bộ giáo dục đào tạo trờng đại học bách khoa hµ néi - luận văn thạc sĩ khoa học Kỹ tht ofdm vµ øng dơng Ofdm øng dơng wimax ngành : điện tử viễn thông mà số:23.04.3898 Vũ quang tun Ngêi híng dÉn khoa häc : pgs.ts lª bá dũng Hà Nội 2008 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17051113850621000000 Mục lục Lời nói đầu Môc lôc Danh s¸ch c¸c tõ viÕt t¾t Danh sách hình vẽ Danh sách bảng Chơng 1: TổNG QUAN Về Sự PHáT TRIểN CáC Hệ 14 17 18 THốNG KHÔNG D¢Y B¡NG RéNG 1.1 Tiến trình phát triển băng rộng không dây 1.1.1 Hệ thống lặp nội không dây băng hẹp (Narrowband WLL) 1.1.2 HÖ thèng băng rộng hệ thứ 1.1.3 Hệ thống băng rộng hệ thứ hai 1.1.4 Sù xt hiƯn cđa Công nghệ dựa tiêu chuẩn (Standards-Based Technology) 1.2 Hệ thống băng rộng cố định: Các thị trờng ứng dụng 1.3 Băng rộng không dây di động: Các thị trờng ứng dụng 1.4 Wimax vµ công nghệ không dây khác 1.4.1 Hệ thống di động tế bào 3G 1.4.2 HÖ thèng Wi-Fi …………………………………………… 1.4.3 So sánh WiMAX với 3G Wi-Fi Chơng 2: ®Ỉc ®iĨm cđa pha ®inh ®a ®êng ……………… 2.1 Giíi thiệu 2.2 Kênh pha đinh Ricean Rayleigh 2.3 Dạng trễ đa đờng (Profile trễ đa đờng) 2.4 Kênh pha đinh lựa chọn tần số không lựa chän tÇn sè 20 21 22 25 26 29 32 34 35 37 38 42 42 43 47 49 2.5 Hàm tơng quan thời gian không gian 2.6 Ví dụ kênh pha đinh đa đờng 50 51 Chơng 3: Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần 56 số trực giao OFDM 3.1 Nguyªn lý cđa OFDM ………………………………………… 3.1.1 Giíi thiƯu ………………………………………………… 3.1.2 Ngn gèc cđa OFDM …………………………………… 3.1.3 T¸c dơng cđa phép biến đổi Fourier rời rạc (DFT) 3.1.4 chèn tiền tố tuần hoàn cho OFDM 3.2 Các đặc tính OFDM 3.2.1 Giíi thiƯu ………………………………………………… 3.2.2 Mô hình kênh vô tuyến 3.2.3 Tỷ lệ lỗi bit kênh AWGN 3.2.4 Tỷ lệ lỗi bit hệ thống OFDM CPSK kênh pha đinh Rayleigh 3.2.5 Tèi u hãa sè lỵng sãng mang độ dài khoảng bảo vệ 3.2.6 Tăng cờng sức mạnh chống lại pha đinh lựa chọn tần số 3.2.7 Tăng cờng sức mạnh chống lại tạp âm nhân tạo 3.2.7.1 Kênh tạp âm thử đợc phát (Generalized Shot Noise Channel) 3.2.7.2 Tốc độ lỗi bit SCM kênh GSN 56 56 56 59 62 65 65 65 66 70 70 75 75 75 77 Ch¬ng 4: LíP VËT Lý CđA WIMAX 79 4.1 M· hãa kªnh …………………………………………………… 81 4.1.2 M· turbo …………………………………………………… 82 84 4.1.3 M· turbo khèi vµ m· LDPC 4.2 ARQ lai – HARQ 4.3 Xen kÏ (Cµi xen) 87 88 89 4.4 ánh xạ ký hiệu ………………………………………………… 4.5 CÊu tróc kÝ hiƯu OFDM 4.6 Hoán vị kênh sãng mang ……………………………… 4.6.1 Sư dơng toµn bé ®êng xng cđa c¸c sãng mang – 90 91 95 96 DL FUSC ………………………………………………………… 4.6.2 Sư dơng mét phÇn ®êng xng cđa c¸c sãng mang – 98 DL PUSC 4.6.3 Sử dụng phần đờng lên sãng mang – UL 100 PUSC 102 4.6.4 ViƯc sư dơng Khèi cđa c¸c sãng mang TUSC 103 4.6.5 Điều chế mà hóa thích nghi băng (Band AMC) 4.7 Cấu trúc khe khung 4.8 Phân tập tần số MIMO 4.8.1 Phân tập phát mà hóa không gian thêi gian …………… 104 107 108 4.8.2 M· ph©n tập nhảy tần 4.9 MIMO lặp đóng (Closed-Loop MIMO) ………………………… 4.9.1 Chän lùa anten …………………………………………… 111 112 115 Ch¬ng 5: m« pháng 115 116 117 117 118 120 