nghiên cứu công nghệ ofdm ứng dụng trong mạng wireless lan, đi sâu phương pháp đồng bộ tần số

MỤC LỤC trang Mở đầu Chương I:TỔNG QUAN OFDM 1.1.Các nguyên lý OFDM 1.2.Đơn sóng mang 1.3.Đa sóng mang 1.4.Sự trực giao 1.4.1.Sự trực giao miền tần số 1.4.2.Mơ tả tốn học OFDM 1.5.Các kỹ thuật điều chế OFDM 1.5.1.Điều chế BPSK 1.5.2 Điều chế QPSK 1.5.3.Điều chế QAM 1.5.4.Mã Gray 1.6.Các đặc tính OFDM 4 10 12 13 13 18 19 20 22 23 23 Chương II:TỔNG QUAN VỀ MẠNG LAN KHÔNG DÂY 2.1.Giới thiệu 2.2.Lịch sử 2.3.Sự cần thiết mạng Wireless LAN 2.4.Công nghệ 2.5.Phân loại 2.6.Các băng tần hoạt động 2.7.Bảo mật 2.8.Ưu điểm , nhược điểm 25 25 25 26 27 28 31 34 34 Chương III:ĐI SÂU NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ĐỒNG BỘ TẦN SỐ SỬ DỤNG CƠNG NGHỆ OFDM TRONG WIRELESS LAN 36 3.1.Đồng sóng mang 36 3.2.Đồng định thời 37 3.3.Kỹ thuật đồng OFDM ứng dụng Wireless Lan 39 3.3.1.Giới thiệu 39 3.3.2.Đồng ký tự 43 3.3.3.Đồng tần số lấy mẫu tần số sóng mang 44 3.3.4.Đồng sử dụng vòng mở rộng ký tự huấn luyện đặc biệt 48 3.4.Tách sóng quán 54 3.4.1.Bộ ước lượng kênh chiều 54 3.4.2.Bộ ước lượng kênh chiều 56 3.5.Tách sóng vi phân 57 3.5.1.Tách sóng vi phân miền thời gian 58 3.5.2.Tách sóng vi phân miền tần số 60 KẾT LUẬN CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 65 LỜI MỞ ĐẦU Trong năm qua hạ tầng viễn thông phát triển nhanh công nghệ chất lượng dịch vụ.Viễn thông trải qua trình phát triển lâu dài với nhiều bước ngoặt phát triển công nghệ phát triển mạng lưới Trong phải kể tới mạng cục không dây.Các công nghệ không dây mạng cục khơng dây đem lại lợi ích to lớn Cũng mạng viễn thông khác, nhà cung cấp dịch vụ truy cập không dây đứng trước khó khăn tốc độ truyền, chất lượng dịch vụ , đồng tín hiệu thu với tín hiệu phát dịch vụ khơng dây nói chung mạng Wireless LAN nói riêng? OFDM đời phát triển câu trả lời cho vấn đề Cơng nghệ ghép kênh phân chia theo tần số OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing ) với ưu điểm hỗ trợ truyền số liệu tốc độ cao tăng hiệu phổ , công nghệ áp dụng với nhiều hệ thống áp dụng cho chuẩn không dây cố định Với vấn đề đồ án tốt nghiệp em với chủ đề “ Nghiên cứu công nghệ OFDM ứng dụng mạng Wireless Lan, sâu phương pháp đồng tần số” Nội dung đồ án em chia làm chương : Chương I : Tổng quan OFDM Chương II : Tổng quan mạng LAN không dây Chương III :Đi sâu nghiên cứu kỹ thuật OFDM việc đồng tần số Wireless LAN CHƯƠNG I TỔNG QUAN OFDM 1.1.Các nguyên lý OFDM Nguyên lý OFDM chia luồng liệu tốc độ cao thành luồng liệu tốc độ thấp phát đồng thời số sóng mang trực giao Vì khoảng thời gian symbol tăng lên cho sóng mang song song tốc độ thấp hơn, lượng nhiễu gây độ trải trễ đa đường giảm xuống Nhiễu xuyên ký tự ISI hạn chế hoàn toàn việc đưa vào khoảng thời gian bảo vệ symbol OFDM Trong khoảng thời gian bảo vệ, symbol OFDM bảo vệ theo chu kỳ để tránh nhiễu