BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
HOÀNG CÔNG ANH

---------------------------------------

KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ OFDMA

HOÀNG CÔNG ANH

TRONG WIMAX

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
KHOÁ 2008 - 2010

Hà Nội – 2011


Hoàng Công Anh

Ứng dụng công nghệ OFDMA trong WiMAX

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn là kết quả
nghiên cứu trung thực và chưa từng được sử dụng để bảo vệ một học vị nào.
Tôi xin cam đoan rằng, mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã
được cảm ơn và thông tin trích dẫn trong luận văn đã được ghi rõ nguồn gốc.

Tác giả luận văn

Khoa Điện tử Viễn thông

1


Hoàng Công Anh

Ứng dụng công nghệ OFDMA trong WiMAX

MỤC LỤC
Lời cam đoan....................................................................................................... 1
Danh sách từ viết tắt ............................................................................................ 5
Danh sách bảng biểu............................................................................................ 14
Danh sách hình vẽ ............................................................................................... 15
Lời nói đầu ......................................................................................................... 17
CHƯƠNG I. KỸ THUẬT OFDMA ................................................................. 19
Mở đầu ............................................................................................................... 19
1.1. Tổng quan về kỹ thuật OFDM – cơ sở của kỹ thuật OFDMA ....................... 19
1.1.1. Khái niệm OFDM.................................................................................. 19
1.1.2. Điều chế và giải điều chế phân chia theo tần số trực giao OFDM .......... 20
1.1.2.1. Điều chế ......................................................................................... 21
1.1.2.2. Giải điều chế .................................................................................. 22
1.1.3. Truyền dẫn đa sóng mang bằng OFDM ................................................. 24
1.1.4. Ưu điểm và nhược điểm của OFDM ...................................................... 27
1.1.4.1. Ưu điểm ......................................................................................... 27
1.1.4.2. Nhược điểm.................................................................................... 28
1.2. Tổng quan về kỹ thuật OFDMA ................................................................... 28

1.2.1. Khái niệm về OFMDA .......................................................................... 28
1.2.2. Kênh con hóa (sub-channelization)........................................................ 29
1.2.3. Khả năng mở rộng quy mô - Scalable OFDMA (S-OFDMA) ................ 33
1.2.4. So sánh OFDM, OFDMA, S-OFDMA................................................... 34
1.2.4.1. Sự khác nhau giữa OFDMA và OFDM........................................... 34
1.2.4.2. Sự khác nhau giữa OFDMA và S-OFDMA .................................... 35
1.2.5. Điều chế đa truy nhập và song công....................................................... 35
1.2.5.1. Phương thức đa truy nhập............................................................... 35
1.2.5.2. Phương thức song công .................................................................. 37
1.2.5.3. Cấu trúc khung PMP ...................................................................... 38

Khoa Điện tử Viễn thông

2


Hoàng Công Anh

Ứng dụng công nghệ OFDMA trong WiMAX

CHƯƠNG II. LỚP MAC TRONG MẠNG WIMAX ...................................... 42
Mở đầu................................................................................................................ 42
2.1. Mô hình tham chiếu lớp MAC ...................................................................... 43
2.2. Nén tiêu đề gói ............................................................................................. 44
2.3. Truyền dẫn và cấu trúc dữ liệu của lớp MAC................................................ 47
2.4. Yêu cầu và cấp phát băng thông.................................................................... 52
2.5. Chất lượng dịch vụ QoS................................................................................ 54
2.5.1 Các dịch vụ lập lịch (Scheduling Services) ............................................. 54
2.5.2. Sự hoạt động của các luồng dịch vụ và QoS .......................................... 56
2.6. Khởi tạo và truy nhập mạng.......................................................................... 58

2.6.1 Quét và đồng bộ kênh đường xuống ....................................................... 58
2.6.2 Thu thập các tham số đường lên ............................................................. 59
2.6.3 Thực hiện Ranging ................................................................................. 59
2.6.4 Đàm phán các chức năng cơ bản............................................................. 61
2.6.5. Đăng ký và thiết lập kết nối IP............................................................... 63
2.6.6. Thiết lập luồng dịch vụ .......................................................................... 64
2.6.7. Quản lý tính di động ............................................................................. 65
2.6.7.1. Quản lý nguồn ................................................................................ 65
2.6.7.2. Chuyển giao ................................................................................... 66
CHƯƠNG III. ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ OFDMA CẤP PHÁT ĐỘNG
SÓNG MANG CON CHO MẠNG TẾ BÀO VÀ MẠNG ADHOC ................ 68
Mở đầu................................................................................................................ 68
3.1. Giới thiệu...................................................................................................... 68
3.2. Điểm qua một vài phương pháp cấp phát sóng mang con truyền thống. ........ 70
3.2.1. Cấp phát OFDM/FDMA cố định. .......................................................... 70
3.2.2. Cấp phát OFDM/FDMA ngẫu nhiên..................................................... 70
3.3. Đề xuất thuật toán DSA ................................................................................ 71
3.3.1. Khởi động liên kết ................................................................................. 75
3.3.2. Mô phỏng sóng mang con tích cực ……................................................ 77

