nhiễu trong wimax và cách khắc phục

Đồ án tốt nghiệp MỤC LỤC - 1 - Đồ án tốt nghiệp CÁC TỪ VIẾT TẮT AMC Adaptive Modulation and Code ARQ Automatic Retransmission Request ATM Network Asynchronous Transfer Mode BPSK Binary Phase Shift Keying BS Base Station CI CRC Indicator CID Connection Identifier CPE Customer Premise Equipment CPS Common Part Sublayer CRC Cyclic Redundancy Checks CS Centralized Scheduling CSMA Carrier Sense Multiple Access DES Data Encryption Standard DHCP Dynamic Host Configuration Protocol DL-MAP Downlink Map DL-MAP Downlink Map DSL Digital Subscriber Line EC Encryption Control EKS Encryption Key Sequence FDD Frequency Division Multiplexing FEC Forward Error Correction FFT Fast Fourier Transformation GMH Generic Mac Header HCS Header Check Sequence HT Header Type IEEE Institute of Electrical anh Electronics Engineers ITU International Telecommunication Union IV Initialising Vectors LEN Length LOS Line Of Sight - 2 - Đồ án tốt nghiệp MAC Media Access Control MAC CPS Mac Common Part Sublayer MAC CS Mac Service Specific Convergence Sublayer MAC PDU MAC Protocol Data Unit MSDU Mac Service Data Unit NLOS Non Line Of Sight nrtPS Non Real Time Polling Service OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing PDA Persional Digital Assitant PDU Protocol Data Units PHY Physical Layer PMP Point MultiPoint PS PHY Slots 16QAM 16-State Quadrature Amplitude Modulation QoS Quality of Service QPSK Quadrature Phase Shift Keying SC Single Carrier SINR Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio SOFDMA Scalable Orthogonal Frequency Division Multiplexing SS Subscriber Station SSCS Service-Specific Convergence Sublayer TDD Time Division Duplexing TDMA Time Division Multiple Access UGS Unsolicited Grant Service UL-MAP Uplink Map VoIP Voice over IP Wi-Fi Wireless Fidelity WiLANs Wireless Local Area Networks WiMax Worldwide Interoperability for Microwave Access WirelessHUMAN Wireless HighSpeed Unlicensed Metropolitan Area Networks WISPs Wireless Internet Providers WMAN Wireless Metropolitan Area Network - 3 - Đồ án tốt nghiệp MỞ ĐẦU *** Ngày nay nhu cầu thông tin liên lạc của con người ngày càng cao, nhất là đối với các thiết bị không dây tốc độ cao, băng thông rộng như điện thoại không dây, internet không dây để mọi người có thể liên lạc với nhau ở mọi lúc, mọi nơi và quan trọng hơn là việc mở rộng dân trí cho người dân ở các vùng xa xôi hẻo lánh trên đất nước ta, nơi mà cơ sở hạ tầng viễn thông chưa đến được. Hiện nay đã có rất nhiều hệ thống mạng không dây ra đời như là WiFi, bluetooth và một trong số đó có thể đáp ứng được nhu cầu trên là WiMax. WiMAX chủ yếu cung cấp dịch vụ internet không dây với giá thành rẻ, tốc độ truyền cao kết nối đến các thiết bị đầu cuối trong một khoảng cách truyền lớn. Hiện nay, ở nước ta WiMAX đang được thử nghiệm ở tỉnh miền núi như: Lào Cai,Cao Bằng. Mặc dù có những khó khăn bước đầu, nhưng em tin với sự đầu tư đúng hướng của Đảng và