ước lượng kênh trong ofdm của wimax

Đề Tài Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Nguyễn Duy Nhật Viễn SVTH: Lê Tiến Dũng Trang 1 Lớp: 03DT1 Các thuật ngữ viết tắt ADSL Asymmetric Digital Mạng số truy câp internet băng subcribe Line rộng. AM Amplified modulation Điều biên. AMC Adaptive modulation Mã hóa và điều chế thích nghi. and coding BPSK Binary PSK Điều chế pha 2 mức. BS Base station Trạm cơ sở. CDMA Code division Đa truy cập phân chia Multiplex access theo mã. CTC Convolution turbo code Mã xoắn turbo. DAB Digital Audio Broadcasting Hệ thống phát thanh số và truyền số liệu tốc độ cao. DEMUX Bộ tách kênh. DSP Digital signal processing Bộ xử lý số. DVB_T Digital video broadcasting Hệ thống truyền hình số mặt đất. for terrestrial transmission mode FDD Frequency division duplex Song công theo tần số. FFT Fast fourier transformer Chuyển đổi fourier nhanh. FM Frequency modulation Điều tần. FUSC Fully used sub-carrier Sóng mang con sử dụng Hoàn toàn. HARQ Hybrid automatic Kĩ thuật sửa lỗi bằng dò lặp. repeat request ICI Inter-carrier interference Nhiễu giữa các sóng mang. Đề Tài Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Nguyễn Duy Nhật Viễn SVTH: Lê Tiến Dũng Trang 2 Lớp: 03DT1 IFFT Inverse FFT Chuyển đổi fourier nhanh ngược. ISI Inter-symbol interference Nhiễu giữa các biểu tượng. LOS Line of sight Tầm nhìn thẳng. LS Least square MAC Media access control MAI multiplex access interference Nhiễu đa truy cập. MIMO Multiple input multiple Hệ thống đa anten phát Output và thu. MMSE Minimum square error MUX Multiplexer Bộ ghép kênh. NLOS Noneline of sight Không phải tầm nhìn thẳng. OFDM Orthogonal frequency Ghép kênh phân chia division mutiplex theo tần số trực giao. OFDMA Orthogonal frequency Đa truy cập phân chia division multiplex access theo tần số trực giao. PSK Phase shift keying Điều pha. QAM Quadrature Amplitude Điều chế biên độ cầu phương. Modulaion QPSK Quadrature PSK Điều chế cầu phương PSK. PUSC patially used sub-carrier Sóng mang con sử dụng Một phần. SER Symbol error rate Tỷ lệ lỗi biểu tượng. SNR Signal noise to ratio Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm. Đề Tài Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Nguyễn Duy Nhật Viễn SVTH: Lê Tiến Dũng Trang 3 Lớp: 03DT1 SOFDMA Scalable OFDMA SS Subcribe station Trạm người dùng. TDD Time division duplex Song công theo thời gian. WIMAX Worldwide interoperability Khả năng kết nối không for microwave access dây trên diện rộng với truy viba. VLAN Virtual local area netword Mạng LAN ảo. Đề Tài Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Nguyễn Duy Nhật Viễn SVTH: Lê Tiến Dũng Trang 4 Lớp: 03DT1 ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRONG HỆ THỐNG OFDM CỦA WIMAX Mục lục CHƯƠNG 1 Tổng quan về hệ thống WiMAX 1.1 Giới thiệu chương 1 1.2 Giới thiệu hệ thống WiMAX 1 1.2.1 WIMAX là gi? 1 1.2.2 Lịch sử ra đời 1 1.2.3 Đặc điểm của WIMAX 2 1.3 Các chuẩn WIMAX 3 1.3.1 Chuẩn cơ bản 802.16 3 1.3.2 Các chuẩn bổ sung của WIMAX 3 1.4 Các công nghệ sử dụng trong WIMAX 4 1.4.1 Điều chế thứ tự cao hơn 4 1.4.2 Công nghệ OFDM 5 1.4.3 Công nghệ OFDMA 7 1.5 Ứng dụng của WIMAX 9 1.6 Kết luận chương 13 CHƯƠNG 2 Kĩ thuật OFDM và OFDMA trong WIMAX 2.1 Giới thiệu chương 14 2.2 Công nghệ OFDM 14 2.2.1 Cơ sở của OFDM 14 2.2.1.1 Cơ sở trực giao 15 2.2.1.2 Tiền tố vòng CP 19 2.2.1.3 biểu tượng Pilot 