Khoa Điện tử Viễn thông

3


Hoàng Công Anh

Ứng dụng công nghệ OFDMA trong WiMAX

3.4. Chọn ngưỡng................................................................................................ 80

3.5. Thiết lập kịch bản và kết quả mô phỏng cho mạng tế bào ............................. 82
3.5.1 Mô hình mạng tế bào .............................................................................. 82
3.5.2. Mô hình kênh ........................................................................................ 83
3.5.3. Mô hình Pathloss ................................................................................... 84
3.5.4. Các thông số hệ thống OFDM ............................................................... 84
3.5.5. Mô hình lưu lượng................................................................................. 84
3.5.6. Kết quả mô phỏng ................................................................................. 86
3.5.6.1 Tối ưu hóa ngưỡng .......................................................................... 86
3.5.6.2. So với kĩ thuật phân bố ngẫu nhiên truyền thống OFDM-FDMA.... 89
3.6. Thiết lập kịch bản và kết quả mô phỏng cho mạng Adhoc ............................ 90
CHƯƠNG IV. KẾT LUẬN ............................................................................... 94
Tài liệu tham khảo……………………………………………………………… .. 95

Khoa Điện tử Viễn thông

4


Ứng dụng công nghệ OFDMA trong WiMAX

Hoàng Công Anh

DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Từ viết tắt

Nghĩa

3G


Third Generation

Thế hệ thứ 3

AAA

Authentication, Authorization,

Sự nhận thực, sự cấp phép và sự

and Accounting

tính toán

AAS

Advanced Antenna System

Hệ thống anten tiên tiến

ABAS

Adaptive Bandwidth Allocation

Phối hợp cấp phát băng thông

Scheme

thích ứng


AC

Admission Control

Điều khiển chấp nhận

ACK

Acknowledgment

Xác nhận

ADSL

Asymmetric Digital Subscriber

Mạch vòng thuê bao số không đối

Loop

xứng

AES

Advanced Encryption Standard

Chuẩn mật mã tiên tiến

AK


Authentication Key

Khoá nhận thực

AM

Amplitude Modulation

Điều biên

AMC

Adaptive Modulation and Coding Điều chế và mã hoá thích ứng

AMR

Adaptive Multi-Rate

Đa tốc độ thích ứng

ARQ

Automatic Repeat Request

Yêu cầu truyền lại tự động

ASN

Access Services Network


Mạng dịch vụ truy nhập

ASP

Application Service Provider

Nhà cung cấp dịch vụ ứng dụng

ATM

Asynchronous Transfer Mode

Phương thức truyền không đồng
bộ

BE

Best Effort

Dịch vụ nỗ lực tốt nhất

BEP

Bit Error Probability

Xác suất lỗi bit

BER


Bit Error Rate

Tốc độ lỗi bit

BLER

Block Error Rate

Tốc độ lỗi khối

BPSK

Binary Phase Shift Keying

Khoá dịch pha nhị phân

BS

Base Station

Trạm gốc

BSN

Block Sequence Number

Số thứ tự khối

Khoa Điện tử Viễn thông


5


Ứng dụng công nghệ OFDMA trong WiMAX

Hoàng Công Anh

BTC

Block Turbo Code

Mã Turbo khối

BWR

Bandwidth Request

Yêu cầu băng thông

CAC

Call Admission Control

Điều khiển chấp nhận cuộc gọi

CBR

Constant Bit Rate

Tốc độ bit cố định


CC

Convolutional Coding

Mã hoá tích chập

CCI

Cochannel Interference

Nhiễu liên kênh

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

CID

Connection Identifier

Nhận dạng kết nối

CP

Cyclic Prefix

Tiền tố tuần hoàn


CPE

Customer Premise Equipment

Thiết bị truyền thông cá nhân

CPS

Common Part Sublayer

Lớp con phần chung

CRC

Cyclic Redundancy Check

Kiểm tra mã vòng dư

CS

Convergence Sublayer

Lớp con hội tụ

CSI

Channel State Information

Thông tin trạng thái kênh


CSMA

Carrier Sense Multiple Access

Đa truy nhập cảm nhận sóng mang

CSN

Connectivity Services Network

Mạng dịch vụ kết nối

CTC

Concatenated Turbo Code

Mã Turbo xoắn

DC

Direct Current

Dòng một chiều

DC

Deficit Counter

Bộ đếm dư thừa


DCD

Downlink Channel Descriptor

Mô tả kênh đường xuống

DCF

Distributed Control Function

Chức năng điều khiển phân tán

DES

Data Encryption Standard

Chuẩn mã hoá dữ liệu

DFS

Dynamic Frequency Selection

Lựa chọn tần số động

DFT

Discrete Fourier Transform

Biến đổi Fourier rời rạc


DHCP

Dynamic Host Control Protocol

Giao thức cấu hình Host động

DL

Downlink

Đường xuống

DNS

Domain Name System

Hệ thống tên miền

DRR

Deficit Round Robin

Thuật toán lập lịch DRR

Khoa Điện tử Viễn thông

6



Ứng dụng công nghệ OFDMA trong WiMAX

Hoàng Công Anh

DSA

Dynamic Service Allocation

Cấp phát dịch vụ động

DSC

Dynamic Service Change

Thay đổi dịch vụ động

DSD

Dynamic Service Delete

Xoá dịch vụ động

DSL

Digital Subscriber Line

Đường dây thuê bao số

EAP


Extensible Authentication

Giao thức nhận thực mở rộng