nhà nước dành cho Wimax thì nó sẽ được phát triển ra toàn quốc. Tuy nhiên, việc triển khai hệ thống còn gặp nhiều khó khăn do những ảnh hưởng có tính truyền thống của mạng không dây. Vì vậy, em đã chọn đề tài “Nghiên cứu tổng quan về WiMAX, nhiễu và ảnh hưởng của nhiễu trong WiMAX”. Trong đề tài này, em đi sâu tìm hiểu những kỹ thuật khắc phục nhiễu của WiMAX mà ở các thế hệ trước chưa có được, ảnh hưởng của kênh truyền đến chất lượng truyền tín hiệu. Với cỏ sở lý thuyết này, em đã mô phỏng trực quan chứng minh ảnh hưởng của nhiễu và biên pháp khắc phục bằng ngôn ngữ Matlab. Đồ án gồm có năm chương: Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật điều chế OFDM. Chương 2: Giới thiệu về WiMAX. - 4 - Đồ án tốt nghiệp Chương 3: Ảnh hưởng của nhiễu trong WiMAX và các biện pháp khắc phục. Chương 4: Ảnh hưởng của kênh vô tuyến đến truyền dẫn tín hiệu. Chương 5: Chương trình mô phỏng và hường phát triển đề tài. Để hoàn thành đồ án này em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của thầy Nguyễn Văn Tuấn và các thầy cô giáo trong Khoa Điện Tử-Viễn Thông ĐH Bách Khoa Đà Nẵng. Đà Nẵng, tháng 6 năm 2008 Sinh viên Phan Thị Minh Huyền - 5 - Đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM 1.1. Giới thiệu chương Wimax được phát triển dựa trên công nghệ OFDM. Vì thế trước khi đi vào Wimax, ta tìm hiểu về những nguyên lý cơ bản của kỹ thuật OFDM. Trong chương này giải thích một cách dễ hiểu nhất về sự trực giao sóng mang theo tần số, từ đó đưa ra những công thức tổng quát để mô tả kỹ thuật OFDM cũng như các sơ đồ điều chế của kỹ thuật này. 1.2. Nguyên lý cơ bản của OFDM[1] Ý tưởng OFDM là truyền dẫn song song (đồng thời) nhiều băng con chồng lấn nhau trên cùng một độ rộng băng tần cấp phát của hệ thống. Việc xếp chồng lấn các băng tần con trên toàn bộ băng tần được cấp phát dẫn đến không những đạt được hiệu quả sử dụng phổ tần cao mà còn có tác dụng phân tán lỗi cụm khi truyền qua kênh, nhờ tính phân tán lỗi mà khi được kết hợp với các kỹ thuật mã hoá kênh kiểm soát lỗi hiệu năng hệ thống được cải thiện đáng kể. So với hệ thống ghép kênh phân chia theo tần số FDM truyền thống thì, ở FDM cũng truyền theo cơ chế song song nhưng các băng con không những không được phép chồng lấn nhau mà còn phải dành khoảng băng tần bảo vệ (để giảm thiểu độ phức tạp bộ lọc thu) dẫn đến hiệu quả sử dụng phổ tần kém. Vậy làm thế nào tách các băng con từ băng tổng chồng lấn hay nói cách khác sau khi được tách ra chúng không giao thoa với nhau trong các miền tần số (ICI) và giao thoa nhau trong miền thời gian (ISI). Câu trả lời và cũng là vấn đề mấu chốt của truyền dẫn OFDM là nhờ tính trực giao của các sóng mang con. Vì vậy ta kết luận rằng nhờ đảm bảo được tính trực giao của các sóng mang con cho phép truyền dẫn đồng thời nhiều băng tần con chồng lấn nhưng phía thu vẫn tách chúng ra được, đặc biệt là tính khả thi và kinh tế cao do sử dụng xử lý tín hiệu số và tần dụng tối đa ưu việt của VLSI. Theo