sóng mang ICI Giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang khơng chồng phổ kỹ thuật điều chế đa sóng mang chồng phổ có khác Trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta tiết kiệm khoảng 50% băng thông Tuy nhiên, kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta cần triệt xuyên nhiễu sóng mang, nghĩa sóng cần trực giao với Trong OFDM, liệu sóng mang chồng lên liệu sóng mang lân cận Sự chồng chập nguyên nhân làm tăng hiệu sử dụng phổ OFDM Ta thấy số điều kiện cụ thể, tăng dung lượng đáng kể cho hệ thống OFDM cách làm thích nghi tốc độ liệu sóng mang tùy theo tỷ số tín hiệu tạp âm SNR sóng mang Ch.1 Ch.10 Tần số (a) Tiết kiệm băng thông Tần số (b) Hình 1.1: So sánh kỹ thuật sóng mang khơng chồng xung (a) kỹ thuật sóng mang chồng xung (b) Về chất, OFDM trường hợp đặc biệt phương thức phát đa sóng mang theo nguyên lý chia dòng liệu tốc độ cao thành tốc độ thấp phát đồng thời số sóng mang phân bổ cách trực giao Nhờ thực biến đổi chuỗi liệu từ nối tiếp sang song song nên thời gian symbol tăng lên Do đó, phân tán theo thời gian gây trải rộng trễ truyền dẫn đa đường (multipath) giảm xuống OFDM khác với FDM nhiều điểm Trong phát thông thường đài phát truyền tần số khác nhau, sử dụng hiệu FDM để trì ngăn cách đài Tuy nhiên khơng có kết hợp đồng trạm với trạm khác Với cách truyền OFDM, tín hiệu thơng tin từ nhiều trạm kết hợp dòng liệu ghép kênh đơn Sau liệu truyền sử dụng khối OFDM tạo từ gói dày đặc nhiều sóng mang Tất sóng mang thứ cấp tín hiệu OFDM đồng thời gian tần số với nhau, cho phép kiểm sốt can nhiễu sóng mang Các sóng mang chồng lấp miền tần số, khơng gây can nhiễu sóng mang (ICI) chất trực giao điều chế Với FDM tín hiệu truyền cần có khoảng bảo vệ tần số lớn kênh để ngăn ngừa can nhiễu Điều làm giảm hiệu phổ Tuy nhiên với OFDM đóng gói trực giao sóng mang làm giảm đáng kể khoảng bảo vệ , cải thiện hiệu phổ x(n) Dữ liệu nhị phân Sắ p S/ P Chè n pilot Chèn dải bảo vệ IDF T xf(n ) h(n ) P/ S Kên h xế p Dữ liệu Sắ p xế p lại P/ S Ước lượn g kênh y(n) Y(k ) Loại bỏ dải bảo vệ DFT yf(n ) AWG N S/ P + w(n) Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống OFDM Đầu tiên, liệu vào tốc độ cao chia thành nhiều dòng liệu song song tốc độ thấp nhờ chuyển đổi nối tiếp/song song (S/P: Serial/Parrallel) Mỗi dòng liệu song song sau mã hóa sử dụng thuật toán sửa lỗi tiến (FEC) xếp theo trình tự hỗn hợp Những symbol hỗn hợp đưa đến đầu vào khối IDFT Khối tính tốn mẫu thời gian tương ứng với kênh nhánh miền tần số Sau đó, khoảng bảo vệ chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự ISI truyền kênh di động vơ tuyến đa đường Sau lọc phía phát định dạng tín hiệu thời gian liên tục chuyển đổi lên tần số cao để truyền kênh Trong q trình truyền, kênh có nguồn nhiễu gây ảnh hưởng nhiễu trắng cộng AWGN,… Ở phía thu, tín hiệu chuyển xuống tần số thấp tín