Protocol
EDF

Earliest Deadline First

Thuật toán lập lịch EDF

EIRP

Effective Isotopic Radiated

Công suất bức xạ đẳng hướng

Power

hiệu dụng

Extended Real-Time Polling

Dịch vụ thăm dò thời gian thực

Service

mở rộng

FBSS


Fast Base Station Switching

Chuyển mạch trạm gốc nhanh

FCH

Frame Control Header

Tiêu đề điều khiển khung

FDD

Frequency Division Duplexing

Song công phân chia theo tần số

FDMA

Frequency Division Multiple

Đa truy nhập phân chia theo tần số

ertPS

Access
FEC

Forward Error Correction


Hiệu chỉnh lỗi trước

FER

Frame Error Rate

Tốc độ lỗi khung

FFT

Fast Fourier Transform

Biến đổi Fourier nhanh

FIFO

First In First Out

Vào trước ra trước

FM

Frequency Modulation

Điều tần

FSH

Fragmentation Subheader


Tiêu đề con phân mảnh

FTP

File Transfer Protocol

Giao thức truyền tập tin

FUSC

Fully Used Subchannelization

Phân kênh con sử dụng toàn phần

GMH

Generic MAC Header

Tiêu đề MAC chung

GPC

Grant Per Connection

Cấp phát theo từng kết nối

GPSS

Grant Per Subscriber Station


Cấp phát theo từng trạm thuê bao

Khoa Điện tử Viễn thông

7


Ứng dụng công nghệ OFDMA trong WiMAX

Hoàng Công Anh

GSM

H-FDD

Global System for Mobile

Hệ thống toàn cầu cho truyền

communications

thông tin di động

Half-duplex FDD

Bán song công phân chia theo tần
số

HARQ


Hybrid-ARQ

ARQ kết hợp

HO

Handover

Chuyển giao

HTTP

Hypertext Transfer Protocol

Giao thức truyền siêu văn bản

HUMAN

High-speed Unlicensed

Mạng khu vực đô thị sử dụng dải

Metropolitan Area Network

tần không cấp phép tốc độ cao

ICI

Intercarrier Interference


Nhiễu liên sống mang

IDFT

Inverse Discrete Fourier

Biến đổi Fourier rời rạc ngược

Transform
IEEE

Viện kỹ thuật điện và điện tử

Institute of Electrical and
Electronics Engineers

IFFT

Inverse Fast Fourier Transform

Biến đổi Fourier nhanh ngược

IP

Internet Protocol

Giao thức liên mạng

IP-CS


IP Convergence Sublayer

Lớp con hội tụ IP

IS

Integrated Services

Dịch vụ tích hợp

ISDN

Integrated Services Digital

Mạng số dịch vụ tích hợp

Network
ISI

Inter-Symbol Interference

Nhiễu liên ký tự

ITU

International

Hiệp hội viễn thông quốc tế

Telecommunications Union

KEK

Key Encryption Key

Khoá mật mã khoá

LAN

Local Area Network

Mạng vùng cục bộ

LDPC

Low-Density Parity Codes

Mã chẵn lẻ mật độ thấp

LOS

Line Of Sight

Tầm nhìn thẳng

LSB

Least Significant Bit

Bit ít quan trọng nhất


LWDF

Largest Weighted Delay First

Thuật toán lập lịch LWDF

Khoa Điện tử Viễn thông

8


Ứng dụng công nghệ OFDMA trong WiMAX

Hoàng Công Anh

MAC

Media Access Control

Điều khiển truy nhập môi trường

MAN

Metropolitan Area Network

Mạng khu vực đô thị

MBS

Multicast Broadcast Service


Dịch vụ quảng bá đa hướng

MCS

Modulation and Coding Scheme

Sự phối hợp điều chế và mã hoá

MIMO

Multiple Input Multiple Output

Nhiều đầu vào nhiều đầu ra

MIP

Mobile IP

Giao thức liên mạng di động

MN

Mobile Node

Nút di động

MPDU

MAC Protocol Data Unit


Đơn vị dữ liệu giao thức lớp MAC

MPEG

Motion Picture Experts Group

Nhóm chuyên gia ảnh động

MS

Mobile Station

Trạm di động

MSB

Most Significant Bit

Bít quan trọng nhất

MSDU

MAC Service Data Unit

Đơn vị dữ liệu dịch vụ lớp MAC

NAI

Network Access Identifier


Bộ nhận dạng truy nhập mạng

NAP

Network Access Provider

Nhà cung cấp truy nhập mạng

NAS

Network Access Server

Máy chủ truy nhập mạng

NAT

Network Address Translation

Thông dịch địa chỉ mạng

NLOS

Non Line Of Sight

Tầm nhìn không thẳng

nrtPS

Non Real-Time Polling Service


Dịch vụ thăm dò phi thời gian
thực

NSP

Network Services Provider

Nhà cung cấp dịch vụ mạng

NTP

Network Timing Protocol

Giao thức thời gian mạng

O-DRR

Opportunistic Deficit Round

Kỹ thuật lập lịch O-DRR

Robin
OFDM

Orthogonal Frequency Division

Đa phân chia theo tần số trực giao

Multiplexing

OFDMA

Orthogonal Frequency Division

Đa truy nhập phân chia theo tần số

Multiple Access

trực giao

Khoa Điện tử Viễn thông

9


Ứng dụng công nghệ OFDMA trong WiMAX

Hoàng Công Anh

PDA

Hỗ trợ cá nhân sử dụng kỹ thuật

Personal Digital Assistant

số
PDF

Probability Density Function


Hàm mật độ xác suất

PDU

Packet Data Unit

Đơn vị dữ liệu gói

PER

Packet Error Rate

Tốc độ lỗi gói

PF

Proportional Fairness

Kỹ thuật lập lịch PF

PFR

Priority Function

Hàm ưu tiên

PHS

Packet Header Suppression


Rút ngắn tiêu đề gói

PHSF

PHS Field

Vùng PHS

PHSI

PHS Index

Chỉ mục PHS

PHSM

PHS Mask

Mặt nạ PHS

PHSV

PHS Verify

Xác minh PHS

PKM

Privacy Key Management


Quản lý khoá bảo mật

PM

Phase Modulation

Điều pha

PN

Pseudonoise

Giả ngẫu nhiên