đó trước hết ta định nghĩa tính trực giao, sau đó ta áp dụng tính trực giao này vào hệ thống truyền dẫn OFDM hay nói cách khác sử dụng tính trực giao vào quá trình tạo và - 9 - Đồ án tốt nghiệp thu tín hiệu OFDM cũng như các điều kiện cần thiết để đảm bảo tính trực giao. 1.3. Đa sóng mang (Multicarrier) Nếu truyền tín hiệu không phải bằng một sóng mang mà bằng nhiều sóng mang, mỗi sóng mang tải một phần dữ liệu có ích và được trải đều trên cả băng thông thì khi chịu ảnh hưởng xấu sẽ chỉ có một phần dữ liệu có ích bị mất, dựa trên cơ sở dữ liệu của các sóng mang khác có thể khôi phục lại dữ liệu có ích. HDo vậy, khi dùng nhiều sóng mang có tốc độ bit thấp, nhiều dữ liệu gốc sẽ được thu chính xác. Để hồi phục dữ liệu đã mất, người ta dùng phương pháp sửa lỗi FEC-Forward Error Correction. Ở máy thu mỗi sóng mang được tách ra khi dùng các bộ lọc thông thường và giải điều chế. Tuy nhiên để không có can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) cần phải có khoảng bảo vệ khi hiệu quả phổ kém. - 10 - i b 1 cos(2 )f t π 2 cos(2 )f t π cos(2 ) N f t π ( )s t S/ S/ S/ P P P ∑ cos(2Π f 2 t) cos(2Π f N t) S / P cos(2Π f 1 t) b i S(t) Hình 1.2. Sự tạo ra tín hiệu OFDM Hình 1.1. Sự trực giao của các sóng mang Đồ án tốt nghiệp Giải pháp khắc phục việc hiệu quả phổ kém khi có khoảng bảo vệ (GUARD PERIOD) là giảm khoảng cách các sóng mang và cho phép phổ của các sóng mang cạnh nhau trùng lắp nhau. Sự trùng lắp này là được phép nếu khoảng cách giữa các sóng mang được chọn chính xác. Khoảng cách này được chọn ứng với trường hợp các sóng mang trực giao với nhau. Đó là phương pháp ghép kênh theo tần số trực giao (OFDM). Cho tới nay dựa trên những thành tựu của công nghệ mạch tích hợp phương pháp này đã được thực hiện một cách dễ dàng. 1.4. Sự trực giao (Orthogonal) ORTHOGONAL chỉ ra rằng có một mối quan hệ toán học chính xác giữa các tần số của các sóng mang trong hệ thống OFDM. Về mặt toán học, trực giao có nghĩa là các sóng mang được lấy ra từ nhóm trực chuẩn (Orthonomal basis) {{Фi(t)/i= 0,1…} có tính chất sau: Trong toán học, số hạng trực giao có được từ việc nghiên cứu các vectơ. Theo định nghĩa, hai vectơ được gọi là trực giao với nhau khi chúng vuông góc với nhau(tạo nhau một góc vuông 90) và tích của 2 vectơ là bằng 0. Điểm chính ở đây là ý tưởng nhân hai hàm số với nhau, tổng hợp các tích và nhận được kết quả là 0. - 11 - Hình 1.3. FDM thông thường và OFDM (1.1) Đồ án tốt nghiệp . Điều này gọi là tính trực giao của dạng sóng sin. Nó cho thấy rằng miễn là hai dạng sóng sin không có cùng tần số, thì tích phân của chúng sẽ bằng không. Thông tin này là điểm mấu chốt để hiểu quá trình điều chế OFDM. Hình 1.4. Tích của hai vectơ trực giao bằng 0 Nếu chúng ta nhân và cộng(tích phân) hai dạng sóng sin có tần số khác nhau. Ta nhận thấy quá trình này cũng bằng 0. Vậy hai sóng sin khác tần số thì tích phân của chúng sẽ bằng không và ngược lại. Điều này gọi là tính trực giao của dạng sóng sin. Hình 