122 KÕt luËn Tài liệu tham khảo Phu lôc ………………………………………………………………… 125 126 127 4.9.2 Nhãm anten ……………………………………………… 4.9.3 Håi tiÕp dùa trªn Codebook ……………………………… 4.9.4 Håi tiÕp kênh lợng tử hóa 4.9.5 Dò kênh (Channel Sounding) 4.10 Định tầm 4.11 Điều khiển công suất Kü tht OFDM vµ øng dơng – OFDM øng dơng WiMAX Lời nói đầu Chúng ta sống kỷ nguyên - kỷ nguyên thông tin Các thành tựu khoa học công nghệ tác động trực tiÕp ®Õn nhiỊu lÜnh vùc cđa cc sèng cịng nh xà hội Một lĩnh vực chịu ảnh hởng lớn thành tựu khoa học công nghệ lĩnh vực điện tử - viễn thông nói chung thông tin di động nói riêng Ngày nay, thông tin liên lạc đóng vai trò quan trọng thiếu đợc Nó định nhiều mặt hoạt ®éng cđa x· héi, gióp ngêi n¾m b¾t nhanh chóng thông tin có giá trị văn hoá, kinh tế, khoa học kỹ thuật đa dạng phong phú Sự phát triển thông tin di động toàn cầu đà phần đáp ứng đợc nhu cầu th«ng tin cđa ngêi sư dơng Trong hai thËp kû vừa qua, u điểm truyền thông đà định hình lại sống thờng ngày Truyền thông không dây đà tăng từ vị trí ngời biết đến, trở thành công nghệ có mặt khắp nơi phục vụ gần nửa dân số giới Dù có biết đến hay không, máy tính điện tử ngày có ảnh hởng lớn hoạt động hàng ngày chúng ta, Internet đà hoàn toàn định hình lại cách làm việc, giao tiếp, vui chơi nh học tập ngời Mặc dù có thay ®ỉi lín lao lèi sèng cđa chóng ta vài năm vừa qua, nhng việc hội tụ Không dây (wireless) với Internet với mục đích theo đuổi thay đổi lớn lao wireless thâm nhập trở lên rộng khắp giới giống nh giấy bút bắt gặp hàng ngày WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) mang đến cách mạng Internet Wireless cho thiết bị xách tay phạm vi toàn cầu WiMAX đà sẵn sàng mang Internet đến khắp nơi giới thay đổi sống cách sâu sắc Trong vài năm tới, WiMAX cung cấp tính Internet mà không cần kết nối có dây truyền thống tới phòng khách, máy tính xách tay, điện thoại thiết bị cầm tay khác Vũ Quang Tun – Líp cao häc §TVT 2006-2008 Kü tht OFDM vµ øng dơng – OFDM øng dơng WiMAX Trong lĩnh vực viễn thông rộng lớn, với đồ án mang tên Kỹ thuật OFDM ứng dụng OFDM ứng dụng WiMAX Tác giả trình bày kỹ thuật đà đợc hoàn thiện để ứng dụng ngày hiệu thực tiễn - kỹ thuật OFDM, ứng dụng điển hình nó, WiMAX Khuôn khổ đồ án đợc chia thành chơng: Chơng Tổng quan phát triển hệ thống không dây băng rộng: Nêu lên tiến trình mạng băng rộng không dây qua giai đoạn phát triển, thị trờng ứng dụng So sánh WiMAX với công nghệ không dây khác Chơng Đặc điểm pha ®inh ®a ®êng: Giíi thiƯu vỊ pha ®inh ®a ®êng đặc điểm nó, yếu tố quan trọng tác động đến việc truyền tín hiệu kênh vô tuyến Chơng Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM: Là dạng kỹ thuật đa sóng mang, hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích ngành viễn thông nói chung thông tin băng rộng nói riêng Phần trình bày nguyên lý OFDM, đặc tính OFDM, viƯc sư dơng phÐp biÕn ®ỉi DFT xư lý tín hiệu OFDM, Tỷ lệ lỗi bit (BER) hƯ thèng OFDM… Ch¬ng Líp vËt lý cđa WiMAX: Trình bày khái quát lớp vật lý WiMAX nhờ sử