KỸ THUẬT ĐIỀU CHE OFDM

LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp này, trước tiên em xin chân thành cảm ơn Th ĐẶNG NGỌC MINH ĐỨC trực tiếp hướng dẫn, cung cấp tài liệu tạo điều kiện để em hoàn thành luận văn tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giảng viên dạy dỗ, bảo truyền đạt cho em kiến thức suốt năm học qua Cám ơn Khoa Điện –Điện Tử -Đại học TÔN ĐỨC THẮNG tạo môi trường tốt cho em học tập nghiên cứu Trong trình nghiên cứu thực luận văn tốt nghiệp,em cố gắng nhiều, nhiên có thiếu xót khơng tránh khỏi Em mong bảo, góp ý thầy cô giáo bạn sinh viên để luận văn hoàn thành tốt Em xin chân thành cảm ơn   Cải thiện chất lượng hệ thống OFDM Th.s:Đặng Ngọc Minh Đức Mục Lục CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI CHƯƠNG KỸ THUÂT ĐIỀU CHẾ OFDM 11 2.1 GIỚI THIỆU VỀ OFDM : 11 2.1.1 Mã hóa 16 2.1.2 Giải mã 16 2.1.3 Điều chế 16 2.1.4 Biến đổi S/P, P/S 17 2.1.5 IFFT/FFT 17 2.1.6 Khoảng bảo vệ-tiền tố vòng CP (Cycle Prefix) 18 2.2 CƠ CHẾ GIẢM NHIỄU ĐA ĐƯỜNG : 18 2.3 TỶ SỐ CƠNG SUẤT ĐỈNH TRUNG BÌNH PAPR (Peak to Average Ratio) 22 2.3.1 Định nghĩa: 22 2.3.2 Phương pháp giảm PAR 24 2.4 CÁC ƯU – KHUYẾT ĐIỂM CỦA ĐIỀU CHẾ OFDM : 25 2.4.1 Các ưu điểm kỹ thuật OFDM 25 2.4.2 Nhược điểm 26 CHƯƠNG CÁC ĐẶC TÍNH CỦA KÊNH TRUYỀN VƠ TUYẾN 26 3.1 Giới thiệu chương 26 3.2 Đặc tính kênh truyền vơ tuyến hệ thống OFDM 27 3.2.1 Sự suy giảm tín hiệu (Attenuation) 27 3.2.2 Hiệu ứng đa đường 27 3.2.3 Dịch Doppler 32 3.2.4 Nhiễu AWGN 33 SVTH:    ‐ 1 ‐  Cải thiện chất lượng hệ thống OFDM Th.s:Đặng Ngọc Minh Đức 3.2.5 Nhiễu liên ký tự ISI 34 3.2.6 Nhiễu liên sóng mang ICI 34 3.2.7 Tiền tố lặp CP 34 3.3 Khoảng bảo vệ 36 3.4 Kết luận chương 38 CHƯƠNG KỸ THUẬT SHORTENING IMPULSE RESPONE 39 4.1 TỔNG QUAN VỀ SHORTENING IMPULSE RESPONSE : 39 4.2 OPTIMAL SHORTENING (MSSNR): 40 4.3 LS SHORTENING, MÔ HÌNH TWO-CHANNELAUTOREGRESSIVE 45 4.3.1 LS SHORTENING 45 4.3.2 MƠ HÌNH TWO-CHANNELAUTOREGRESSIVE 46 4.4 PHƯƠNG PHÁP MMSE VÀ HIỆU CHỈNH MMSE (REDUCED MMSE) 48 CHƯƠNG MÔ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT 53 5.1 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT : 53 5.1.1 Khả thu ngắn đáp ứng xung SIRF : 53 5.1.2 Mô SIRF với nhiều giá trị khác TIR (Target Impulse Respnise) 54 5.1.3 So sánh kết SIRF dùng giải thuật khác 76 5.1.4 So sánh kết với giá trị CIR khác 78 5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI : 84 PHỤ LỤC 86 PHÂN TÍCH L.U VÀ PHÂN TÍCH CHOLESKY 86 THUẬT TOÁN HERMITIAN : 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO 88   SVTH:    ‐ 2 ‐  Cải thiện chất lượng hệ thống OFDM SVTH:  Th.s:Đặng Ngọc Minh Đức   ‐ 3 ‐  Cải thiện chất lượng hệ thống OFDM Th.s:Đặng Ngọc Minh Đức Bảng Hình Hình 1: So sánh kỹ thuật: (a) đa sóng mang FDM (b) OFDM   12  Hình 2: Mơ hình ghép kênh OFDM   13  Hình 3: Sóng truyền kỹ thuật OFDM   14  Hình 4: Quang phổ song truyền kỹ thuật OFDM  . 14  Hình 5: Sơ đồ khối thu phát hệ thống OFDM dựa phép biến đổi Fourier  . 