1.5 và 1.6 . - 12 - Hình 1.5.Tích phân của hai sóng sin khác tần số Đồ án tốt nghiệp Việc giải điều chế chặt chẽ được thực hiện kế tiếp trong miền tần số (digital domain) bằng cách nhân một sóng mang được tạo ra trong máy thu đơn với một sóng mang nhận được trong máy thu có cùng chính xác tần số và pha. Sau đó phép tích phân được thực hiện, tất cả các sóng mang sẽ về không ngoại trừ sóng mang được nhân, nó được dịch lên trục x, được tách ra, hiệu quả và giá trị symbol của nó khi đó đã được xác định. Toàn bộ quá trình này được lặp lại khá nhanh chóng cho mỗi sóng mang, đến khi tất cả các sóng mang đã được giải điều chế. 1.4.1. Mô tả toán học của OFDM Trong toán học, mỗi sóng mang được mô tả như một sóng phức: S c (t) = A c (t)e j[ωct + Фc(t)] (1.2) Tín hiệu thực là phần thực của Sc(t). Cả Ac(t) và Фc(t) (biên độ và pha tương ứng của sóng mang) có thể thay đổi trên mỗi symbol bởi symbol cơ bản. Phương pháp điều chế OFDM sử dụng rất nhiều sóng mang, vì vậy tín hiệu phức Sc(t) được thể hiện bởi công thức : S s (t) = ∑ − = 1 0 1 N n N A n (t)e j[ωnt + Фn(t)] (1.3) Trong đó : ω n = ω o +nΔω - 13 - Hình 1.6. Tích phân của hai sóng sin cùng tần số [...]... Khái niệm về WiMax[ 2] WiMax là một mạng không dây băng thông rộng viết tắt là Worldwide Interoperability for Microwave Access WiMax được thiết kế dựa vào tiêu chuẩn IEEE 802.16 WiMax đã giải quyết tốt nhất những vấn đề khó khăn trong việc quản lý đầu cuối WiMax sử dụng kỹ thuật sóng vô tuyến để kết nối các máy tính trong mạng Internet thay vì dùng dây để kết nối như DSL hay cáp, modem Trong Wimax, người... không gây can nhiễu - 22 - Đồ án tốt nghiệp Tài liệu tham khảo CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ WIMAX 2.1 Giới thiệu chương Chương này giới thiệu về WiMax, lịch sử phát triển của chuẩn IEEE 802.16, cấu trúc và các thông số kỹ thuật của chuẩn 802.16 OFDM, 802.16-2004 OFDMA , 802.16e cũng như tìm hiểu một cách khái quát về lớp MAC và lớp PHY Qua đó, giúp người đọc hiểu được những ưu điểm và nhược điểm của Wimax so... phát và thu làm tăng tần số, và khi tăng khoảng cách sẽ làm giảm tần số Với hệ thống OFDM, độ dịch Doppler gây ra sự thay đổi vị trí sóng mang, có nghĩa là sóng mang sẽ dịch chuyển xuống tần số thấp hơn khi khoảng cách giữa nơi phát và thu tăng và ngược lại Hình vẽ dưới đây chỉ rõ tín hiệu không có fading(1) và tín hiệu chịu ảnh hưởng của fadinh(2) Độ dịch tần Δf cho xe cộ di chuyển với vận tốc v và. .. nghiệp Tài liệu tham khảo và DL MAP chứa thông tin về nội dung khung (vị trí và kiểu điều chế của mỗi burst) và được điều chế - BPSK (hình 2.4) 2.5 Chuẩn 802.16-2004 OFDMA 2.5.1 Giới thiệu chung OFDMA mở rộng chức năng của OFDM bằng cách thêm vào đặc điểm đa truy cập trong miền tần số Điều này có nghĩa là băng thông được chia thành các khe cho người sử dụng trong miền thời gian và miền tần số Hình 2.4... preamble là ô bắt đầu của mỗi khung downlink Nó bao gồm các sóng mang điều chế-BPSK và có độ dài 1 