ứng dụng kỹ thuật ofdm trong wimax 4g

Lời cam đoan LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của bất cứ đồ án hoặc công trình đã có từ trước. Mục lục MỤC LỤC Nội dung Trang MỤC LỤC CÁC HÌNH VẼ MỤC LỤC CÁC BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ WiMAX 1.1. Giới thiệu chương 1 1.2. Khái niệm 1 1.3. Các chuẩn của WiMAX 5 1.3.1. Chuẩn IEEE 802.16 – 2001 5 1.3.2. Chuẩn IEEE 802.16a 5 1.3.3. Chuẩn IEEE 802.16 – 2004 6 1.3.4. Chuẩn IEEE 802.16e 6 1.4. Phổ WiMAX 8 1.4.1. Băng tần đăng ký 8 1.4.2. Băng tần không đăng ký 5GHz 9 1.5. Truyền sóng 9 1.6. Ưu điểm và nhược điểm của WiMAX 12 1.7. Tình hình triển khai WiMAX 14 1.7.1. Tình hình triển khai WiMAX trên thế giới 14 1.7.2. Tình hình triển khai WiMAX thử nghiệm tại Việt Nam 14 1.8. Kết luận chương 15 Chương 2: CÁC KỸ THUẬT ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG WiMAX 2.1. Giới thiệu chương 16 2.2. Kỹ thuật OFDM 17 Mục lục 2.2.1. Khái niệm 17 2.2.2. Sơ đồ khối OFDM 18 2.2.3. Chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM 19 2.2.4. Nguyên tắc giải điều chế OFDM 21 2.2.5. Các ưu và nhược điểm của kĩ thuật OFDM 21 2.3. Kỹ thuật OFDMA 23 2.3.1. Khái niệm 23 2.3.2. Đặc điểm 23 2.3.3. OFDMA nhảy tần 24 2.3.4. Hệ thống OFDMA 26 2.4. Điều chế thích nghi 27 2.5. Công nghệ sửa lỗi 28 2.6. Điều khiển công suất 28 2.7. Các công nghệ anten tiên tiến 28 2.7.1. Phân tập thu và phát 29 2.7.2. Các hệ thống anten thích nghi 30 2.8. Kết luận chương 31 Chương 3: KIẾN TRÚC MẠNG TRUY CẬP WIMAX 3.1. Giới thiệu chương 32 3.2. Mô hình tham chiếu 32 3.3. Lớp điều khiển truy nhập môi trường (MAC) 34 3.3.1. Kết nối và địa chỉ 35 3.3.2. Lớp con hội tụ MAC 36 3.3.3. Lớp con phần chung MAC 37 3.3.4. Cơ chế yêu cầu và cấp phát băng thông 41 3.3.5. Cơ chế lập lịch dịch vụ và chất lượng dịch vụ (QoS) 43 3.3.6. Lớp con bảo mật 44 3.4. Lớp vật lý 44 Mục lục 3.5. Kết luận chương 46 Chương 4: KIẾN TRÚC BẢO MẬT CHUẨN IEEE 802.16 4.1. Giới thiệu chương 47 4.2. Kiến trúc bảo mật 47 4.2.1. Kết hợp bảo mật 49 4.2.2. Giao thức quản lí khóa PKM 49 4.3. Quy trình bảo mật 50 4.3.1. Xác thực 51 4.3.2. Trao đổi khóa dữ liệu 53 4.3.3. Mã hóa dữ liệu 54 4.4. Hạn chế của kiến trúc bảo mật IEEE 802.16 55 4.5. Kết luận chương 56 Chương 5: MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG HỆ THỐNG WiMAX 5.1. Giới thiệu chương 57 5.2. Môi trường mô phỏng 57 5.3. Mô phỏng 59 5.3.1. Giả thuyết 59 5.3.2. Kịch bản mô phỏng 60 5.4. Phân tích kết quả mô phỏng 61 5.4.1. Hoạt động 61 5.4.2. Tính lượng băng thông được sử dụng trên BS 63 5.5. Nhận xét 65 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 Mục lục PHỤ LỤC Phụ lục A: Giá trị trường Type trong thông báo quản trị lớp MAC Phụ lục B: Giao thức định tuyến DSDV Phụ lục C: Cài đặt NS-2 trên nền Windows 9x/2000/XP sử dụng Cygwin Mục lục các hình vẽ MỤC LỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1. Minh họa họat động WiMAX [10] 11 Hình 1.2. Truyền sóng trong trường hợp NLOS [10] 11 Hình 2.1. So sánh giữa FDM và OFDM 17 Hình 2.2. Sơ đồ khối hệ thống OFDM 18 Hình 2.3. Khái niệm về chuỗi bảo vệ 19 Hình 2.4. ISI và cyclic prefix 20 Hình 2.5. Tách chuỗi bảo vệ 21 Hình 2.6. ODFM và OFDMA 23 Hình 2.7. Ví dụ của biểu đồ tần số, thời gian với OFDMA 24 Hình 2.8. Biểu đồ tần số thời gian với 3 người dùng nhảy tần a, b, c đều có 1 bước nhảy với 4 khe thời gian 25 Hình 2.9. 6 mẫu nhảy tần trực giao với 6 tần số nhảy khác nhau 25 Hình 2.10. Tổng quan hệ thống sử dụng OFDMA 26 Hình 2.11. Mẫu tín hiệu dẫn đường trong OFDMA 27 Hình 2.12. Bán kính cell quan hệ với điều chế thích nghi 27 Hình 2.13. MISO 29 Hình 2.14. MIMO 30 Hình 2.15. Beam Shaping 30 Hình 2.16. AAS đường xuống 31 Hình 3.1. Mô hình tham chiếu. [5] 32 Hình 3.2. Chức năng các lớp trong mô hình phân lớp chuẩn IEEE 802.16 33 Hình 3.3. Luồng dữ liệu qua các lớp 33 Hình 3.4. Định dạng MAC PDU 37 Hình 3.5. Định dạng của tiêu đề MAC PDU chung 38 Hình 3.6. Định dạng tiêu đề yêu cầu dải thông 40 Hình 4.1. Mô hình kiến trúc bảo mật chuẩn IEEE 802.16 [7] 48 Mục lục các hình vẽ Hình 4.2. Quy trình bảo mật 50 Hình 4.3. Quá trình xác thực SS với BS 51 Hình 4.4. Quá trình trao đổi khóa dữ liệu 53 Hình 4.5. Định dạng payload trước và sau khi mã hóa 55 Hình 5.1. Module WiMAX trong kiến trúc NS-2 [13] 58 Hình 5.2. Kiến trúc mạng mô phỏng 60 Hình 5.3. Các SS gửi yêu cầu ranging 61 Hình 5.4. BS gửi đáp ứng ranging 62 Hình 5.5. SS_2 gửi yêu cầu băng thông 62 Hình 5.6. SS_2 gửi dữ liệu (rtPS) cho BS 63 Hình 5.7. Đồ thị băng thông được sử dụng trên các kênh truyền 63 Hình 5.8. Thông tin trong file ~.tr được import vào excel 64 Mục lục các các bảng MỤC LỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1. Tóm tắt các đặc trưng cơ bản các chuẩn WiMAX [6] 8 Bảng 3.1. Các trường tiêu đề MAC chung 39 Bảng 3.2. Các trường tiêu đề MAC yêu cầu dải thông 40 Bảng 3.3. Đặc tả vật lý chuẩn IEEE 802.16 45 Các từ viết tắt 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 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 của các Kỹ Sư Điện và Điện Tử IFFT Inverse Fast Fourier Transform - Biến đổi Fourier ngược nhanh ISI Inter-Symbol Interference - Nhiễu xuyên ký tự 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 ra MISO Multiple Input Single Output - Nhiều đầu vào, một đầu ra MS Mobile Station - Trạm di động NLOS Non–Line-Of-Sight - Không tầm nhìn thẳng nrtPS non–real-time Polling Service OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing - Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao Các từ viết tắt OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access - Đa truy cập ghép kênh chia tần số trực giao PDU Packet Data Unit - Đơn vị gói