đồ án :FPGA và ứng dụng trong WiMAX

đồ án :FPGA và ứng dụng trong WiMAX.Với mục đích nghiên cứu tính khả thi của FPGA cho WiMAX nên bố cục của đồ án gồm ba chương cụ thể như sau:Chương 1: Tổng quan về FPGA.Chương này trình bày tổng quan về FPGA, các công cụ và các đề án liên quan đến FPGA, Xilinx FPGA - một công ty dẫn đầu trong thị trường FPGA với các sản phẩm của hãng.Chương 2: Các đặc trưng của WiMAXTrình bày tóm tắt các hoạt động của nhóm IEEE 802.16 và sự liên quan của nó tới WiMAX, những nét đặc trưng nổi bật của WiMax và trình bày ngắn gọn những nét đặc trưng của lớp vật lý và lớp MAC của WiMax. Trên phương diện của dịch vụ cũng như chất lượng của dịch vụ, bảo mật và tính di động, sẽ được bàn thảo và một kiến trúc mạng liên quan sẽ được giới thiệu.Chương 3: Ứng dụng của FPGA trong WiMAXTrình bày nền tảng phần cứng cho WiMAX với các thách thức khi thực thi hệ tthống WiMAX, trên cơ sở đó miêu tả cách thực thi hệ thống dựa trên FPGA. Chương này cũng giới thiệu về bộ mã hoá LDPC đựa trên FPGA của Xilinx.Được sự quan tâm giúp đỡ chỉ bảo tận tình trong nghiên cứu và cung cấp tài liệu của thầy giáo KS. Nguyễn Viết Đảm và ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo trong bộ môn vô tuyến cùng với sự cố gắng, nỗ lực của bản thân đồ án được hoàn thành với nội dung được giao ở mức độ và phạm vi nhất định. Tuy nhiên do trình độ và thời gian có hạn, đồ án chắc chắn không tránh khỏi những sai sót, kính mong các thầy cô giáo và các bạn sinh viên chỉ bảo đóng góp ý kiến chỉnh sửa và định hướng nội dung cho hướng phát triển tiếp theo.Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo KS. Nguyễn Viết Đảm đã tận tình giúp đỡ trong thời gian học tập và làm đồ án tốt nghiệp.

Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục MỤC LỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT iii DANH MỤC HÌNH VẼ vii DANH MỤC BẢNG BIỂU viii LỜI NÓI ĐẦU 1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ FPGA 3 1.1. Mở đầu 3 1.2 Tổng quan về FPGA 3 1.3 Xilinx FPGAs 5 1.3.1 Virtex-II CLB 6 1.3.2 Virtex-II IOB 8 1.3.3 Virtex-II Clock Tiles 8 1.4. Một số công trình, dự án liên quan đến FPGA 9 1.4.1 VTsim 9 1.4.2 JHDL 11 1.4.3 JBits 12 1.4.4 ADB 14 1.4.5 JHDLBits 15 1.5 Những cải tiến JHDLBits và JBits 16 1.6 Kết luận 18 CHƯƠNG II. CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA WiMAX 19 2.1 Mở đầu 19 2.2 WiMax và nền tảng IEEE 802.16 19 2.3 Những nét đặc trưng nổi bật của WiMax 24 2.4 Lớp vật lý WiMax 27 2.4.1 Cơ sở OFDM 27 2.4.2 Những lợi thế và bất lợi của OFDM 28 2.4.3 Các tham số OFDM trong WiMax 29 2.4.4 Kênh con hoá: OFDMA 31 2.4.5 Cấu trúc khung và khe 32 2.4.6 Mã hoá và điều chế thích ứng trong WiMax 35 2.4.7 Tốc độ dữ liệu lớp vật lý 35 2.5 Tổng quan lớp MAC 36 2.5.1 Các kỹ thuật truy nhập kênh 37 2.5.2 Chất lượng dịch vụ 38 2.5.3 Tính năng tiết kiệm công suất 41 2.5.4 Hỗ trợ tính di động 42 2.5.5 Các chức năng bảo mật 43 2.5.6 Các dịch vụ quảng bá và multicast 44 2.6 Đặc tính tiên tiến để nâng cao hiệu năng 45 2.6.1 Các hệ thống ăng-ten tiên tiến 45 2.6.2 Hybrid-ARQ 46 2.6.3 Tăng tái sử dụng tần số 47 2.7 Kiến trúc mạng tham chiếu 47 2.8 Mô tả hiệu năng 50 2.8.1 Hiệu quả phổ và thông lượng 50 2.8.2 Năng lượng dự trữ kết nối mẫu và vùng phủ sóng 52 Hoàng Tiến Dũng_Lớp D04 VT2 i Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục 2.9 Kết luận 52 CHƯƠNG III. ỨNG DỤNG CỦA FPGA TRONG WiMAX 54 3.1. Mở đầu 54 3.2. Nền tảng về phần cứng cho WiMAX 54 3.2.1. Thách thức khi thực hiện: 54 3.2.2. FPGA-Giải pháp đúng đắn 55 3.3. Thiết kế hệ thống