hiệu rời rạc đạt lọc thu Khoảng bảo vệ loại bỏ mẫu chuyển từ miền thời gian sang miền tần số phép biến đổi DFT dùng thuật toán FFT Sau đó, tùy vào sơ đồ điều chế sử dụng, dịch chuyển biên độ pha sóng mang nhánh cân bằng cân kênh (Channel Equalization) Các symbol hỗn hợp thu xếp ngược trở lại giải mã Cuối thu nhận dòng liệu nối tiếp ban đầu S0 Serial data stream S0, S1, …, SN-1 Serial to Parallel convertor Transmitte r SN-1 Demodulation at f0 Modulation at f0 Modulation at f1 Modulation at fN-1 S0 Parallel to serial converto r Demodulation at f1 SN-1 Demodulation at fN-1 f0=1/T ∆f Hình 2.3: Hệ thống OFDM cbản f1=2/T f2=3/T Receiver fN-1=N/T ∆f Nf=W Hình2.4: Sắp xếp tần số hệ thống OFDM Hình 1.5: Symbol OFDM với subscriber Output Tất hệ thống truyền thông vô tuyến sử dụng sơ đồ điều chế để ánh xạ tín hiệu thơng tin tạo thành dạng truyền hiệu kênh thông tin Một phạm vi rộng sơ đồ điều chế phát triển, phụ thuộc vào tín hiệu thơng tin dạng sóng analog digital Một số sơ đồ điều chế tương tự chung bao gồm: điều chế tần số (FM), điều chế biên độ (AM), điều chế pha (PM), điều chế đơn biên (SSB), Vestigial side Band (VSB), Double Side Band Suppressed Carrier (DSBSC) Các sơ đồ điều chế sóng mang đơn chung cho thơng tin số bao gồm khố dịch biên độ (ASK), khoá dịch tần số (FSK), khoá dịch pha (PSK), điều chế QAM Kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao dựa nguyên tắc phân chia luồng liệu có tốc độ cao R (bit/s) thành k luồng liệu thành phần có tốc độ thấp R/k (bit/s); luồng liệu thành phần trải phổ với chuỗi ngẫu nhiên PN có tốc độ Rc (bit/s) Sau điều chế với sóng mang thành phần OFDM, truyền nhiều sóng mang trực giao Phương pháp cho phép sử dụng hiệu băng thông kênh truyền, tăng hệ số trải phổ, giảm tạp âm giao thoa ký tự ISI tăng khả giao thoa sóng mang Trong cơng nghệ FDM truyền thống, sóng mang lọc riêng biệt để bảo đảm chồng phổ, khơng có tượng giao thoa ký tự ISI sóng mang phổ lại chưa sử dụng với hiệu cao Với kỹ thuật OFDM, khoảng cách sóng mang chọn cho sóng mang trực giao chu kỳ ký tự tín hiệu khơi phục mà khơng giao thoa hay chồng phổ Hình 1.6: Phổ sóng mang OFDM [2] 1.2 Đơn sóng mang (Single Carrier) Hệ thống đơn sóng mang hệ thống có liệu điều chế truyền sóng mang Hình 1.7: Truyền dẫn sóng mang đơn Hình 1.7 mơ tả cấu trúc chung hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang Các ký tự phát xung định dạng lọc phía phát Sau truyền kênh đa đường Ở phía thu, lọc phối hợp với kênh truyền sử dụng nhằm cực đại tỷ số tín hiệu nhiễu (SNR) thiết bị thu nhận liệu Đối với hệ thống đơn sóng mang, việc loại bỏ nhiễu giao thoa bên thu phức tạp Đây nguyên nhân để hệ thống đa sóng mang chiếm ưu hệ thống đơn sóng mang 1.3 Đa sóng mang (Multi-Carrier) Nếu truyền tín hiệu khơng phải sóng mang mà nhiều sóng mang, sóng mang tải phần liệu có ích trải băng thơng chịu ảnh hưởng