dữ liệu PKM Privacy and Key Management - Quản lý sự riêng tư và 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 dữ liệu dịch vụ SLA Service-Level Agreement - Thỏa thuận mức dịch vụ SNR Signal-to-Noise Ratio – Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu SS Subscriber Station - Trạm thuê bao TDM Time Division Multiplexing – Ghép kênh phân chia theo thời gian TDMA Time Division Multiplexing Access – Đa truy cập phân chia theo thời gian TEK Traffic Encryption Key - Khóa mã hóa lưu lượng UDP User Datagram Protocol UGS Unsolicited Grant Services UMTS Universal Mobile Telephone System WiFi Wireless Fidelity WiMAX Worldwide interoperability for Microwave Access WLAN Wireless Local Area Network – Mạng cục bộ không dây [...]... cho WiMAX và là lựa chọn cho các hệ thống băng rộng di động tiếp theo khác nhằm cung cấp nhiều loại hình dịch vụ truyền thông đa phương tiện tốc độ cao Trong chương này, chúng ta sẽ khảo sát tổng quan các kỹ thuật tiên tiến được áp dụng trong công nghệ WiMAX như là kỹ thuật OFDM, OFDMA, hệ thống anten tiên tiến… - 16 - Chương 2: Các kỹ thuật được sử dụng trong WiMAX 2.2 KỸ THUẬT OFDM 2.2.1 Khái niệm Kỹ. .. nghệ WiMAX như các chuẩn WiMAX, các kỹ thuật được ứng dụng trong WiMAX, mô hình phân lớp và bảo mật trong WiMAX Ngoài ra, đồ án cũng giới thiệu một mô hình mô phỏng hoạt động của hệ thống WiMAX nhằm mục đích làm rõ quá trình làm việc của hệ thống WiMAX Đồ án bao gồm 5 chương như sau: Chương 1: Giới thiệu chung về WiMAX Chương 2: Các kỹ thuật được sử dụng trong WiMAX Chương 3: Kiến trúc mạng truy cập WiMAX. .. được các ưu điểm và nhược điểm hệ thống sử dụng công nghệ WiMAX Chương này sẽ là nền tảng cho các chương tiếp theo nhằm tìm hiểu sâu hơn về hệ thống WiMAX - 15 - Chương 2: Các kỹ thuật được sử dụng trong WiMAX Chương 2 CÁC KỸ THUẬT ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG WiMAX 2.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG Với kiến trúc mở, linh hoạt, dung lượng lớn và chi phí triển khai thấp đã làm cho WiMAX trở thành một giải pháp hàng đầu cho... không theo tầm nhìn thẳng NLOS và nhiễu do hiện tượng đa đường dẫn - 22 - Chương 2: Các kỹ thuật được sử dụng trong WiMAX 2.3 KỸ THUẬT OFDMA 2.3.1 Khái niệm OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access- Đa truy nhập phân tần trực giao) là một công nghệ đa sóng mang phát triển dựa trên nền kĩ thuật OFDM Trong OFDMA, một số các sóng mang con, không nhất thiết phải nằm kề nhau, được gộp lại thành... 