PPP

Point to Point Protocol

Giao thức điểm điểm

PSH

Packing Subheader

Tiêu đề con đóng gói

PSTN

Public Switched Telephone


Mạng thoại chuyển mạch công

Network

cộng

PUSC

Partially Used Subchannelization

Phân kênh con sử dụng một phần

QoS

Quality of Service

Chất lượng dịch vụ

QAM

Quadrature Amplitude

Điều chế biên độ cầu phương

Modulation
QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

Khoá dịch pha cầu phương


RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

RP

Reference Point

Điểm tham chiếu

RR

Radio Resource

Tài nguyên vô tuyến

RR

Round Robin

Thuật toán lập lịch RR

Khoa Điện tử Viễn thông

10



Ứng dụng công nghệ OFDMA trong WiMAX

Hoàng Công Anh

RRC

Radio Resource Controller

Bộ điều khiển tài nguyên vô tuyến

RRM

Radio Resource Management

Quản lý tài nguyên vô tuyến

RS

Reed Solomon

Mã Reed Solomon

RSS

Received Signal Strength

Cường độ tín hiệu thu được

RSSI


Received Signal Strength

Bộ chỉ thị cường độ tín hiệu thu

Indicator

được

rtPS

Real-Time Polling Service

Dịch vụ thăm dò thời gian thực

SA

Security Association

Kết hợp bảo mật

SC

Selection Combining

Phối hợp lựa chọn

SDU

Service Data Unit


Đơn vị dữ liệu dịch vụ

SF

Service Flow

Luồng dịch vụ

SFA

Service Flow Authorization

Cấp phép luồng dịch vụ

SFBC

Space/Frequency Block Code

Mã khối không gian/tần số

SFID

Service Flow Identifier

Nhận dạng luồng dịch vụ

SFM

Service Flow Management


Quản lý luồng dịch vụ

SH

Subheader

Tiêu đề con

SINR

Signal to Interference plus Noise

Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu và tạp âm

Ratio
SIR

Signal to Interference Ratio

Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm

SOFDMA Scalable OFDMA

OFDMA mở rộng


SS

Subscriber Station

Trạm thuê bao

SS

Security Sublayer

Lớp con bảo mật

STBC

Space/Time Block Code

Mã khối không gian/thời gian

TCP

Transport Control Protocol

Giao thức điều khiển truyền tải

TDD

Time Division Duplexing

Song công phân chia theo thời

gian

TDM

Time Division Multiplexing

Khoa Điện tử Viễn thông

11

Đa phân chia theo thời gian


Ứng dụng công nghệ OFDMA trong WiMAX

Hoàng Công Anh

TDMA

Time Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo thời
gian

TEK

Traffic Encryption Key

Khoá mật mã lưu lượng


TLS

Transport-Layer Security

Bảo mật lớp truyền tải

TOS

Type of Service

Loại dịch vụ

TUSC

Tile Used Subchannelization

Phân kênh con theo kiểu caro

UCD

Uplink Channel Descriptor

Mô tả kênh đường xuống

UDP

User Datagram Protocol

Giao thức gam dữ liệu người sử
dụng


UGS

Unsolicited Grant Services

Dịch vụ cấp phát tự nguyện

UL

Uplink

Đường lên

VBR

Variable Bit Rate

Tốc độ bit thay đổi

VLAN

Virtual Local Area Networking

Mạng khu vực nội bộ ảo

VoD

Video On Demand

Video theo yêu cầu


VoIP

Voice Over Internet Protocol

Thoại trên nền IP

VPN

Virtual Private Network

Mạng riêng ảo

WAN

Wide Area Network

Mạng khu vực rộng

WAP

Wireless Access Protocol

Giao thức truy nhập không dây

WCDMA

Wideband Code Division

Đa truy nhập phân chia theo mã


Multiple Access

băng rộng

Wireless Communications

Dịch vụ truyền thông không dây

WCS

Services
WDRR

Weighted Deficit Round Robin

Kỹ thuật lập lịch WDRR

WFQ

Weighted Fair Queuing

Kỹ thuật lập lịch WFQ

WiBro

Wireless Broadband

Băng rộng không dây


Wi-Fi

Wireless Fidelity

Mạng không dây Wifi

WiMAX

Worldwide Interoperability for

Khả năng tương tác toàn cầu với

Microwave Access

truy nhập viba

Khoa Điện tử Viễn thông

12


Ứng dụng công nghệ OFDMA trong WiMAX

Hoàng Công Anh

Wireless Internet Service

Nhà cung cấp dịch vụ Internet

Provider


không dây

WLAN

Wireless Local Area Network

Mạng khu vực nội bộ không dây

WMAN

Wireless Metropolitan Area

Mạng khu vực đô thị không dây

WISP

Network
WRAN

Wireless Regional Area Network

Mạng khu vực vùng không dây

WRR

Weighted Round Robin

Kỹ thuật lập lịch WRR


Khoa Điện tử Viễn thông

13


Hoàng Công Anh

Ứng dụng công nghệ OFDMA trong WiMAX

DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Các tham số tỉ lệ OFDMA ................................................................. 33
Bảng 2.1. Các trường tiêu đề MAC PDU chung ............................................... 47
Bảng 2.2. Các trường tiêu đề MAC PDU yêu cầu băng thông............................ 47
Bảng 2.3. Các tham số trong tập các khả năng cơ bản của BS và MS ................ 58
Bảng 3.1. kết quả tối ưu hóa mức ngưỡng cho mạng tế bào ............................... 83
Bảng 3.2. Kết quả tối ưu hóa mức ngưỡng cho adhoc........................................ 83