WiMAX dựa trên FPGA 56 3.3.1. Tốc độ xử lí 57 3.3.2. Tính linh hoạt 58 3.3.3. Thời gian đưa ra thị trường 59 3.3.4. Thiết kế tham khảo và khối thông minh ở lớp vật lý của WiMAX 59 3.3.5. Công cụ và phần mềm phát triển 63 3.3.6. Đường lối giảm chi phí 65 3.4. Bộ mã hóa LDPC dựa trên FPGA 66 3.4.1. Giới thiệu 66 3.4.2. Đặc điểm 66 3.4.3. Tổng quan về chức năng 67 3.4.4. Sơ đồ chân (Pinout) 70 3.4.5. Tham số chạy thực 74 3.4.6. Tham số bộ tạo CORE 75 3.4.7. Sự tích hợp hệ thống 77 3.5. Kết luận 79 KẾT LUẬN 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO 82 Hoàng Tiến Dũng_Lớp D04 VT2 ii Đồ án tốt nghiệp Đại học Thuật ngữ viết tắt THUẬT NGỮ VIẾT TẮT A AAS Advanced Antenna Systems Các hệ thống anten cải tiến ACK Acknowledgment Nhận biết ADB Alternate wire DataBase Cơ sở dữ liệu dây thay thế AES Advanced Encryption Standard Tiêu chuẩn mã hoá tiên tiến AMC Adaptive Modulation and Coding Mã hoá và điều chế thích ứng API Application Programming Interface Giao diện lập trình ứng dụng ARQ Automatic Retransmission Requests Các yêu cầu tái truyền dẫn tự động ASIC Application Specific Integrated Circuit Vi mạch tích hợp ứng dụng ASN Access Service Network Mạng dịch vụ truy nhập ASN-GW Access Service Network Gateway Cổng mạng dịch vụ truy nhập ASP Application Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ ứng dụng ATM Asynchronous Transfer Mode Phương thức truyền thông không đồng bộ B BLER Block Error Rate Tỷ lệ lỗi khối BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế pha nhị phân BSC Base Station Controllers Các bộ điều khiển trạm gốc BST Base Station Transceivers Các bộ thu phát trạm gốc C CID Connection Identifier Nhận dạng kết nối CLB Configurable Logic Block Khối logic cho phép đặt cấu hình CQICH Channel Quality Indicator Channel Kênh chỉ thị chất lượng kênh CRC Cyclic Redundancy Check Kiểm độ dư vòng D DCI Digitally Controlled Impedance Trở kháng điều khiển kỹ thuật số DCM Digital Clock Manager Bộ quản lý clock kỹ thuật số DDR Dual Data Rate Công nghệ lưu dữ liệu kép DHCP Dynamic Host Control Protocol Giao thức điều khiển máy chủ động DOCSIS Data Over Cable Service Interface Specifications Các đặc trưng giao diện dịch vụ dữ liệu qua cáp DSL Digital Subscriber Line Đường dây thuê bao số Hoàng Tiến Dũng_Lớp D04 VT2 iii Đồ án tốt nghiệp Đại học Thuật ngữ viết tắt DVB-H Digital Video Broadcast-Handheld Quảng bá video số cầm tay E EAP Extensible Authentication Protocol Giao thức nhận thực mở rộng ERT-VR Extended Real-Time Variable Rate Mở rộng dịch vụ thay đổi thời gian thực F FBSS Fast Base Station Switching Chuyển mạch trạm gốc nhanh FCH Frame Control Header Mào đầu điều khiển khung FDD Frequency Division Duplexing Song công phân chia theo tần số FEC Forward Error Correction Hiệu chỉnh lỗi phía trước FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh FIPS Federal Information Processing Standard Tiêu chuẩn xử lý thông tin liên bang FPGA Field Programmable Gate Array Vi mạch mảng phần tử logic khả trình G GMH Generic MAC Header Tiêu đề MAC chung GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói chung GUI Graphical User Interface Giao diện đồ hoạ người dùng H HHO Hard Handover Chuyển giao cứng I IDFT Inverse Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc ngược IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers Học viện các kỹ sư và điện tử IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh ngược IMS IP Multimedia Subsystem Hệ thống con đa phương tiện IP IOB Input/Output Block Khối vào ra ISI Intersymbol Interference