế là quá trình ánh xạ thông tin số vào dạng tương tự để phát qua kênh. Với một hệ thống OFDM, thay đổi của pha và biên độ có thể được thực hiện nhưng tần số thì không thay đổi bởi vì chúng có tính trực giao. Điều chế sử dụng trong 802.16d là Gray-mapped QPSK, 16-QAM, và 64-QAM.Trong chương trình mô phỏng này dung bộ điều chế và giải điều chế 16_QAM Phát OFDM bao gồm ba phần: tạo khung OFDM, tạo tín hiệu OFDM bằng cách thực hiện IFFT/FFT, và thêm tiền tố tuần hoàn (khoảng bảo vệ được sử dụng để loại bỏ giao thoa giữa các ký hiệu). Tại phía thu, thực hiện ngược lại với phía phát. Đối với kênh, kênh AWGN được sử dụng cho mô phỏng. Thiết kế các khối 4.2.1 khối ngẫu nhiên hóa(randomizer) Ngẫu nhiên hoá được thực hiện trên mỗi cụm dữ liệu ở đường lên và đường xuống. Ngẫu nhiên hoá thực hiện trên mỗi một vị trí của cụm dữ liệu, điều đó có nghĩa là với mỗi vị trí của khối dữ liệu (các kênh con trong miền tần số và các ký hiệu OFDM trong miền thời gian) sẽ sử dụng các bộ ngẫu nhiên hoá độc lập. Sử dụng bộ trộn để ngăn ngừa việc kéo dài chuỗi các bit 1 và các bit 0, vì chuỗi các bit đó sẽ gây ra khó khăn cho việc khôi phục đồng hồ tại phía thu. Trong chuẩn IEEE 802.16a, bộ trộn được thực hiện với 15 thanh ghi dịch và hai cổng XOR. Các thanh ghi dịch sẽ được khởi tạo cho mỗi vị trí mới Hình 4.2 khối ngẫu nhiên hóa Ở đây sử dụng thanh ghi dịch như biểu diễn (1+X14+X15) Ở phía thu cũng giải ngẫu nhiên (derandomizer)cũng được thực hiên tương tự 4.2.2 Sửa lỗi trước (FEC) Hình 4.3 khối sữa lỗi trước a) khối reed-solomon Mã Reed-Solomon là các mã khối và nó thực hiện khá tốt cho việc sửa các lỗi cụm. Các mã được qui chiếu theo khuôn dạng RS (N, K, T). Trong đó K là số các byte chưa được mã hoá và N là số byte được mã hoá, T là số byte có thể được sửa lỗi. Bộ mã hoá Reed-Solomon sẽ sinh ra một mã sao cho trước tiên K bít đầu ra từ bộ mã hoá là các bit thông tin và N-K bit tiếp theo từ bộ mã hoá là các bít kiểm tra được thêm vào để sửa lỗi. Trong chuẩn mô phỏng IEEE 802.16d, Mã hoá Reed-Solomon được định nghĩa như RS (N=64, K=48, T=8) với các đa thức sau đây: Đa thức tạo mã: g(x) = (x + λ0)(x + λ1)(x + λ2) ... (x + λ2T-1), λ = 02HEX (3.1) Đa thức tạo trường: (3.2) Mã xoắn / Giải mã Viterbi Mỗi khối RS được mã hoá bởi mã hoá xoắn nhị phân. Mã xoắn sẽ có tỉ lệ là 1/2, độ dài bắt buộc là 7, và sẽ sử dụng các đa thức tạo mã: G1=171OCT đối với X G2=133OCT đối với Y Hình 4.4 mã xoắn với tỷ lệ 1/2 Các mẫu đục lỗ và bậc phát hành sẽ được sử dụng để thực hiện các tỉ lệ mã khác nhau được định nghĩa trong bảng dưới đây. Trong bảng, “1” nghĩa là bit được phát và “0” chỉ thị bit bị loại bỏ, trong khi đó X và Y có liên quan đến hình 4.1 Tỉ lệ RS-CC 1/2 sẽ luôn được sử dụng như là một kiểu mã hoá khi cần thiết truy nhập vào mạng. Bảng mã xoắn và cấu hình đục lỗ Trong chương trinh mô phỏng này chung tôi sử dụng tỉ lệ 2/3 với véc tơ là :[1101] Ở phía thu, bộ giải mã Viterbi sẽ được sử dụng để giải mã xoắn Hình 4.5 khối giải mã xoắn dung viterbi Đan xen và Giải đan xen Sau khi mã hoá RS-CC, tất cả các bit dữ liệu được mã hoá sẽ được đan xen bởi một khối đan xen với một cỡ khối tương ứng số bít được mã hoá trong mỗi kênh con đã cấp phát mỗi ký hiệu OFDM, Ncbps. Vì biểu đồ điều chế khác nhau QPSK, 16QAM, 64QAM, nên