Khoa Điện tử Viễn thông

14


Hoàng Công Anh

Ứng dụng công nghệ OFDMA trong WiMAX

DANH SÁCH HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Phổ của 1 kênh cong, hệ thống 4 kênh con ........................................ 20
Hình 1.2. Sơ đồ khối của bộ phát đa sóng mang ................................................ 21
Hình 1.3. Sơ đồ khối của bộ thu đa sóng mang .................................................. 22

Hình 1.4. Chồng lấn phổ trực giao của OFDM .................................................. 25
Hình 1.5. Cấu trúc của một ký hiệu OFDM ....................................................... 25
Hình 1.6. Cấu trúc sóng mang con OFDMA ...................................................... 29
Hình 1.7. Kênh con hóa trong OFDMA ............................................................. 29
Hình 1.8. Sự tạo kênh trong mô hình FUSC....................................................... 30
Hình 1.9. Cluster trong mô hình DL PUSC........................................................ 31
Hình 1.10. Tile trong mô hình UL PUSC........................................................... 31
Hình 1.11. Sự khác nhau giữa OFDM và OFDMA ............................................ 34
Hình 1.12. Nhóm các sóng mang con cho mỗi người dùng khác nhau ............... 35
Hình 1.13. : Cấu trúc khung công nghệ đa truy nhâp OFDMA .......................... 35
Hình 1.14. Hai chế độ song công TDD và FDD................................................ 36
Hình 1.15. Cấu trúc khung WiMAX OFDM...................................................... 38
Hình 1.16. Minh họa khung OFDMA với cấu trúc đa vùng .............................. 39
Hình 2.1. Lớp MAC trong WiMax .................................................................... 41
Hình 2.2. Rút ngắn tiêu đề trong WiMax ........................................................... 43
Hình 2.3. Sự hoạt động của PHS trong WiMax.................................................. 43
Hình 2.4. Sự phân đoạn và ghép nối của các SDU trong các MAC PDU ........... 45
Hình 2.5. Các tiêu đề MAC PDU....................................................................... 46
Hình 2.6. Các quá trình xử lý của sự vào mạng.................................................. 54
Hình 2.7. Các thủ tục ranging và điều chỉnh tham số ......................................... 56
Hình 2.8. Sự hình thành luồng dịch vụ được khởi tạo bởi MS............................ 59
Hình 2.9. Sự hình thành luồng dịch vụ được khởi tạo bởi BS ............................ 60
Hình 3.1. Nhiễu giao chồng kênh trong mạng sử dụng công nghệ OFDMA/TDD với
100% tần số được tái sử dụng............................................................................ 67

Khoa Điện tử Viễn thông

15



Hoàng Công Anh

Ứng dụng công nghệ OFDMA trong WiMAX

Hình 3.2. Khái niệm phân tán DCA cho mạng OFDM/TDD với 100% tần số được
tái sử dụng......................................................................................................... 68
Hình 3.3. Cấu trúc khung MAC để xây dựng thuật toán .................................... 69
Hình 3.4. Lưu đồ thuật toán DSA ...................................................................... 70
Hình 3.5. Mô phỏng một mạng tế bào................................................................ 77
Hình 3.6. Mô hình đơn giản hóa cho quá trình truyền thông tin liên kết xuống .. 78
Hình 3.7. Năng lượng của hệ thống so với ngưỡng giới hạn. ............................. 81
Hình 3.8. Xác suất từ chối dữ liệu tại bộ nhân so với ngưỡng giới..................... 82
Hình 3.9. CDF bù của năng lượng truyền qua do MAC đạt được ở các mức giới hạn
khác nhau. ......................................................................................................... 83
Hình 3.10. So sánh MAC dự kiến với kĩ thuật OFDM-FDMA truyền thống ...... 84
Hình 3.11. Kịch bản mô phỏng mạng adhoc đơn giản ....................................... 85
Hình 3.12. Số kênh con được lựa chọn theo các phương thức cấp phát khác nhau
.......................................................................................................................... 86

Khoa Điện tử Viễn thông

16


Hoàng Công Anh

Ứng dụng công nghệ OFDMA trong WiMAX

Lời nói đầu
Trong những năm gần đây, các hệ thống truyền thông không dây phát triển