Nhiễu giữa các ký hiệu L LDPC Low-Density Parity Check Kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp LE Logical Element Phần tử Logic LUT Look Up Table Bảng dò tìm LOS Line of Sight Tầm nhìn thẳng Hoàng Tiến Dũng_Lớp D04 VT2 iv Đồ án tốt nghiệp Đại học Thuật ngữ viết tắt M MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập trung gian MBS Multicast and Broadcast Services Các dịch vụ Broadcast và Multicast MDHO Macro Diversity Handover Chuyển giao phân tập Macro MPDU MAC Protocol Data Units Các đơn vị dữ liệu giao thức MAC MSDU MAC Service Data Units Các đơn vị dữ liệu dịch vụ MAC N NAP Network Access Provider Nhà cung cấp truy nhập mạng NLOS Non Line of Sight Không tầm nhìn thẳng nrtPS Non real time Polling Service Dịch vụ thăm dò không thời gian thực NSP Network Serivices Provider Nhà cung cấp các dịch vụ mạng NWG Network Working Group Nhóm khai thác mạng O OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao P PLD Programmable Logic Device Thiết bị logic khả trình PSTN Public Switch Telephone Network Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng PUSC Partial Usage of Subcarriers Các sóng mang con sử dụng một phần Q QAM Quandrature Amlitude Modulation Điều chế biên độ trực giao QPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều chế khoá pha trực giao R RAM Random Access Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên RF Radio Frequency Tần số vô tuyến ROM Read Only Memory Bộ nhớ chỉ đọc rtPS Real-time Polling Services Các dịch vụ thăm dò thời gian thực S SB Switching Block Khối chuyển mạch SEU Single Event Upset Nhiễu biến cố đơn Hoàng Tiến Dũng_Lớp D04 VT2 v Đồ án tốt nghiệp Đại học Thuật ngữ viết tắt SINR Signal to Interference plus Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu và tạp âm SFID Service Flow Identifier Nhận dạng lưu lượng tràn SGSN Serving GPRS Support Node Nút hỗ trợ GPRS phục vụ SLA Service Level Agreement Thoả thuận mức phục vụ T TDD Time Division Duplexing Song công phân chia theo thời gian TDM Time Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo thời gian TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian U UGS Unsolicited Grant Services Các dịch vụ hỗ trợ tự nguyện W WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access Khả năng khai thác liên mạng trên toàn cầu đối với truy nhập viba WMAN Wireless Metropolitan Area Networking Mạng khu vực trung tâm không dây X XHWIF The Xilinx HardWare InterFace Giao diện phần cứng Xilinx Hoàng Tiến Dũng_Lớp D04 VT2 vi Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hoàng Tiến Dũng_Lớp D04 VT2 vii Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục bảng biểu DANH MỤC BẢNG BIỂU Hoàng Tiến Dũng_Lớp D04 VT2 viii Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời nói đầu LỜI NÓI ĐẦU Có thể nói rằng WiMAX là hệ thống vô tuyến được tích hợp và hội tụ nhiều công nghệ tiên tiến, tinh tuý vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu, thử nghiệm. Tuy nhiên sự thành công của hệ thống này có được phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố. Trong đó nhân tố có tính chất quyết định là vấn đề công nghệ thực hiện nghĩa là khả năng tích hợp, hội tụ nhiều giải thuật phức tạp trên một thiết bị vi mạch nhưng vẫn phải đảm bảo thời gian xử lý đáp ứng được tính thời gian thực của các loại hình dịch vụ. FPGAs xuất hiện lần đầu tiên vào giữa những năm 1980 nhằm mục đích thay thế cho các mạch logic đa chip bằng giải pháp tự tái cấu hình đơn. FPGAs đã có những phát triển mạnh, vượt lên trên vai trò thay thế cho