xấu đáp tuyến kênh có phần liệu có ích bị mất, sở liệu mà sóng mang khác mang tải khơi phục liệu có ích Hình 8: Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang Do vậy, sử dụng nhiều sóng mang có tốc độ bit thấp, liệu gốc thu xác Để khôi phục liệu mất, người ta sử dụng phương pháp sửa lỗi tiến FEC Ở máy thu, sóng mang tách dùng lọc thơng thường giải điều chế Tuy nhiên, để khơng có can nhiễu sóng mang (ICI) phải có khoảng bảo vệ hiệu phổ OFDM kỹ thuật điều chế đa sóng mang, liệu truyền song song nhờ vơ số sóng mang phụ mang bit thông tin Bằng cách ta 10 Những hình ảnh minh họa vài đặc tính thú vị phương pháp mã vịng mở rộng Trước tiên hai hình hồn tồn minh họa đỉnh cho ký tự khác nhau.Nhưng đỉnh biên độ ra độ biến thiên đáng kẻ Nguyên nhân điều mức cơng suất cho khoảng thời gian bảo vệ thực chất thay đổi từ mức công suất trung bình Thêm ảnh hưởng khác mức độ tương quan không mong muốn búp phụ phản ánh tương quan đỉnh tương quan Những búp phụ phản ánh tương quan hai mẫu tín hiệu OFDM thuộc phần lấy từ giá trị liệu độc lập Sự tương quan đầu biến tự nhiên mà vươn tới giá trị liệu độc lập.Sự tương quan đầu biến tự nhiên mà vươn tới giá trị rộng đỉnh tương quan mong muốn Độ lệch đại lượng tương quan tự nhiên liên quan tới số mẫu độc lập mà tương quan thực Rộng số mẫu độc lập , nhỏ độ lệch Trong trường hợp điểm cực biên , nơi mà tương quan đầu thực qua mẫu Đại lượng đầu tỉ lệ với cơng suất tín hiệu khơng có phân biệt tương quan đỉnh trường hợp Ở trường hợp điểm cực biên khác , nới mà tương quan đầu thực qua só rộng biên độ giá trị biên độ theo trườn sóng tới đỉnh giảm dần 0.Bởi số mẫu độc lập tỉ lệ với số sóng mang Cơng nghệ tương quan đầu CE có kết số lượng lớn sóng mang Cơng nghệ tương quan đầu CE có kết số sóng mang sử dụng Mức ưu tiên nhiều 100 Một điểm ý sườn tương quan không cần thiết tạo vân đề ký tự định thời Sự tương quan đầu sử dụng để ước lượng độ lệch tần số Pha tương quan đầu với độ trôi pha mẫu riêng rẽ Do độ lệch tần số đơn giản tìm thấy tương quan pha chia 2IIT.Phương pháp làm việc với tần số hồn tồn lớn khoảng cách sóng mang để tăng dải lớn , ký tự ngắn sử dụng sử dụng ký tự huấn luyện đặc biệt với dãy PN -Đồng sử dụng ký tự huấn luyện đặc biệt Công nghệ ước lượng kênh từ phần trước thiết kế để ước lượng kênh đa dạng hai miền thời gian tần số Những cơng nghệ đặc biệt thích ứng với hệ thống phát liên tiếp DAB (Digital Audio Broadcasting )or DVB (Digital video Broadcasting).Nó ứng dụng cho hệ thống thơng tin kiểu gói ngun nhân.trước tiên , nhiều hệ thống phát Wireless LAN, độ dài 51 gói ngắn đủ để giả định kênh có định suốt độ dài gói Điều có nghĩa khơng cần ước lượng thời gian fading, mà đơn giản nhiều vấn đề ước lượng kênh.Thứ , sử dụng só pilot rải rác qua vài ký tự liệu OFDM đưa sử trễ vài ký tự trước q trình ước lượng kênh tính tốn Như độ trễ khơng mong muốn