không ngừng và sự phát triển này sẽ còn tiếp tục trong những tương lai. Nhu cầu về
các dịch vụ và các ứng dụng không dây không ngừng gia tăng. Các hệ thống không
dây đòi hỏi phải có đủ khả năng đáp ứng và thích ứng với nhiều tốc độ dữ liệu (cao,
trung bình, thấp) và nhiều ứng dụng khác nhau (đa phương tiện, hình ảnh, định
vị,….). Tuy nhiên, các vấn đề đó đang phải đối mặt với những hạn chế về tài
nguyên và phổ tần vô tuyến. Ngày càng có nhiều thiết bị chuyển sang sử dụng
không dây, nhiều chuẩn vô tuyến được định nghĩa. Do vậy, các nhà dịch vụ viễn
thông cung cấp các giải pháp truy cập không dây băng rộng đang phải đối mặt
với bối cảnh kinh tế toàn cầu đầy thử thách: tình trạng phổ tần dày đặc, sự cùng tồn
tại nhiều thiết bị với nhiều chuẩn vô tuyến khác nhau trên cùng một dải tần số vô
tuyến, các vấn đề về nhiễu và các vấn đề về đa đường dẫn...
Từ khi xuất hiện công nghệ WiMAX (World interoperability for Microwave
Access – Khả năng khai thác liên lạc mạng trên toàn cầu đối với truy nhập vi ba) đã
chứng tỏ được các ưu điểm vượt trội của nó so với các mạng không dây đã có cả về
khả năng kết nối, vùng phủ sóng cũng như các ứng dụng có thể chạy trên nó.
Dựa trên chuẩn giao diện vô tuyến AIS (Air Interface Standard) 802.16-2005
của IEEE, công nghệ WiMAX di động nhanh chóng chứng tỏ là một công nghệ sẽ
đóng vai trò then chốt trong các mạng MAN vô tuyến băng rộng cố định. Với
WiMAX cố định, dựa trên chuẩn giao diện vô tuyến 802.16-2004 đã chứng tỏ là
một phương án không dây cố định giá thành thấp thay thế cho các dịch vụ cáp
(cable) và xDSL. Vào tháng 12 năm 2005 IEEE đã thông qua bản sửa đổi 802.16e
bổ sung cho chuẩn 802.16. Bản sửa đổi này có thêm các đặc tính và các thuộc tính
là tiêu chuẩn cần thiết để hổ trợ tính di động.
WiMAX di động là một giải pháp băng rộng không dây để cho phép hội tụ
các mạng băng rộng cố định và di động thông qua một công nghệ truy nhập vô
tuyến băng rộng diện rộng chung và một cấu trúc mạng linh hoạt. Giao diện vô
tuyến của WiMAX di động sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số

Khoa Điện tử Viễn thông


17


Hoàng Công Anh

Ứng dụng công nghệ OFDMA trong WiMAX

trực giao - OFDMA để cải thiện hiệu năng đa đường trong các môi trường truyền
NLOS.
Đề tài “Ứng dụng công nghệ OFDMA trong mạng WiMAX” tiến hành
nghiên cứu kỹ thuật OFDMA, lớp MAC trong tiêu chuẩn WiMAC di động IEEE
802.16e, ứng dụng công nghệ OFDMA cấp phát động sóng mang con cho mạng
WiMAX.
Tôi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS. Nguyễn Văn Đức, bộ môm Kỹ thuật
Thông tin, khoa Điện tử Viễn thông, trường Đại học Bách khoa Hà nội đã cung cấp
tài liệu tham khảo, theo dõi sát sao và tận tình hướng dẫn, giúp đỡ trong suốt quá
trình thực hiện đề tài.
Trong quá trình thực hiện đề tài cũng không tránh khỏi những thiếu sót, tôi
rất mong nhận được các ý kiến góp ý của các thầy cô và các bạn
Xin trân trọng cảm ơn!
Hà nội, tháng 04 năm 2011

Hoàng Công Anh

Khoa Điện tử Viễn thông

18


Ứng dụng công nghệ OFDMA trong WiMAX


Hoàng Công Anh

CHƯƠNG I. KỸ THUẬT OFDMA

Mở đầu
Trong bất kỳ một hệ thống thông tin nào, kỹ thuật xử lý tín hiệu luôn là nền
tảng quan trọng bậc nhất. Các hệ thống thông tin khác nhau sử dụng các kỹ thuật
xử lý khác nhau với độ phức tạp khác nhau và cho chất lượng dịch vụ khác nhau.
Mobile WiMAX là một hệ thống thông tin tiên tiến với mục tiêu cung cấp các
dịch vụ truy cập vô tuyến tốc độ cao, vùng phủ sóng rộng lớn ngay cả khi thuê bao
di chuyển nhanh. Do vậy, kỹ thuật xử lý tín hiệu số ở WiMAX di động cũng có nhiều
phức tạp hơn so với ở nhiều hệ thống thông tin vô tuyến khác trước đó. Trong phần
dưới đây, các kỹ thuật xử lý tín hiệu số quan trọng nhất ở hệ thống WiMAX di động
sẽ được trình bày để góp phần lý giải những khả năng nổi bật của WiMAX di động.
1.1. Tổng quan về OFDM – cơ sở của kỹ thuật OFDMA
1.1.1. Khái niệm OFDM
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là kỹ thuật điều chế đa
sóng mang theo tần số trực giao, trong đó dòng số liệu cần truyền đi được chia
thành nhiều dòng số liệu song song với tốc độ dữ liệu giảm đi. Mỗi một dòng dữ
liệu này sau đó được truyền lên những sóng mang riêng biệt, được gọi là các sóng
mang con (Sub – carrier). Các sóng mang này được điều chế trực giao với nhau
bằng cách chọn tần số cách quãng thích hợp giữa chúng, nghĩa là các kênh con được
xếp đặt trên miền tần số cách nhau một khoảng đều đặn sao cho điểm cực đại của
một kênh con là điểm không của kênh con lân cận. Những sóng mang này sau đó
ghép thành các kênh tần số để truyền vô tuyến. Như vậy, OFDM có thể được xem
như một kỹ thuật điều chế hoặc một kỹ thuật ghép kênh.
OFDM ra đời từ những thập kỷ 60 nhưng gần đây mới trở nên phổ biến, bởi
các nhà sản xuất có thể cung ứng ra thị trường những IC với chi phí rất kinh tế
nhưng vẫn có thể đáp ứng được những hoạt động số tốc độ cao. OFDM cho phép

điều chế các sóng mang con chồng lấn lên nhau rất hiệu quả, làm giảm yêu cầu về

Khoa Điện tử Viễn thông

19


Ứng dụng công nghệ OFDMA trong WiMAX

Hoàng Công Anh

băng thông nhưng vẫn giữ được các tín hiệu trực giao mà không gây nhiễu cho các
tín hiệu khác. Ngày nay, công nghệ này được sử dụng trong các hệ thống ADSL
cũng như trong các hệ thống không dây như 802.11 a/g (Wi-fi) và 802.16
(WiMAX). Nó cũng được dùng cho tín hiệu số âm thanh và hình ảnh quảng bá
không dây.
Điều chế đa sóng mang theo tần số trực giao OFDM là một dạng đặc biệt của
phép điều chế đa sóng mang thông thường FDM và cũng là một dạng đặc biệt của
điều chế đa sóng mang (MCM), là công nghệ sử dụng nhiều tần số để truyền tín
hiệu song song trong cùng một thời điểm.