vi mạch logic đa chip. Linh kiện FPGA cho phép cấu hình lại để thay đổi chức năng logic trong khi vẫn đang nằm trong hệ thống. Khả năng này cho phép nhà thiết kế có thể thoải mái phát triển, dễ dàng thay đổi chức năng phần cứng giống như đang thực hiện trên phần mềm.Thậm chí FPGA còn có thể tự động cấu hình để thực hiện các chức năng khác nhau trong những khoảng thời gian khác nhau. Sửdụng FPGA làm cho quá trình thiết kế và kiểm tra phần cứng cũng như khả năng nhanh chóng tung sản phẩm ra thị trường được dễ dàng hơn. Ngoài ra, linh kiện FPGA còn cho phép khả năng chế tạo các bảng mạch mẫu cũng như các giải pháp giá rẻ. Vì vậy, FPGA là một giải pháp hợp lý để tích hợp, hội tụ nhiều giải thuật phức tạp trên một thiết bị vi mạch nhưng vẫn phải đảm bảo thời gian xử lý đáp ứng được tính thời gian thực của các loại hình dịch vụ. Nhận thức được ý nghĩa của công nghệ về việc triển khai hệ thống thông tin thế hệ mới mà cụ thể là WiMAX, đặc biệt dưới sự định hướng của thầy giáo KS. Nguyễn Viết Đảm em đã lựa chọn đề tại nghiên cứu của mình là: “FPGA và ứng dụng trong WiMAX” Với mục đích nghiên cứu tính khả thi của FPGA cho WiMAX nên bố cục của đồ án gồm ba chương cụ thể như sau: Chương 1: Tổng quan về FPGA. Chương này trình bày tổng quan về FPGA, các công cụ và các đề án liên quan đến FPGA, Xilinx FPGA - một công ty dẫn đầu trong thị trường FPGA với các sản phẩm của hãng. Chương 2: Các đặc trưng của WiMAX Hoàng Tiến Dũng_Lớp D04 VT2 1 Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời nói đầu Trình bày tóm tắt các hoạt động của nhóm IEEE 802.16 và sự liên quan của nó tới WiMAX, những nét đặc trưng nổi bật của WiMax và trình bày ngắn gọn những nét đặc trưng của lớp vật lý và lớp MAC của WiMax. Trên phương diện của dịch vụ cũng như chất lượng của dịch vụ, bảo mật và tính di động, sẽ được bàn thảo và một kiến trúc mạng liên quan sẽ được giới thiệu. Chương 3: Ứng dụng của FPGA trong WiMAX Trình bày nền tảng phần cứng cho WiMAX với các thách thức khi thực thi hệ tthống WiMAX, trên cơ sở đó miêu tả cách thực thi hệ thống dựa trên FPGA. Chương này cũng giới thiệu về bộ mã hoá LDPC đựa trên FPGA của Xilinx. Được sự quan tâm giúp đỡ chỉ bảo tận tình trong nghiên cứu và cung cấp tài liệu của thầy giáo KS. Nguyễn Viết Đảm và ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo trong bộ môn vô tuyến cùng với sự cố gắng, nỗ lực của bản thân đồ án được hoàn thành với nội dung được giao ở mức độ và phạm vi nhất định. Tuy nhiên do trình độ và thời gian có hạn, đồ án chắc chắn không tránh khỏi những sai sót, kính mong các thầy cô giáo và các bạn sinh viên chỉ bảo đóng góp ý kiến chỉnh sửa và định hướng nội dung cho hướng phát triển tiếp theo. Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo KS. Nguyễn Viết Đảm đã tận tình giúp đỡ trong thời gian học tập và làm đồ án tốt nghiệp. Hà Nội, ngày… tháng… năm 2008 Người làm đồ án SV. Hoàng Tiến Dũng Hoàng Tiến Dũng_Lớp D04 VT2 2 [...]... khác nhau Mã hóa và điều chế thích ứng (AMC): WiMax hỗ trợ một số lượng các lưu đồ mã hoá hiệu chỉnh lỗi trước và điều chế và cho phép lưu đồ được thay đổi trên một người sử dụng và trên khung cơ bản, dựa trên các điều kiện kênh AMC là một kỹ thuật hiệu quả để cực đại thông lượng trong kênh đổi tần Giải thuật thích ứng điển hình gọi cho việc sử dụng lưu đồ mã hoá và điều chế thích ứng mà có thể được... của tế bào và xác định kiến trúc của tế bào Các dây trợ giúp cho một API trong việc tạo và thao tác: Người sử dụng có thể tạo ra các dây đơn hoặc đa “bit”, móc nối hoặc tách các dây từ các