Ncbps tương ứng là sẽ 384, 768, 1152. Đan xen được định nghĩa bởi hoán vị hai bước. Giả sử Ncpc là số bit được mã hoá trên sóng mang, vídụ 2, 4, hoặc 6 tương ứng với QPSK, 16QAM, 64QAM. Giả sử s=Ncpc/2. Đặt k là chỉ số của bit được mã hoá trước khi hoán vị đầu tiên ở lúc phát; m là chỉ số sau hoán vị đầu tiên và trước khi hoán vị thứ hai; và j là chỉ số sau hoán vị thứ hai, trước khi điều chế. Hoán vị bước thứ nhất: Hoán vị bước thứ hai: Bước đầu tiên đảm bảo rằng các bít lân cận nhau được mã hoá được sắp xếp vào các sóng mang không lân cận. Điều này đảm bảo rằng nếu pha đinh sâu ảnh hưởng đến một bit, các bit lân cận của nó sẽ không bị tác động bởi pha đinh, và vì vậy có khả năng sửa chữa những ảnh hưởng của pha đinh. Hoán vị thứ hai đảm bảo rằng các bit được mã hoá lân cận sẽ được ghép xen kẽ vào các bit có trọng số nhỏ hơn của chòm sao. Điều này giúp thực hiện tách chính xác và tránh được sự kéo dài của các bit có độ tin cậy thấp. Giải đan xen được thực hiện ngược lại ở phía thu. Hình 4.6 khối đan xen và giải đan xen Điều chế và giải điều chế Trong điều chế và giải điều chế chúng ta sử dụng các dạng điều chế QPSK ;16-QAM ;64-QAM....vv theo dạng mã hóa gray.Trong chương trình này sử dụng điều chế 16-QAM Hình 4.7 khối điều chế khố OFDM và giải OFDM Hình 4.8 khối OFDM Trong chuẩn IEEE 802.16d, mỗi ký hiệu OFDM gồm có 192 dữ liệu tải trọng phức, 8 sóng mang dẫn đường và một song mang DC.Các sóng mang con dẫn đường sẽ được chèn vào mỗi cụm dữ liệu theo thứ tự để tạo thành ký hiệu và các sóng mang dẫn đường sẽ được điều chế dựa vào vị trí sóng mang của chúng bên trong ký hiệu OFDM. Các song mang dẫn đường được sinh ra bởi bộ tạo PRBS(Pseudo Random Binary Sequence) đây là chuỗi nhị phân giả ngẩu nhiên.Đa thức của bộ tạo PRBS là g(x)=x11+x9+1. Các ký hiệu OFDM được đóng gói thành các khung trước khi gửi đi . Trong khối OFDM và giải OFDM dùng biến đổi IFFT và FFT được dùng đễ tạo sóng mang trực giao nhau và chuyển đổi giữa miền thời gian và miền tần số. FFT thực hiện biến đổi tín hiệu trong miền thời gian thành một tín hiệu trong miền tần số như một hàm của chu kì lấy mẫu và số mẫu được sử dụng. Tần số căn bản của FFT được định nghĩa bằng 1/Ts_tot (Ts_tot là tổng thời gian mẫu của FFT). IFFT thực hiện ngược lại với FFT bằng cách chuyển đổi tín hiệu trong miền tần số thành tín hiệu thời gian. Khoảng thời gian của tín hiệu thời gian IFFT bằng số bin FFT đã được ghép bởi chu kỳ lấy mẫu Các zero được độn bằng nhau tại điểm bắt đầu và kết thúc của một ký hiệu OFDM để thực hiện IFFT 256 điểm tại phía phát.Ở trong mô phỏng này điểm bắt đâu được độn 28 zero và điểm cuối 27 zero bằng khối ‘complex(0,0)*ones(28,1) và complex(0,0)*one(27,1)’. Các sóng mang zero này cũng được sử dụng như khoảng bảo vệ để tránh giao thoa giữa các kênh. Tại phía thu, sau khi thực hiện FFT các bít độn zero sẽ được xoá khỏi vị trí tương ứng. Trong thông tin vô tuyến, tín hiệu thông thường có thể bị méo bởi tín hiệu phản xạ vì trễ đa đường. Đây gọi là giao thoa giữa các ký hiệu (ISI). Để đối phó với vấn đề này, một tiền tố tuần hoàn được chèn vào trước mỗi ký hiệu được phát. Nếu trễ đa đường nhỏ hơn khoảng CP, ISI được loại trừ hoàn toàn bởi thiết kế. Vì vậy, sau khi thực hiện IFFT, tiền tố tuần hoàn cần được thêm