21 2.3 Kĩ thuật OFDMA trong WIMAX 21 2.3.1 Cấu trúc biểu tượng OFDMA và kênh con hoá 21 2.3.2 Scalable OFDMA 24 2.3.3 Cấu trúc khung TDD 25 2.4 kết luận chương 27 CHƯƠNG 3 Ước lượng kênh trong hệ thống OFDM 3.1 Giới thiệu chương 28 3.2 Mô tả hệ thống 29 3.3 Các kĩ thuật ước lượng kênh 32 3.3.1 Ước lượng MMSE 33 3.3.2 Ước lượng LS 34 3.4 Giảm kích thước FFT với ước lượng MMSE và LS 36 3.4.1 Mục đích của phương pháp 36 3.4.2 Giảm kích thước FFT với ước lượng MMSE 36 3.4.3 Giảm kích thước FFT với ước lượng LS 37 3.3 Kết luận chương 38 CHƯƠNG 4 Mô phỏng ước lượng kênh 4.1 Giới thiệu chương 39 4.2 Mô phỏng SER dựa trên MMSE và LS 39 4.3 Mô phỏng so sánh ước lượng MMSE và LS 40 4.3.1 Ưu điểm của MMSE 41 4.3.2 Nhược điểm của MMSE 41 4.4 Mô phỏng giảm kích thước FFT với ước lượng MMSE 41 4.4.1 Ưu điểm của phương pháp 41 4.4.2 Nhược điểm của phương pháp 42 4.5 Mô phỏng giảm kích thước FFT với ước lượng LS 43 4.6 Kết luận chương 44 4.7 Hướng phát triển đề tài 44 Tài liệu tham khảo 45 Phần phụ lục 46 LỜI MỞ ĐẦU 1) Đặt vấn đề Công nghệ OFDM hiện nay đã tìm được sự ứng dụng rộng rãi trong các tiêu chuẩn viễn thông như hệ thống truyền hình số DVB-T, phát thanh số DAB, hay mạng truy nhập Internet băng thông rộng ADSL, …Hiện nay công nghệ này đang được ứng dụng trong hệ thống truy nhập Internet không dây băng rộng WIMAX theo các tiêu chuẩn IEEE 802.16 và trong hệ thống di động toàn cầu thế hệ thứ 4 cũng như nhiều hệ thống viễn thông khác. WIMAX là một công nghệ không dây băng thông rộng mang lại tốc độ kết nối nhiều Megabit và thông lượng cao cho phép truy cập một khối lượng lớn các dữ liệu như phim và các nội dung đa phương tiện, đồng thời có phạm vi phủ sóng rộng giúp mang lại khả năng truy cập tới các dữ liệu trong khoảng cách xa. Hiện nay nhiều hãng sản xuất các thiết bị điện tử như Laptop, điện thoại và các thiết bị văn phòng khác đã tích hợp các phần cứng cũng như các phần mềm ứng dụng của công nghệ WIMAX vào các sản phẩm của mình để đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao và phong phú của khách hàng. Các thiết bị WIMAX này đã được kiểm tra về khả năng tương thích với nhau sẽ giúp khách hàng dễ dàng hơn khi chuyển vùng từ hệ thống mạng này sang hệ thống mạng khác với các thiết bị Internet của mình, mang lại cho người sử dụng một trải nghiệm di động luôn được kết nối . Để tiếp cận và tìm hiểu về công nghệ WIMAX chúng ta hãy đi vào tìm hiểu cơ sở và các ứng dụng của kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM- Othogonal Frequency Division Multiplex ) trong hệ thống WIMAX mà điển hình là kĩ thuật ước lượng kênh truyền trong hệ thống OFDM của WIMAX. Vì còn nhiều hạn chế về khả năng lẫn kiến thức nên đề tài chỉ nghiên cứu các phương pháp ước lượng kênh trong hệ thống OFDM của WiMAX đề làm nền tảng cho các vấn đề chuyên sâu sau này. Rất mong được sự góp ý của thầy cô và bạn bè trong khoa Điện Tử Viễn Thông-Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng. 2) Kết cấu của đề tài Đề tài chia làm 4 chương, trong đó 2 chương đầu là những khái niệm lý thuyết cơ bản, chương 3 trình bày các phương pháp và những biểu thức tính toán của ước lượng kênh. Chương 4 là phần mô phỏng để làm rõ những biểu thức tính toán ở chương 3. Nội dung chính của từng chương như sau: Chương 1: Tổng Quan Về Hệ Thống WiMAX Trình bày những vấn đề liên quan đến mô hình của một hệ thống WiMAX cơ bản, những đặc điểm và các ứng dụng của nó đối với quá trình truyền tin trên lý thuyết và trên thực tế. Chương 2: Kĩ Thuật OFDM Và OFDMA Trong WiMAX Phần này giới thiệu về cơ sở, đặc điểm cơ bản của kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao và ứng dụng công nghệ OFDM trong WiMAX điển hình là kĩ thuật OFDMA. Chương 3: Kĩ Thuật Ước Lượng Kênh Trong Hệ Thống OFDM Mô tả các phương pháp ước lượng kênh và những biểu thức toán học của nó dựa trên đáp ứng xung của kênh. Chương 4: Mô Phỏng Ước Lượng Kênh Mô phỏng so sánh sự khác nhau giữa ước lượng MMSE và ước lượng LS. Đề xuất phương pháp giảm kích thước FFT trong ước lượng MMSE và LS. 3) Phương pháp nghiên cứu Đề tài làm rõ những khái niệm về ước lượng kênh trong OFDM, từ đó dựa vào những biểu thức tính toán, thực hiện mô phỏng so sánh sự khác nhau của ước lượng MMSE và LS. 4) Mục tiêu của đề tài Từ những kết quả mô phỏng đạt được, rút ra những nhận xét về những ưu điểm cũng như nhược điểm của 2 phương pháp và đề xuất phương pháp giảm kích thước FFT với 2 phương pháp ước lượng trên. Đề Tài Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Nguyễn Duy Nhật Viễn SVTH: Lê Tiến Dũng Trang 1 Lớp: 03DT1 CHƯƠNG 1 : Tổng Quan Về Hệ thống WIMAX 1.1 Giới thiệu chương Trước khi đi vào tìm hiểu các vấn đề về ước lượng kênh trong hệ thống OFDM của WiMAX, ta sẽ tìm hiểu hệ thống WiMAX là gì?, nó có những đặc điểm gì?, và nó có những ưu điểm nào trong các ứng dụng thực tế. 1.2 Giới thiệu hệ thống WIMAX : 1.2.1 WIMAX là gì ? WIMAX là từ viết tắt của Worldwide Interoperability For Microwave Access-khả năng kết nối không dây trên diện rộng với truy nhập vi ba. Nó cho phép truy nhập băng thông rộng vô tuyến đến đầu cuối (last mile) như một phương thức thay thế cho cáp là DSL. WIMAX cho phép kết nối băng rộng vô tuyến cố định, mang xách tay được, di động mà không cần thiết ở trong tầm nhìn thẳng (line of sight) trực tiếp đến một trạm. WIMAX có 2 phiên chính : WIMAX cố định (Fixed WIMAX) WIMAX di động(Mobile WIMAX) 1.2.2 Lịch sử ra đời : Chuẩn 802.16 được xây dựng từ viện kĩ thuật điện và điện tử từ năm 1999, nhưng tiêu chuẩn đầu tiên được đưa ra và được cả thế giới công nhận vào năm 2001. 2003 > 802.16a 2004 > 802.16d 2005 > 802.16e Chuẩn được thiết kế hỗ trợ cho cả phương thức song công theo thời gian (Time Division Duplex-TDD) và song công theo tần số (Frequency Division Duplex-FDD). TDD, tại đó đường lên và đường xuống dùng chung một kênh nhưng không truyền cùng một lúc. FDD, tại đó đường lên và đường xuống hoạt động trong những kênh riêng biệt. 1.2.3 Đặc điểm của WIMAX: WIMAX di đông cũng có các đặc điểm giống EV-DO hoặc HSxPA nhằm tăng tốc độ truyền thông (Data Rate). Những đặc điểm đó bao gồm: mã hoá và điều chế thích nghi (Adaptive Modulation and coding-AMC), kĩ thuật sửa lỗi bằng dò lặp (Hybrid Automatic Repeat Request-HARQ). Phân bố nhanh (Fast Scheduling) và chuyển giao mạng (Handover) nhanh và hiệu quả. Đề Tài Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Nguyễn Duy Nhật Viễn SVTH: Lê Tiến Dũng Trang 2 Lớp: 03DT1 Không giống như công nghệ 3G dựa trên CDMA được xây dựng nhằm vào dịch vụ thoại, WIMAX được thiết kế để đáp ứng dịch vụ truyền dữ liệu dung lượng lớn (trong đó có cả dịch vụ thoại VoIP). WIMAX sử dụng kĩ thuật trải phổ SOFDMA và hạ tần mạng xây dựng trên nền IP. WIMAX cung cấp khả năng kết nối Internet không dây nhanh hơn