gói phát hệ thống IEEE 802.11 Wireless LAN mà yêu cầu xác nhận để gửi sau gói phát Bất độ trễ trình thu gói tin làm trễ xác nhận làm giảm lưu lượng thực hệ thống.Thêm nhược điểm thực máy thu cần đệm vài ký tự OFDM thành yêu cầu thêm phần cứng +Công nghệ đồng tần số dựa mã vịng mở rộng đặc biệt xếp với theo dõi đồng không rõ ràng kết nối chuyển mạch , nơi mà khơng có ký tự huấn luyện đặc biệt xuất việc truyền gói tin Tuy nhiên , có hạn chế đồng xác cần thiết giá trị trung bình rộng 10 số ký tự OFDM để đạt đỉnh tương quan đầu rõ ràng SNR hợp lý.Đối với việc truyền tin tốc độ cao , việc đồng thời gian cần ngắn tốt , ưu tiên cho vài ký tự OFDM.Để đạt điều , ký tự huấn luyện OFDM đặc biết dùng cho lượng liệu biết với máy thu.Trong phương pháp , tín hiệu huấn luyện thu đạt sử dụng để đạt đồng phương pháp mã vòng mở rộng sử dụng phần lẻ ký tự Đầu vào T C T T X X C C ∑ Chọn max Ký tự định thời Hình 3.9.Bộ lọc thích ứng ghép với ký tự huấn luyện OFDM đặc biệt 52 Hình minh họa sơ đồ khói lọc thích ứng mà sử dụng phối hợp tín hiệu đầu vào với nhận tín hiệu huấn luyện OFDM biết.Ở , T khoảng lấy mẫu c hệ số lọc thích ứng mà liên hợp phức tín hiệu huấn luyện biết trước Từ đỉnh tương quan tín hiệu đầu lọc thích ứng , độ lệch tần số thời gian ký hiệu ước lượng giải thích phần Một điểm ý mạch lọc thích ứng tương quan với tín hiệu thời gian OFDM, trước thực biển đổi FFT máy thu Do cơng nghệ giống với đồng máy thu trải phổ có sẵn Thực , phương thức tiếp cận việc sử dụng tín hiệu tương quan với tín hiệu huấn luyện đơn sóng mang phối hợp với OFDM.Ở giả định tín hiệu huấn luyện bao gồm ký tự liệu OFDM bình thường Hình minh họa ví dụ đầu lọc tương ứng cho ký tự OFDM với 48 sóng mang Tín hiệu huấn luyện cho trường hợp bao gồm ký tự nhận dạng OFDM không cần khoảng bảo vệ.Thay vào , bắt đầu mà có ký tự OFDM với khoảng bảo vệ với khoảng IFFT đầu IFFT lặp lại lần Nguyên nhân tính hàm tự tương quan vịng tốt giới hạn búp phụ không mong muốn thấp.Cái nhìn thấy hình đây,Hình búp phụ với mức bé 20dB thấp đỉnh tương quan chính.Một ngoại lệ với khoảng bắt đầu tương quan.Nguyên nhân tương quan không theo chu kỳ thực thay cho tương quan vịng.Bởi lọc thích ứng lọc phần với mẫu từ ký tự liệu OFDM khác với ký tự huấn luyện Do để tránh tương quan hồn tồn khơng mong muốn , đầu lọc thích ứng suốt khoảng ký tự ban đầu cuối nên bỏ qua Giá trị sử dụng để dị đỉnh tương quan mà đưa thơng tin định thời ký hiệu mong muốn Hàm tương quan hình tạo trường hợp độ lệch định thời phân đoạn zero tín hiệu đầu vào tín hiệu huấn luyện biết.Điều có nghĩa lọc thích ứng dẫn giá trị với mấu tín hiêu huấn luyện liên hợp , xác với giá trị mẫu liên hợp tín hiệu OFDM đến Trạng thái lý tưởng không xuất có độ lệch định t hời cùa vài phần khoảng lấy mẫu tín hiệu đầu vào tín hiệu huấn luyện biết.