Hình 1.1. a) Phổ của một kênh con, [1]
b) Phổ tín hiệu của một hệ thống 4 kênh
Một lý do chính để sử dụng OFDM là tăng khả năng chống lại pha đing lựa
chọn tần số và nhiễu băng hẹp. Ở hệ thống đơn sóng mang, một sự suy giảm hay
một tín hiệu nhiễu có thể gây ra lỗi hoàn toàn cho một kết nối, nhưng trong hệ thống
đa sóng mang thì chỉ có một phần nhỏ các sóng mang con bị ảnh hưởng. Mã hoá
sửa lỗi có thể được sử dụng để sửa vài sóng mang con bị lỗi.
1.1.2. Điều chế và giải điều chế phân chia theo tần số trực giao OFDM
Xem xét một sơ đồ khối tổng quát của bộ thu phát đa sóng mang được áp dụng

trong môi trường di động tế bào với 1 BTS trung tâm và các thiết bị đầu cuối (trạm
di động) theo topo điểm – đa điểm.

Khoa Điện tử Viễn thông

20


Hoàng Công Anh

Ứng dụng công nghệ OFDMA trong WiMAX

Quá trình truyền dữ liệu bắt đầu với một luồng “ký hiệu” dữ liệu được gửi từ
lớp giao thức cao hơn, có thể là lớp MAC. Những “ký hiệu” dữ liệu này sẽ được mã
kênh, được ánh xạ vào chòm sao “ký hiệu” theo một bảng quy định cho trước, sau
đó sẽ được trải phổ (trong MC-SS) và được ghép xen một cách có lựa chọn. Các
“ký hiệu” đã điều chế và “ký hiệu” tham chiếu/hoa tiêu tương ứng sẽ được ghép vào
trong 1 khung hoặc 1 cụm. Các “ký hiệu” thu được sau quá trình định dạng khung
sẽ được ghép kênh và được điều chế đa sóng mang bằng cách sử dụng OFDM và
cuối cùng được chuyển đến cho thiết bị phát vô tuyến thông qua một giao tiếp vật lý
thực hiện biến đổi D/A.
Quá trình nhận sẽ bắt đầu bằng việc nhận tín hiệu analog từ thiết bị nhận vô
tuyến. Bộ biến đổi A/D sẽ biến đổi tín hiệu analog này sang miền số. Sau khi giải
điều chế đa sóng mang (IOFDM) và tách khung (deframing), các “ký hiệu” tham
chiếu và hoa tiêu được tách ra sẽ được sử dụng cho quá trình ước lượng kênh và
đồng bộ. Sau khi giải ghép xen, giải trải phổ, và ánh xạ ngược, bộ giải mã kênh sẽ
sửa lỗi kênh để đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu. Cuối cùng, dữ liệu nhận được sẽ
được chuyển lên lớp giao thức cao hơn để thực hiện các quá trình xử lý tiếp theo.
Mặc dù trái tim của truyền dẫn đa sóng mang trực giao là hoạt động FFT/IFFT, các
quá trình như đồng bộ, ước lượng kênh cùng với giải mã kênh cũng đóng một vai

trò quan trọng. Phần này và các phần tiếp theo của chương này sẽ tập trung mô tả
chi tiết các thành phần của cơ chế truyền dẫn đa sóng mang như điều chế và giải
điều chế đa sóng mang, bộ tín hiệu số I/Q, lấy mẫu, mã hóa và giải mã kênh,… sẽ
được nghiên cứu.
1.1.2.1. Điều chế
Tại phía phát, sau khi ánh xạ và trải phổ các “ký hiệu”, mỗi khối gồm Nc “ký
hiệu” dạng phức sẽ được biến đổi nối tiếp – song song để đưa tới bộ điều chế đa
sóng mang, mà ở đó các “ký hiệu” sẽ được truyền đồng thời trên Nc sóng mang con
song song, mỗi sóng mang con này sẽ chiếm 1 khoảng nhỏ (1/Nc) của băng tần B.

Khoa Điện tử Viễn thông

21


Ứng dụng công nghệ OFDMA trong WiMAX

Hoàng Công Anh

exp(j 2 f 0t )

  



s(t)

exp(j 2 f1t )

S RF (t )


exp(j 2 f ct )

exp(j 2 f Nc1t )

Hình 1.2. Sơ đồ khối của bộ phát đa sóng mang
Tín hiệu băng gốc được truyền là:
1  Nc 1
(1.1)
d k ,l g (t  lTS )e j 2 fk t


k

l

0
Với NN
là
số
lượng
sóng
mang
con,
1/Ts
là
tốc độ “ký hiệu” kết hợp với mỗi
c
c
s (t ) 


sóng mang con, g(t) là đáp ứng xung của các bộ lọc bên phát, dk,l là “ký hiệu”
chòm sao dạng phức và fk là tần số của sóng mang con thứ k. Giả sử rằng tất các
các sóng mang con có độ rộng tương đương nhau:
fn 

n
, n  0,1,....., N C  1
TS

(1.2)