WIFI, tốc độ uplink và downlink cao hơn, sử dụng được nhiều ứng dụng hơn, và quan trọng là vùng phủ  ong rộng hơn và không bị ảnh hưởng bởi địa hình. WIMAX có thể thay đổi một cách tự động phương thức điều chế để có thể tăng vùng phủ  ong bằng cách giảm tốc độ truyền và ngược lại. Để tăng vùng phủ  ong, chuẩn WIMAX hoặc sử dụng mạng Mesh hoặc sử dụng anten thông minh hoặc MIMO. Dữ liệu truyền trong mạng WIMAX được phân chia thành 5 lớp dịch vụ với những ưu tiên khác nhau nhằm cung ứng QoS. Ngoài ra bảo mật cũng là một đặc điểm nổi trội của WIMAX so với WIFI. 1.3 Các chuẩn của WIMAX: 1.3.1 Chuẩn cơ bản 802.16 : Chuẩn 802.16 được tạo ra với mục đích là tạo ra những giao diện (Interface) không dây dựa trên một giao thức MAC (Media Access Control) chung. Kiến trúc mạng cơ bản của 802.16 bao gồm một trạm phát BS (Base Station) và người sử dụng ( SS-Subcribe Station ). Trong một vùng phủ  ong, trạm BS sẽ điều khiển toàn bộ sự truyền dữ liệu (Traffic). Điều đó có nghĩa là sẽ không có sự trao đổi truyền thông giữa 2 SS với nhau. Nối kết giữa BS và SS sẽ gồm một kênh Downlink và Uplink. Kênh Uplink sẽ chia sẽ cho nhiều SS trong khi kênh Downlink có đặc điểm Broadcast. Trong trường hợp không có vật cản giữa BS và SS ( Line of sight ), thông tin sẽ được trao đổi trên băng tần cao. Ngược lại, thông tin sẽ được trao đổi ở băng tần thấp để chống lại nhiễu. 1.3.2 Các chuẩn bổ sung (Amendments) của WIMAX :  Chuẩn 802.16a: Chuẩn này sử dụng băng tần có bản quyền từ 2-11 Ghz. Đây là băng tần thu hút được nhiều quan tâm nhất vì tín hiệu truyền có thể vượt được các chướng ngại trên đường truyền. 802.16a còn thích ứng cho việc triển khai mạng Mesh mà trong đó một thiết bị cuối (Terminal) có thể liên lạc với BS thông qua một thiết bị cuối khác. Với đặc tính này, vùng phủ  ong của 802.16a BS sẽ được nới rộng.  Chuẩn 802.16b: Chuẩn này hoạt động trên băng tần 5-6Ghz với mục đích cung ứng dịch vụ với chất lượng cao (QoS). Cụ thể chuẩn ưu tiên truyền thông tin [...]... được khả năng của WIMAX có thể đáp ứng nhu cầu của mọi người như thế nào, ta có thể xem xét một số mô hình ứng dụng của WIMAX trong mạng nội bộ cũng như ở các dịch vụ công cộng 1.6 Kết luận chương Có thể nói WIMAX là chuẩn sẽ được mọi người mong đợi nhất vì tính ưu việt của nó trong thiết kế cũng như trong ứng dụng Hệ thống của WIMAX được tích hợp rất nhiều công nghệ nhanh và hiệu quả WIMAX sử dụng... thống WIMAX Để tìm hiểu điều này, ta sẽ tìm hiểu cấu trúc của một hệ thống OFDM cơ bản, phương thức điều chế thu-phát tín hiệu và các ứng dụng thực tế của nó trong hệ thống WIMAX (hệ thống OFDMA) 2.2 Công nghệ điều chế OFDM: 2.2.1 Cơ sở của OFDM: Cơ sở ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM- Orthogonal Frequency Division Multiplex) nó chia nhỏ băng thông thành các tần số ong mang con Trong. .. ngẫu nhiên mà ở đó các ong mang con của một kênh con nhất định trong một cell nhất định khác với các ong mang con tại cùng một kênh con đó trong một cell khác (VD : ong mang con trong kênh con 1 của cell 1 sẽ hoàn toàn khác với ong mang con của kênh con 1 trong cell 2) Sự hoán đổi giả ngẫu nhiên này có ảnh hưởng tương đối đến nhiễu Điều này làm giảm tác động đối nghịch của hiện tượng nhiễu giữa các cell... Viễn OFDMA là một nguyên lý đa truy nhập-ghép kênh cung cấp khả năng ghép kênh các luồng dữ liệu từ nhiều người ong trên các kênh con hướng