15  Hình 6: Thêm CP vào kí hiệu   18  Hình 7: Đa đường dẫn điều kiện kết nối NOLS (anten thu cố định)  19  Hình 8: Đa đường dẫn điều kiện kết nối NOLS (anten thu di động)   19  Hình 9: Cấu trúc Symbol OFDM, ISI khoảng bảo vệ   20  Hình 10: Thêm CP vào ký hiệu OFDM   22  Hình 11: Một số khơng gian tín hiệu   23  Hình 12: Tỷ số cơng suất đỉnh – trung bình PAPR   24  Hình 13: Ảnh hưởng môi trường vô tuyến   27  Hình 14: Tín hiệu đa đường   28  Hình 15 : Fading Rayleigh thiết bị di động di chuyển (ở tần số 900MHz)   29  Hình 16: Trải trễ đa đường   31  Hình 17: Tín hiệu trễ cuối cùng   35  Hình 18: OFDM có khoảng bảo vệ khơng có khoảng bảo vệ.   38  Hình 19: Sơ đồ khối thu phát đơn giản WiMAX với SIRF   39  Hình 20: Thu ngắn đáp ứng xung khoảng bảo vệ CP   40  Hình 21: LS Shortening  . 45  Hình 22: Cấu trúc cân MMSE   49      SVTH:    ‐ 4 ‐  Cải thiện chất lượng hệ thống OFDM Th.s:Đặng Ngọc Minh Đức Bảng Biểu Bảng 1: Sự phân bố lũy tích phân bố Rayleigh   29  Bảng 2: Các giá trị trải trễ thông dụng   32  SVTH:    ‐ 5 ‐  Cải thiện chất lượng hệ thống OFDM Th.s:Đặng Ngọc Minh Đức CÁC TỪ VIẾT TẮT AAS Advanced Antenna Systems - Các hệ thống anten thích nghi AES Advanced Encryption Standard - Chuẩn mã hóa nâng cao AK Authentication Key - Khóa chứng thực ARQ Automatic Repeat reQuest - Tự động lặp lại yêu cầu ATM Asynchronous Transfer Mode AWGN Additive White Gaussian Noise - Nhiễu Gaussian trắng cộng BE Best Effort BER Bit Error Rate - Tỉ lệ lỗi bit BPSK Binary Phase Shift Keying - điều chế pha nhị phân BS Base Station - Trạm gốc CDMA Code Division Multiple Access - Đa truy cập phân chia theo mã CID Connection Identifier - Định danh kết nối CP Cyclic Prefix - Tiền tố vòng CPE Customer Premise Equipment CRC Cyclic Redundancy Check - Kiểm tra lỗi dư vòng DFS Dynamic Frequency Selection – Lựa chọn tần số động FDD Frequency Division Duplex - Ghép kênh phân chia theo tần số FFT Fast Fourier Transform - Chuyển đổi Fourier nhanh GSM Global System for Mobile communications - Hệ thống thông tin di động SVTH:    ‐ 6 ‐  Cải thiện chất lượng hệ thống OFDM Th.s:Đặng Ngọc Minh Đức toàn cầu ICI InterChannel Interference - Nhiễu xuyên kênh IDFT Inverse Discrete Fourier Transform - Biến đổi Fourirer rời rạc ngược IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers - Học Viện Kỹ Sư Điện Điện Tử IFFT Inverse Fast Fourier Transform - Biến đổi Fourier ngược nhanh ISI Inter-Symbol Interference - Nhiễu xuyên ký tự IP Internet Protocol-Giao thức mạng KEK Key Encryption Key LOS Line Of Sight - Tầm nhìn thẳng MAC Media Access Control - Điều khiển truy nhập môi trường MAN Metropolitan Area Network – Mạng đô thị MIMO Multiple Input Multiple Output - Nhiều đầu vào, nhiều đầu MISO Multiple Input Single Output - Nhiều đầu vào, đầu r MS Mobile Station - Trạm di động NLOS Non–Line-Of-Sight - Khơng tầm nhìn thẳng nrtPS non–real-time Polling Service OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing - Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access - Đa truy cập ghép kênh chia tần số trực giao SVTH:    ‐ 7 ‐  Cải thiện chất lượng hệ thống OFDM Th.s:Đặng Ngọc Minh Đức PDU Packet Data Unit - Đơn vị gói liệu PKM Privacy and Key Management - Quản lý riêng tư khóa QAM Quadrature Amplitude Modulation - Điều chế biên độ trực giao QoS Quality of Service - Chất lượng dịch vụ QPSK Quadature Phase Shift Keying - điều chế pha trực giao RF Radio Frequency - Tần số vô tuyến rtPS real-time Polling Service SA Security Association – Tập hợp bảo mật SDU Service Data Unit - Đơn vị liệu dịch vụ SLA Service-Level Agreement - Thỏa thuận mức dịch vụ SNR Signal-to-Noise Ratio – Tỉ lệ tín hiệu nhiễu SS` Subscriber Station - Trạm thuê bao TDMA Time Division Multiplexing Access – Đa truy cập phân chia theo thời gian UDP User Datagram Protocol UGS Unsolicited Grant Services UMTS Universal Mobile Telephone System VOIP Voice Over Internet Protocol-Truyền thoại qua IP WiFi Wireless Fidelity WiMAX Worldwide interoperability for Microwave Access WLAN SVTH:  Wireless Local Area Network – Mạng cục không dây   ‐ 8 ‐  Cải thiện chất lượng hệ thống OFDM Th.s:Đặng Ngọc Minh Đức CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI Lời nói đầu Việc nghiên cứu kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) biết đến từ năm 70 kỷ trước, với ưu điểm như: cho phép truyền liệu tốc độ cao truyền song song với tốc độ thấp băng hẹp, khả cho hiệu suất phổ cao, khả chống lại fading chọn lọc tần số, đơn giản hiệu điều chế giải điều chế tín hiệu nhờ sử dụng thuật tốn IFFT, FFT Chính thế, OFDM ngày phát triển dịch vụ viễn thông tốc độ cao Internet không dây, thông tin di động 4G, mạng LAN không dây, chọn làm chuẩn cho hệ thống phát số Do OFDM trở thành công nghệ chấp nhận cách rộng rãi chuẩn truyền thông không dây di động sử dụng nhiều tương lai Nhưng thuận lợi việc sử dụng OFDM khả vươn xa tính phổ biến hệ thống OFDM Hiện nay, OFDM OFDMA nghiên cứu ứng dụng triển vọng công nghệ truy cập băng rộng không dây (Wimax) Tuy nhiên, để áp dụng kỹ thuật cần phải giải vấn đề tồn hệ thống Nội dung đồ án bao gồm chương: Chương 2: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ OFDM Giới thiệu tổng quan hệ thống OFDM đề cập đến ưu điểm nhược điểm kỹ thuật OFDM Chương 3: CÁC ĐẶC TÍNH VỀ KÊNH TRUYỀN VƠ TUYẾN Giới thiệu đặc điểm kênh truyền đa đường, fading lựa chọn tần số, dịch Doppler, nhiễu AWGN Các đặc tính ảnh hưởng lên tín hiệu gây nhiễu ISI ICI hệ thống OFDM Chương 4: TÌM HIỂU KỸ THUẬT SHORTENING IMPULSE RESPONE Tìm hiểu phương pháp Optimal Shortening, phương pháp LS Shortening phương pháp MMSI SVTH:    ‐ 9 ‐  Cải thiện chất lượng hệ thống OFDM Th.s:Đặng Ngọc Minh Đức Hình 5.5: Đáp ứng xung thu ngắn dùng giải thuật Optimal Shortening Hình 5.6: Đáp ứng xung thu ngắn dùng giải thuật Two-channel AR SVTH:    ‐ 77 ‐  Cải thiện chất lượng hệ thống OFDM Th.s:Đặng Ngọc Minh Đức Hình 5.7: Đáp ứng xung thu ngắn dùng giải thuật MMSE Nhận xét: Cả ba giải thuật cho giá trị SSNR tốt Trong Optimal Shortening cho kết tốt nhất, giống với lý thuyết đề cập Cịn Twochannel AR MMSE có hiệu suất nén thấp hơn, giá trị đủ lớn để loại bỏ phần lớn ISI/ICI Nhưng ưu điểm lớn giải thuật tránh tính tốn phức tạp dễ ứng dụng thực tế 5.1.4 