vào mỗi ký hiệu OFDM. Điều này được thực hiện bằng cách chép lại dữ liệu phần sau cùng trong một ký hiệu OFDM để làm phần bắt đầu. Trong chuẩn IEEE 802.16d, độ dài CP phù hợp là 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 có thể được ápdụng cho ký hiệu phát. Tại phía thu thực hiện ngược lại. Các sóng mang zero này cũng được sử dụng như khoảng bảo vệ để tránh giao thoa giữa các kênh. Tại phía thu, sau khi thực hiện FFT các bít độn zero sẽ được xoá khỏi vị trí tương ứng. Trong chương trình mô phỏng này dùng độ dài CP là 1/4 Hình 4.9 khối OFDM bên phía thu kênh truyền Trong kênh truyền được đưa ra đễ tạo nên các ảnh hưởng của đường truyền gần giống như trong thực tế để kiểm tra tính sữa lỗi của hệ thống.Trong thực tế có nhiều loại nhiễu tác động đến hệ thống thông tin làm méo lệch tín hiệu thông tin.Nó sẽ làm cho phía thu khó khôi phục lại thông tin giống bên thu. Trong chương trinh mô phỏng này chúng tôi chỉ sử dụng kênh truyền nhiễu trắng AWGN .vơi công suất tín hiệu đầu vào là (0.1 w) và tỉ lệ nhiễu của tín hiệu là 40 dB. Hình 4.10 kênh truyền Kết quả mô phỏng lớp vật lý IEEE 802.16d Hình 4.10 Biểu đồ mắt Biểu đồ mắt cho ta thấy được mối quan hệ giữa biên độ và pha của tin hiệu theo thời gian cũng như biên độ vuông góc của tín hiệu Hình 4.12 chòm sao bên phát sau điều chế QAM Hình 4.14 chòm sao bên phía thu trước giả điều chế QAM Ta nhận thấy rằng tín hiệu bên phía thu ảnh hưởng của nhiêu do kênh truyền gây ra nên trước khi giải điều chế tín hiệu nó không còn nằm đúng vị trí bên phát.Nó bị lệch xung quanh vị trí của bên phát Hình 4.14 Đồ thị biểu diễn dòng bits theo thời gian Ta nhận thấy sự khác nhau giữa các dòng bít ở đầu vào ,sau khi ngẫu nhiên hóa và dòng bits ở phía thu.Sự khác nhau là khi thu do nhiễu nên bên nhận sẽ không nhận đúng dòng bits như bên phát.nó có sự sai lệnh của các dòng bits. Hình 4.15 phổ tín hiệu sau CP Hình 4.16 Phổ tín hiệu trước kênh truyền Hình 4.17 Phổ tín hiệu sau kênh truyền  Kết luận Sau một thời gian tìm hiểu nhóm chúng tôi đã hoàn thành được đề tài “Ứng Dụng OFDM Trong WIMAX” .Nhóm chúng tôi đã tìm hiểu được các chuẫn của WIMAX cũng như cách thức hoạt động của hệ thống thông tin vô tuyến này. Chúng tôi đã đi vào nghiên cứu sử dụng công nghệ OFDM trong WIMAX.Công nghệ WIMAX là một công nghệ mới có thể đáp ứng được nhu cầu của người dùng nếu triển khai tốt.WIMAX hạn chế được nhược điểm về vấn đề địa lý trong quá trình phủ song .Tuy nhiên do một số vấn đề còn hạn chế và cũng là công nghệ mới nên nó chưa được ứng dụng rộng rãi trên thế giới.Ở Việt Nam công nghệ này đang được các công ty viễn thông tổ chức nghiên cứu và triển khai thí điểm ở một số nơi như Lào Cai. Vì thời gian còn hạn chế nên nhóm chúng tôi chỉ tìm hiểu được những cái cơ bản của công nghệ này.hướng phát triễn của nhóm chúng tôi là bảo mật trong WIMAX và tính tương thích của hệ thống của nó trong công nghệ hiên có của Việt Nam. Tài liệu tham khảo 3GPP TSG-RAN1. System level simulation of OFDM—further considerations. Document R1-03-1303, November 2003. Tạp chí IEEE Y. R. Zheng and C. Xiao. Improved models for the generation of multiple uncorrelated Rayleigh fad-ing waveforms, IEEE Communications Letters, 6(6), June 2002 Thông tin vô tuyến – Vũ Văn Yêm & Nguyễn Văn Đức .