Tín hiệu RF biến đổi lên (up conversion) S RF (t ) truyền đi được biểu diễn bởi
biểu thức:
  Nc 1

1
S RF (t ) 
Re    d k ,l g (t  lTS )e j 2 ( f k  f c )t 
Nc
 k  l 0




 Re s (t )e j 2 fct

(1.3)




Trong đó, fc là tần số sóng mang.
1.1.2.2. Giải điều chế
Tại phía thu, tín hiệu RF thu được RRF (t ) sẽ được biến đổi xuống (down
conversion), sau đó một băng gồm N c bộ lọc thích ứng sẽ được sử dụng để giải điều
chế tất cả các sóng mang con. Tín hiệu băng gốc nhận được sau giải điều chế và lọc
trước khi được lấy mẫu tại tần số sóng mang fm được cho bởi biểu thức:
rm (t )   s(t )e  j 2 fm t   h(t )
  N c 1

    d k ,l g (t  lTS )e j 2 ( f k  f m ) t   h(t )
 k  l 0

Khoa Điện tử Viễn thông

22

(1.4)


Ứng dụng công nghệ OFDMA trong WiMAX

Hoàng Công Anh

t  lTs
exp(-j 2 f 0t )
RRF (t )

r (t )


exp(-j 2 f ct )

exp(-j 2 f1t )

  

t  lTs

t  lTs
exp(-j 2 f Nc 1t )

Hình 1.3. Sơ đồ khối của bộ thu đa sóng mang

Với h(t) là đáp ứng xung của bộ lọc bên nhận và nó thích ứng với bộ lọc truyền (ví
dụ h(t )  g  (t ) . Kí hiệu  là tích chập. Trong trường hợp này ta đã xét tín hiệu
nhận trong điều kiện không có tạp âm và fading.
Sau khi lấy mẫu với thời gian lấy mẫu tối ưu t=l.Ts, các mẫu thu được
rm (lTs )  d m ,l nếu phía thu và phía phát của truyền dẫn đa sóng mang thỏa mãn các

điều kiện Nyquist về không có ISI và ICI. Để thỏa mãn các điều kiện này, các
phương pháp lọc định dạng xung khác nhau sẽ được sử dụng:
Hệ thống giới hạn băng tần hình chữ nhật: Mỗi sóng mang con sẽ có bộ lọc truyền
băng tần giới hạn hình chữ nhật có đáp ứng xung là:
 t
sin  
 Ts
g (t ) 
t

Ts




  sin c   t 


 Ts 

(1.5)

Hiệu quả sử dụng phổ tần là tối đa, giá trị được chuẩn hóa là 1bit/s/Hz.
Hệ thống giới hạn thời gian hình chữ nhật: Mỗi sóng mang con sẽ có 1 bộ lọc
truyền thời gian giới hạn hình chữ nhật với đáp ứng xung:
 1 0  t  Ts
g (t )  rect (t )  
0, otherwise

(1.6)

Hiệu quả sử dụng phổ tần của hệ thống tương đương với giá trị được chuẩn hóa là
1/(1  BTs / N c ) . Với số N c lớn, ta sẽ nhận được giá trị chuẩn hóa tối ưu 1bit/s/Hz.

Khoa Điện tử Viễn thông

23


Ứng dụng công nghệ OFDMA trong WiMAX

Hoàng Công Anh


Đây cũng sẽ là phương pháp được sử dụng chủ yếu trong các hệ thống OFDM nhờ
tính đơn giản của nó trong quá trình triển khai hệ thống bằng phương pháp số.
Trong trường hợp có thêm khoảng bảo vệ Tg , hiệu quả phổ tần của OFDM sẽ giảm
xuống thành 1  Tg /(Ts  Tg ) với số lượng sóng mang lớn.
Lọc cosin nâng: Mỗi sóng mang con sẽ được lọc bởi một bộ lọc giới hạn thời gian
( t  kTS, kTS ) căn bậc hai của bộ lọc cosin nâng với hệ số roll-off  và đáp ứng
xung:
 t
 k t
 t

sin  (1   )  
cos  (1   ) 
 Ts
 Ts
 Ts

g (t ) 
2
t   k t  
 1  
 
Ts   Ts  



(1.7)

Với Ts  (1   )Ts và k là số lượng mẫu lớn nhất mà xung không vượt qua. Hiệu quả

sử dụng phổ tần sẽ là 1/(1  (1   ) / N c ) . Với số N c lớn, ta sẽ nhận được giá trị chuẩn
hóa tối ưu 1bit/s/Hz.
1.1.3. Truyền dẫn đa sóng mang bằng OFDM
Lựa chọn các xung giới hạn về thời gian và trực giao tần số. Do miền thời gian
và miền tần số là tương đương nhau về mặt toán học, chúng ta có thể chỉ ra điều
kiện trực giao tương đương trong miền tần số. Làm điều này, chúng ta sẽ thu được
các xung giới hạn thời gian gkl(t) trực giao trong miền tần số bởi cách xây dựng sau:
lựa chọn g(t) là một xung nằm trong khoảng thời gian [-Ts/2, Ts/2] của khoảng thời
2

gian Ts theo cách mà g (t ) có dạng cosin nâng với hệ số rolloff  . Gọi G(f) là
xung trong miền tần số. Ta định nghĩa:
fk  k

1 
Ts

(1.8)

Và định nghĩa xung dịch trong miền thời gian:
g k (t )  e j 2 f k t g (t )

(1.9)

Viết trong miền tần số:
Gk ( f )  G ( f  f k )

Khoa Điện tử Viễn thông

(1.10)


24