Để nhìn thấy tác động phần định thời , hình minh họa tương quan đầu cho , thay cho đỉnh theo khoảng ký tự , có hai đỉnh tương quan đầu cho , thay cho đỉnh theo khoảng ký tự , có hai đỉnh tương 53 đương mạnh với độ nghiêng nhỏ đỉnh đơn trường hợp độ lệch định thời Tuy nhiên , mức độ tương đối búp phụ tương quan không mong muốn đến tận 20dB đỉnh Đầu mạch lọc phối hợp số mẫu cho ký tự huấn luyện , sử dụng 48 sóng mang 64 mẫu ký tự Hình 3.10 54 Đầu lọc phối hợp so với mẫu với giá trị {1,-1,0} đồng pha hệ số cầu phương Hình 3.11 Biểu đồ hình 3.8 giả định rắng tín hiệu đầu vào khơng lượng tử hóa Trong trường hợp , người ta mong muốn có số mức thấp bít lượng tử hóa Hình 3.9 minh họa tương quan đầu nơi mà giá trị dẫn lọc thích ứng lượng tử hóa với giá trị { −1, 0,1} cho hai phần thực ảo Để giảm nhỏ tác động lượng tử hóa , kết tốt lấy từ tín hiệu OFDM mà có độ biến thiên độ nhỏ 3.4.TÁCH SĨNG NHÂT QN Hình minh họa sơ đồ máy thu OFDM quán sau chuyển đổi tương tự sang số , FFT, dùng để điểu chế N sóng mang tín hiệu OFDM,Đối với ký tự đầu FFT bao gồm N giá trị QAM.Tuy nhiên , giá trị bao gồm dịch pha ngẫu nhiên biến thiên biên độ gây nên đáp tuyến kênh , độ trôi dao động nội độ lệch định thời Nhiệm vụ khối ước lượng kênh để lọc thuộc pha chuẩn biên độ cho tất sóng mang ,Như , ký tự QAM chuyển đổi nhị phân Dưới vài công nghệ sử dụng để nhận ước lượng kênh yêu cầu cho tách sóng quán RFRX ADC FFT Tách sóng quán Ước lượng kênh Giải ghép kênh Dữ liệu nhị phân đầu Hình 3.12.Sơ đồ khối máy thu OFDM với tách sóng quán 3.4 1.Bộ ước lượng kênh hai chiều 55 Giải mã Nhìn chung kênh vơ tuyến bị fading hai miền thời gian tần số Do , ước lượng kênh phải ước lượng thời gian -độ biến thiên biên độ pha tất sóng mang Một cách để thực điều sử dụng ước lượng kênh chiều mà ước lượng giá trị chuẩn dựa vài giá trị thí điểm có sẵn Khái niệm minh chứng hình , mà minh họa khối ký tự OFDM với 16 sóng mang Hình 3.13Ví dụ pilot(điểm nâu ) khối ký tự OFDM với 16 sóng mang Giá trị sóng mang đậm giá trị pilot biết Dựa pilot , tất giá trị chuẩn ước lượng việc thực nội suy hai chiều Để nội suy ước lượng kênh hai miền thời gian tần số từ pilot chờ , bước thí điểm phải thực theo định lý lấy mẫu Nyquist, mà điểu kiện khoảng tần số lấy mẫu phải nhỏ nghịch đảo dải thông hai biên tín hiệu lấy mẫu.Đối với trường hợp OFDM, phương thức có nghĩa có khoảng cách sóng mang tối thiểu khoảng cách ký tự tối thiểu pilot 56 Bởi việc lựa chọn khoảng giãn cách pilot nhỏ nhiều so với yêu cầu tối thiểu , ước lượng kênh hiệu tạo thuật toán tương đổi dễ dàng có thêm nhiều pilot sử dụng Hình ví dụ pilot (điểm nâu) khối ký tự OFDM với 16 sóng mang Để xác định độ giãn cách pilot tối thiểu miền thời gian tần số , tìm băng thơng kênh biến đổi miền thời gian tần số băng thông với khoảng cách Doppler B miền thời gian khoảng cách trễ cực đại miền tần số Do yêu cầu cho độ giãn cách pilot miền thời gian tần số S S S