symbol OFDMA Preamble được sửdụng vào hai mục đích: - Bố trí tuần tự pilot vào trong ô preamble để làm cho nó dễ dàng hơn cho máy thu trong việc đánh giá lỗi tần số và pha và để đồng bộ với máy phát Chúng được sử dụng để đánh giá và cân bằng kênh - Số sóng mang preamble sử dụng để chỉ ra 3 segment được sử dụng... ISI Để khắc phục ISI thì khoảng bảo vệ phải dài hơn sự mở rộng độ trễ của kênh vô tuyến - 19 - Đồ án tốt nghiệp Hình 1.11 Chức năng của khoảng bảo vệ chống lại ISI 1.10 Độ dịch Doppler Do khoảng cách giữa nơi phát và thu có sự thay đổi nên tạo ra độ dịch Doppler (vì khoảng cách giữa nơi phát và thu thay đổi theo thời gian) Độ dịch Doppler gây ra sự thay đổi tần số của tín hiệu Khi giảm khoảng cách giữa... liệu số được truyền trong kết nối OFDM bằng cách dùng sơ đồ điều chế trên mỗi tải phụ Sơ đồ điều chế là sự ánh xạ các dữ liệu vào chòm sao thực(đồng pha) và phức (vuông pha), được biết như chòm sao IQ(inphase Quadrature) Số bit có thể được truyền khi dùng một symbol tương ứng với log 2(M) với M là số các điểm trong chòm sao Mỗi từ dữ liệu được ánh xạ vào một vị trí IQ duy nhất trong chòm sao Vectơ... bị giảm đi 3( số 0 ,2, và 4) cho size FFT 128 và 512 - Nội dung FCH được thu ngắn lại đối với size FFT 128 - Hệ số lấy mẫu 86/75,144/125, 316/275 và 57/50 đã thay bởi 28/25 2.7 Lớp MAC và lớp PHY trong WIMAX 2.7.1 Giới thiệu chung Hình 2.7 Khối giao thức Mô hình của chuẩn IEEE 802.16 có 3 phần : khối người dùng (user), khối điều khiển (control), khối quản lý (managerment) như trong hình 2.7 Tiêu chuẩn... QoS, giá thành và những vấn đề khác nữa… gặp rất nhiều khó khăn Nhưng đối với WiMax thì những vấn đề trên trở nên khá đơn giản, nó đáp ứng được nhu cầu internet không dây do chính WISPs (Wireless Internet Providers) cung cấp với giá - 24 - Đồ án tốt nghiệp Tài liệu tham khảo thành rẻ và tốc độ truyền cao khi kết nối đến thiết bị đầu cuối trong một khoảng cách truyền lớn Về tiêu chuẩn, WiMax là một bộ... IEEE nhưng hẹp hơn và tập trung vào một số cấu hình nhất định Hiện có 2 chuẩn của WiMax là 802.16-2004, 802.16-2005 - Chuẩn 802.16-2004 (trước đó là 802.16 REVd) được IEEE đưa ra tháng 7 năm 2004 Tiêu chuẩn này sử dụng phương thức điều chế OFDM và có thể cung cấp các dịch vụ cố định, nomadic (người sử dụng có thể di chuyển nhưng cố định trong lúc kết nối) theo tầm nhìn thẳng (LOS) và không theo tầm . chọn đề tài “Nghiên cứu tổng quan về WiMAX, nhiễu và ảnh hưởng của nhiễu trong WiMAX . Trong đề tài này, em đi sâu tìm hiểu những kỹ thuật khắc phục nhiễu của WiMAX mà ở các thế hệ trước chưa có. Chương 3: Ảnh hưởng của nhiễu trong WiMAX và các biện pháp khắc phục. Chương 4: Ảnh hưởng của kênh vô tuyến đến truyền dẫn tín hiệu. Chương 5: Chương trình mô phỏng và hường phát triển đề tài. Để. như tìm hiểu một cách khái quát về lớp MAC và lớp PHY. Qua đó, giúp người đọc hiểu được những ưu điểm và nhược điểm của Wimax so với các thế hệ trước. 2.2. Khái niệm về WiMax[ 2] WiMax là một mạng