xuống và đa truy nhập hướng lên nhờ các kênh con hướng lên 2.2.1.3 biểu tượng pilot: Các biểu tượng Pilot đóng vài trò quan trọng trong việc cân bằng và ước lượng kênh Trong quá trình truyền tín hiệu, máy thu và máy phát cần phải báo cho nhau về tình trạng của kênh. .. về tham số của bộ giải điều chế được sử dụng cho gói tin đã nhận được … thông tin này có thể lấy trong bản ong sysbol OFDM nhờ các ong mang Pilot 2.3 Kĩ thuật OFDMA trong WIMAX: 2.3.1 Cấu trúc biểu tượng OFDMA và kênh con hoá: Cấu trúc biểu tượng OFDMA gồm 3 loại ong mang con như hình 2.6:  ong mang con dữ liệu (Dat) cho truyền dữ liệu  ong mang con dẫn đường (Pilot) cho mục đích ước lượng và đồng... thời của lưu lượng, các nguồn tài nguyên có sẵn và các yêu cầu QoS có được Lưu lượng vượt mức trong một cell làm tăng lượng nhiễu tới các cell lân cận do đó làm giảm khả năng phủ ong của các cell Điều khiển chấp nhận được sử dụng nhằm chấp nhận hoặc từ chối các yêu cầu kết nối để duy trì sự nhận dữ liệu của cell trong lượng giới hạn được chấp nhận Chức năng điều khiển chấp nhận có tại trạm gốc WIMAX. .. giảm Kết quả là beamforming đem lại khả năng mở rộng hơn, thông lượng cao hơn và tăng khả năng phủ ong trong nhà (indoor) Với số lượng trạm gốc ít hơn để đạt được một dung lượng cụ thể trong một hệ thống, beam-forming là công nghệ anten thông minh thứ 3 được hợp nhất trong thông số kĩ thuật của WIMAX để tăng dung lượng hệ thống và tính năng trong các mạng di động băng thông rộng 1.4.1.7 Sử dụng lại tần... thuật OFDM và OFDMA nhằm tận dụng tối đa băng thông tiết kiệm được nguồn tài nguyên về tần số, đồng thời nâng cao tốc độ của đường truyền đáp ứng được các nhu cầu của các dịch vụ đòi hỏi các ứng dụng thời gian thực SVTH: Lê Tiến Dũng Lớp: 03DT1 Trang 18 Đề Tài Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Nguyễn Duy Nhật Viễn CHƯƠNG 2 : Kĩ thuật OFDM và OFDMA trong WIMAX 2.1 Giới thiệu chương WIMAX sử dụng kĩ thuật điều chế OFDM. .. có một SS trong mạng thì WIMAX Base Station (BStrạm cơ sở) sẽ giao tiếp với SS bằng Point-to-Point  Bảo mật cao : WIMAX hỗ trợ AES (Advanced Encryption Standard) và 3DES (Triple Data Encryption Standard) Đường truyền giữa SS và BS được mã hoá hoàn toàn, đảm bảo độ tin cậy của dịch vụ Ngoài ra WIMAX hỗ trợ VLAN, đảm bảo tín riêng tư dữ liệu của mỗi người dùng trong cùng BS  WIMAX QoS : WIMAX có thể... như một kênh con (sub-channel), và mỗi thuê bao được chỉ định một hoặc nhiều kênh con để truyền phát dựa trên mỗi yêu cầu cụ thể và lưu lượng của mỗi thuê bao SVTH: Lê Tiến Dũng Lớp: 03DT1 Trang 6 Đề Tài Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Nguyễn Duy Nhật Viễn Hình 1.6 : Công nghệ OFDM và OFDMA OFDMA có một số ưu điểm như khả năng linh hoạt tăng, thông lượng và tính ổn định được cải tiến Bằng việc ấn định các kênh . là kĩ thuật OFDMA. Chương 3: Kĩ Thuật Ước Lượng Kênh Trong Hệ Thống OFDM Mô tả các phương pháp ước lượng kênh và những biểu thức toán học của nó dựa trên đáp ứng xung của kênh. Chương. thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM- Othogonal Frequency Division Multiplex ) trong hệ thống WIMAX mà điển hình là kĩ thuật ước lượng kênh truyền trong hệ thống OFDM của WIMAX. . kênh 32 3.3.1 Ước lượng MMSE 33 3.3.2 Ước lượng LS 34 3.4 Giảm kích thước FFT với ước lượng MMSE và LS 36 3.4.1 Mục đích của phương pháp 36 3.4.2 Giảm kích thước FFT với ước lượng MMSE 36