So sánh kết với giá trị CIR khác Thực mô ba phương pháp với giá trị đáp ứng xung kênh truyền ban đầu có tăng độ phức tạp khác giá trị TIR length = 64 để thấy khả đáp ứng xung thu ngắn phương pháp, ta có kết sau: SVTH:    ‐ 78 ‐  Cải thiện chất lượng hệ thống OFDM Th.s:Đặng Ngọc Minh Đức 5.1.4.1 Giải thuật Optimal Shortening Hình 5.8: Đáp ứng xung thu ngắn dùng giải thuật Optimal Shortening với CIR1 SVTH:    ‐ 79 ‐  Cải thiện chất lượng hệ thống OFDM Th.s:Đặng Ngọc Minh Đức Hình 5.9: Đáp ứng xung thu ngắn dùng giải thuật Optimal Shortening với CIR2 SVTH:    ‐ 80 ‐  Cải thiện chất lượng hệ thống OFDM Th.s:Đặng Ngọc Minh Đức Hình 5.10: Đáp ứng xung thu ngắn dùng giải thuật Optimal Shortening với CIR3 Nhận xét: Khả đáp ứng xung thu ngắn giải thuật Optimal Shortening tốt đáp ứng xung kênh truyền ban đầu có tăng độ phức tạp CIR2 CIR3 SVTH:    ‐ 81 ‐  Cải thiện chất lượng hệ thống OFDM Th.s:Đặng Ngọc Minh Đức 5.1.4.2 Giải thuật Two – channel AR Hình 5.11: Đáp ứng xung thu ngắn dùng giải thuật Two-channel AR với CIR1 SVTH:    ‐ 82 ‐  Cải thiện chất lượng hệ thống OFDM Th.s:Đặng Ngọc Minh Đức Hình 5.12: Đáp ứng xung thu ngắn dùng giải thuật Two-channel AR với CIR2 Hình 5.13: Đáp ứng xung thu ngắn dùng giải thuật Two-channel AR với CIR3 Nhận xét: Khả đáp ứng xung thu ngắn giải thuật Two-channel AR tốt đáp ứng xung kênh truyền ban đầu có tăng độ phức tạp CIR2 CIR3 Tuy nhiên giá trị CIR3, ta thấy đáp ứng xung thu ngắn bắt đầu có thay đổi bám theo biên độ 5.1.4.3 Giải thuật MMSE Hình 5.14: Đáp ứng xung thu ngắn dùng giải thuật MMSE với CIR1 SVTH:    ‐ 83 ‐  Cải thiện chất lượng hệ thống OFDM Th.s:Đặng Ngọc Minh Đức Hình 5.16: Đáp ứng xung thu ngắn dùng giải thuật MMSE với CIR3 Nhận xét: Khả đáp ứng xung thu ngắn giải thuật MMSE tốt với đáp ứng xung kênh truyền ban đầu CIR1 CIR2 Tuy nhiên giá trị CIR3, tăng độ phức tạp đáp ứng xung kênh truyền, ta thấy đáp ứng xung thu ngắn không cịn mong muốn Giá trị thu ngắn khơng yêu cầu 5.1.4.4 Nhận xét chung: Trong ba phương pháp trên, ta thấy giải thuật Optimal Shortening có khả thích nghi tốt đáp ứng xung kênh truyền có độ phức tạp khác Các đáp ứng xung thu ngắn trường hợp tốt Kế đến giải thuật Two-channel AR Cuối cùng, giải thuật MMSE có đáp ứng xung thu ngắn khơng đạt yêu cầu mong muốn đáp ứng xung kênh truyền có độ phức tạp cao 5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI : Từ mô nhận xét nghiên cứu này, kết nghiên cứu SVTH:    ‐ 84 ‐  Cải thiện chất lượng hệ thống OFDM Th.s:Đặng Ngọc Minh Đức tiếp tục cách nghiên cứu ảnh hưởng nhiễu tác động đến đường truyền môi trương thực tế phần mềm MATLAB Từ đó, cho kết chuẩn xác áp dụng chúng vào môi trường thực SVTH:    ‐ 85 ‐  Cải thiện chất lượng hệ thống OFDM Th.s:Đặng Ngọc Minh Đức PHỤ LỤC PHÂN TÍCH L.U VÀ PHÂN TÍCH CHOLESKY Trong phép phân tích LU, ma trận A phân tích: A = L.U Với L ma trận tam giác dưới, với phần tử nằm đường chéo 1, U ma trận tam giác Phép phân tích LU thực trụ (các phần tử a11, a22, a33, ) khác khơng Nó phần tử đường chéo ma trận L Với phân tích LU việc giải hệ phương