dây hiện có Bộ mô phỏng JHDL có khả năng chạy trong cả chế độ phần cứng và mô phỏng Trong chế độ mô phỏng, mọi giá trị của mạch được tính toán sơ bộ và là thiết bị và độc lập với cấu trúc Trong chế độ phần cứng, bộ... cũng đặt WiMax trên một đường cong giá cả/triển khai theo luật Moore, vì thế việc cung cấp vốn lớn hơn và vận hành hiệu quả hơn IP còn cho phép tích hợp dễ dàng hơn với các triển khai ứng dụng nhóm ba, hội tụ với các mạng khác và các ứng dụng dễ hơn Hoàng Tiến Dũng_Lớp D04 VT2 20 Đồ án tốt nghiệp Đại học WiMAX Chương II- Các đặc trưng của Tóm lại, WiMax chiếm một phần mặt bằng giữa công nghệ WiFi và công... học WiMAX Chương II- Các đặc trưng của Cổng kép 64 x 1 bit 1.3.2 Virtex-II IOB Khối vào/ra (IOBs) là các tile trong FPGAs, tạo điểm truy cập đến và đi khỏi kết cấu bên trong của FPGA IOBs được đặt xung quanh đường bao của kết cấu FPGAs, xem Hình 1.3, IOBs thường được sử dụng để nối các clock bên ngoài, tuyến dữ liệu vào/ra, và là bộ dò test trong các ứng dụng sửa lỗi (debugging purpose) Mỗi IOB bên trong. .. Hình 1 3: Sơ đồ tile Virtex-II FPGA Virtex-II FPGA đã dành bộ nhân 18 bit x 18 bit, bộ cộng chuỗi bộ cộng nhớ nhanh và số lượng lên tới 93.184 thanh ghi bên trong Các thiết bị Virtex-II được phân Hoàng Tiến Dũng_Lớp D04 VT2 5 Đồ án tốt nghiệp Đại học WiMAX Chương II- Các đặc trưng của vào một ma trận tile đối xứng như đã mô tả trong phần trên Sáu loại tile chính trong Virtex-I là: Khối vào/ra (IOBs),... hơn và hoàn thành năm 2004, được gọi là IEEE 802.16-2004, thay thế tất cả các phiên bản trước đó và xác định nền tảng cho giải pháp WiMax đầu tiên Các giải pháp này dựa trên chuẩn IEEE 802.16-2004 nhằm hướng tới Hoàng Tiến Dũng_Lớp D04 VT2 19 Đồ án tốt nghiệp Đại học WiMAX Chương II- Các đặc trưng của các ứng dụng cố định, vì thế chúng mang tên WiMax cố định Tháng 12/2005, nhóm IEEE hoàn thành và phê... nhau: • Set và reset không đồng bộ (preset và clear/đặt trước và xoá) • Reset không đồng bộ (xoá) • Set không đồng bộ (đặt trước) • Reset đồng bộ • Set đồng bộ • Không set hoặc reset Bảng 1 1 Kích cỡ và Loại SelectRAM Loại SelectRAM Cỡ RAM Đơn cổng x 8 bit Đơn cổng 32 x 4 bit Đơn cổng 64 x 2 bit Đơn cổng 128 x 1 bit Cổng kép 16 x 4 bit Cổng kép Hoàng Tiến Dũng_Lớp D04 VT2 16 32 x 2 bit 7 Đồ án tốt nghiệp... IEEE 802.16 liên quan tới sự chứng nhận WiMax hiện tại và tương lai Chú ý rằng các tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004 và IEEE 802.16e-2005 đặc tả chỉ giới hạn trong điều khiển và xung quanh mặt bằng dữ liệu của giao diện không Hoàng Tiến Dũng_Lớp D04 VT2 22 Đồ án tốt nghiệp Đại học WiMAX Chương II- Các đặc trưng của gian, còn một vài diện mạo của quản lý mạng được định nghĩa trong IEEE 802.16g Để hoàn thành... vấn đề đa đường và cho phép WiMax hoạt động trong các điều kiện NLOS Các tốc độ dữ liệu đỉnh rất cao: WiMax có dung lượng hỗ trợ các tốc độ dữ liệu đỉnh rất cao Trên thực tế, tốc độ dữ liệu PHY đỉnh khoảng 74Mbps khi sử dụng dải Hoàng Tiến Dũng_Lớp D04 VT2 24 Đồ án tốt nghiệp Đại học WiMAX Chương II- Các đặc trưng của phổ rộng 20MHz Điển hình hơn, sử dụng một dải phổ 10MHz sử dụng lưu đồ TDD với tỷ lệ... hợp hai công nghệ khác nhau: Thiết bị logic khả trình (PLDs) và Vi mạch bán dẫn chuyên dụng (ASICs) Một bộ PLD đơn giản bao gồm một mảng các cổng AND và OR để tạo ra các mạch cơ bản ASICs là các loại chip do người dùng tạo ra, thường được sử dụng trong các ứng dụng lớn do chi phí kỹ Hoàng Tiến Dũng_Lớp D04 VT2 3 Đồ án tốt nghiệp Đại học WiMAX Chương II- Các đặc trưng của thuật không đệ quy (NREs) cao