8.75 15, 8.75 WirelessMAN-SCa, WirelessMAN-SCa, WirelessMAN -OFDM, WirelessMAN -OFDM, WirelessMAN-OFDMA WirelessMAN-OFDMA (MHz) Giao diện không gian WirelessMANSC -7- Chương 1: Giới thiệu chung về WiMAX Xử lý Không WiMAX 256 -OFDM như là S-OFDMA như là WiMAX WiMAX cố định di động Bảng 1.1 Tóm tắt các đặc trưng cơ bản các chuẩn WiMAX [6] 1.4 PHỔ WiMAX 1.4.1 Băng tần đăng ký Các giải pháp đăng ký cung cấp... Giới thiệu chung về WiMAX WiMAX là một chuẩn không dây đang phát triển rất nhanh, hứa hẹn tạo ra khả năng kết nối băng thông rộng tốc độ cao cho cả mạng cố định lẫn mạng không dây di động Hai phiên bản của WiMAX được đưa ra như sau: • Fixed WiMAX (WiMAX cố định): Dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.162004, được thiết kế cho loại truy nhập cố định và lưu động Trong phiên bản này sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân... với kênh 5 MHz, bán kính cell từ 2 – 5 km WiMAX 802.16e có hỗ trợ handoff và roaming Sử dụng SOFDMA, một công nghệ điều chế đa sóng mang Các nhà cung cấp dịch vụ mà triển khai 802.16e cũng có thể sử dụng mạng để cung cấp dịch vụ cố định 802.16e hỗ trợ cho SOFDMA cho phép số sóng mang thay đổi, ngoài các mô hình OFDM và OFDMA Sự phân chia sóng mang trong mô hình OFDMA được thiết kế để tối thiểu ảnh hưởng... - Chương 2: Các kỹ thuật được sử dụng trong WiMAX • Kỹ thuật OFDM là một phương pháp hiệu quả để giải quyết đa đường, kháng nhiễu băng hẹp tốt vì nhiễu này chỉ ảnh hưởng một tỷ lệ nhỏ các sóng mang con • Thực hiện đơn giản trong miền tần số bằng cách dùng giải thuật FFT Đồng thời máy thu đơn giản do không cần bộ khử ICI và ISI nếu khoảng dự trữ đủ dài  Nhược điểm: • OFDM là tập hợp của tín hiệu trên... hình phủ sóng của mạng WiMAX tương tự như mạng điện thoại tế bào Bên cạnh đó, WiMAX cũng hoạt động mềm dẻo như WiFi khi truy cập mạng Mỗi khi máy tính muốn truy nhập mạng nó sẽ tự động kết nối đến trạm anten WiMAX gần nhất Trong chương này, chúng ta sẽ tìm hiểu khái niệm cơ bản về WiMAX, các chuẩn WiMAX hiện nay, các băng tần có thể sử dụng cho WiMAX, các ưu điểm và lợi ích của WiMAX mang lại, đồng thời... số, thời gian với OFDMA Thí dụ cụ thể này thực tế là sự hỗn hợp của OFDMA và TDMA bởi vì mỗi người sử dụng chỉ phát ở một trong 4 khe thời gian, chứa 1 hoặc vài symbol OFDM 7 người sử dụng từ a đến g đều được đặt cố định (fix set) cho các sóng mang theo bốn khe thời gian 2.3.3 OFDMA nhảy tần Trong ví dụ trước của OFDMA, mỗi người sử dụng đều có một sự sắp đặt cố định (fix set) cho sóng mang Có thể dễ . nghệ WiMAX như các chuẩn WiMAX, các kỹ thuật được ứng dụng trong WiMAX, mô hình phân lớp và bảo mật trong WiMAX. Ngoài ra, đồ án cũng giới thiệu một mô hình mô phỏng hoạt động của hệ thống WiMAX. WirelessMAN -OFDM, WirelessMAN-OFDMA WirelessMAN-SCa, WirelessMAN -OFDM, WirelessMAN-OFDMA - 7 - Chương 1: Giới thiệu chung về WiMAX Xử lý WiMAX Không 256 -OFDM như là WiMAX cố định S-OFDMA như là WiMAX. WiMAX trên thế giới 14 1.7.2. Tình hình triển khai WiMAX thử nghiệm tại Việt Nam 14 1.8. Kết luận chương 15 Chương 2: CÁC KỸ THUẬT ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG WiMAX 2.1. Giới thiệu chương 16 2.2. Kỹ thuật