trình: A.X = b Trở thành giải hai hệ phương trình: Ly = b Và UX = Y Thuật giải phép phân tích LU thường dùng Crout Trong trường hợp ma trận A đối xứng, phép phân tích trở nên đơn giản nhiều, khơng địi hỏi phần tử đường chéo ma trận L Thay vào ta sử dụng điều kiện: U = LT A = L.LT Lúc L U có phần tử đường chéo giống nhau, phần tử thực hay phức: gọi phép phân tích Cholesky THUẬT TỐN HERMITIAN : Ma trận Hermitian (ma trận phức đối): Là ma trận vuông với phần tử đường chéo số thực cặp phần tử đối xứng qua đường chéo số phức liên hợp, nghĩa A = SVTH:    ‐ 86 ‐  Cải thiện chất lượng hệ thống OFDM Th.s:Đặng Ngọc Minh Đức VD : Ma trận Hermitian : Ma trận xiên - Hermitian (ma trận xiên - phức đối): Là ma trận vuông với phần tử đường chéo tồn ảo cịn cặp phần tử đối xứng qua đường chéo số phức, tức A = - SVTH:    ‐ 87 ‐  Cải thiện chất lượng hệ thống OFDM Th.s:Đặng Ngọc Minh Đức TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] ThS Nguyễn Quốc Khương, TS Nguyễn Văn Đức, ThS Nguyễn Trung Kiên, KS Nguyễn Thu Hà, WIMAX - CÔNG NGHỆ TRUY NHẬP MẠNG KHƠNG DÂY BĂNG RỘNG, TẠP CHÍ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG VNPT [2] NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÁC MÃ CI GIẢM PAPR VÀ NÂNG CAO DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG OFDM (PAPR IMPROVEMENT AND CAPACITY ENHANCEMENT OF OFDM SYSTEM USING CI CODES), TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008 [3] Carl R Nassar, B Natarajan, Z Wu; D Wiegandt, S A Zekavat; Colorado State University; 2002 Kluwer Academic Publishers; New York, Boston, Dordrecht, London, Moscow, MULTI-CARRIER TECHNOLOGIES FOR WIRELESS COMMUNICATION, pp 16-29 [4].Eric Phillip LAWREY BE (Hons) 2001, ADAPTIVE TECHNIQUES FOR MULTIUSER OFDM [5] Jeffrey G.Andrews, Ph.D, FUNDAMENTALS OF WIMAX UNDERSTANDING BROADBAND WIRELESS NETWORKING [6] K Fazel & S Kaiser, WILEY, MULTI-CARRIER AND SPREAD SYSTEMS, pp 34-55 [7] NAIHUA YUAN, AN EQUALIZATION TECHNIQUE FOR HIGH RATE OFDM SYSTEMS [8] Shinsuke Hara, Ramjee Prasad, MULTICARRIER TECHNIQUES FOR 4G MOBILE COMMUNICATIONS [9] Richarch K.Martin, Ming Ding, Brian L.Evans, C.Richard Johnson Jr, EFFICIENT CHANNEL SHORTENING EQUALIZER DESIGN [10] Wolfgang lesch (1998), IMPULSE RESPONSE SHORTENING FOR OFDM IN A SINGLE FREQUENCY NETWORK SVTH:    ‐ 88 ‐  Cải thiện chất lượng hệ thống OFDM SVTH:  Th.s:Đặng Ngọc Minh Đức   ‐ 89 ‐  NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN GVHD : Th ĐẶNG NGỌC MINH ĐỨC MSSV : Lớp : 06DD2D Đề tài : CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG OFDM Lời nhận xét giáo viên phản biện : ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ……………………………………… TP.HCM, ngày….tháng….năm 2010 Giáo viên phản biện     NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN GVHD : Th ĐẶNG NGỌC MINH ĐỨC MSSV : Lớp : 06DD2D Đề tài : CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG OFDM Lời nhận xét giáo viên hướng dẫn : ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ……………………………………… TP.HCM, ngày….tháng….năm 2010 Giáo viên hướng dẫn