dụng kỹ thuật OFDM kỹ thuật đa anten MIMO Nêu lên bớc cấu thành tín hiệu OFDM nh Mà hóa kênh, Cài xen, ánh xạ ký hiệu Chơng Mô phỏng: Sử dụng Simulink (Matlab) để thiết kế mô hình mô hoạt động líp vËt lý WiMAX sư dơng kü tht OFDM Do hạn chế nhiều mặt nên Luận văn chắn không tránh khỏi thiếu xót, Rất mong đợc đóng góp ý kiến Thầy, Cô bạn để Luận văn đợc hoàn thiện Em xin trân trọng cảm ơn thầy giáo, Phó giáo s, Tiến sỹ Lê Bá Dũng đà tận tình hớng dẫn giúp đỡ em suốt trình hoàn thành Luận văn Häc viªn: Vị Quang Tun Vị Quang Tun – Líp cao học ĐTVT 2006-2008 Kỹ thuật OFDM ứng dông – OFDM øng dông WiMAX Môc lôc Lêi nói đầu Môc lôc Danh s¸ch từ viết tắt Danh sách hình vẽ Danh s¸ch bảng Chơng 1: TổNG QUAN Về Sự PHáT TRIĨN cđa C¸C HƯ 14 17 18 THốNG KHÔNG DÂY BĂNG RộNG 1.1 Tiến trình phát triển băng rộng không dây 1.1.1 Hệ thống lặp nội không dây băng hẹp (Narrowband WLL) 1.1.2 Hệ thống băng rộng hệ thứ 1.1.3 Hệ thống băng rộng hệ thø hai 1.1.4 Sù xuÊt Công nghệ dựa tiêu chuẩn (Standards-Based Technology) 1.2 Hệ thống băng rộng cố định: Các thị trờng ứng dụng 1.3 Băng rộng không dây di động: Các thị trờng ứng dụng 1.4 Wimax công nghệ không dây khác 20 21 22 25 26 29 32 34 1.4.1 Hệ thống di động tế bào 3G 1.4.2 HÖ thèng Wi-Fi …………………………………………… 35 37 1.4.3 So sánh WiMAX với 3G Wi-Fi 38 42 Chơng 2: đặc điểm pha đinh đa ®êng ……………… 2.1 Giíi thiƯu ……………………………………………………… 2.2 Kªnh pha ®inh Ricean Rayleigh 2.3 Dạng trễ đa đờng (Profile trễ đa đờng) 2.4 Kênh pha đinh lựa chọn tần số không lựa chọn tần số 2.5 Hàm tơng quan thời gian không gian Vũ Quang Tun – Líp cao häc §TVT 2006-2008 42 43 47 49 50 Kü tht OFDM vµ øng dơng – OFDM øng dơng WiMAX 2.6 VÝ dơ vỊ kênh pha đinh đa đờng Chơng 3: Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực 51 56 giao OFDM 3.1 Nguyªn lý cđa OFDM ………………………………………… 3.1.1 Giíi thiƯu ………………………………………………… 3.1.2 Ngn gèc cđa OFDM …………………………………… 3.1.3 Tác dụng phép biến đổi Fourier rời rạc (DFT) 3.1.4 chèn tiền tố tuần hoàn cho OFDM 3.2 Các đặc tính cña OFDM 3.2.1 Giới thiệu 3.2.2 Mô hình kênh vô tuyến 3.2.3 Tỷ lệ lỗi bit kênh AWGN 3.2.4 Tỷ lệ lỗi bit hệ thống OFDM CPSK kênh pha đinh Rayleigh 3.2.5 Tèi u hãa số lợng sóng mang độ dài khoảng b¶o vƯ 3.2.6 Tăng cờng sức mạnh chống lại pha đinh lựa chọn tần số 3.2.7 Tăng cờng sức mạnh chống lại tạp âm nhân tạo 3.2.7.1 Kênh tạp âm thử đợc phát (Generalized Shot Noise Channel) 3.2.7.2 Tốc độ lỗi bit SCM kªnh GSN …………… 56 56 56 59 62 65 65 65 66 70 70 75 75 75 Ch¬ng 4: LíP VËT Lý CñA WIMAX 77 79 4.1 M· hãa kªnh …………………………………………………… 4.1.1 M· chËp (Mà vòng xoắn) 4.1.2 Mà turbo 81 82 84 4.1.3 M· turbo khèi vµ m· LDPC 4.2 ARQ lai – HARQ 4.3 Xen kÏ (Cµi xen) 87 88 89 90 4.4 ánh xạ ký hiƯu ………………………………………………… 4.5 CÊu tróc kÝ hiƯu OFDM Vị Quang Tun – Líp cao häc §TVT 2006-2008 91 Kü tht OFDM vµ øng dơng – OFDM øng dơng WiMAX 4.6 Hoán vị kênh sóng mang 95 96 4.6.1 Sử dụng toàn đờng xuống sãng mang – DL FUSC ………………………………………………………… 4.6.2 Sư dơng phần đờng xuống sóng mang 98 DL PUSC 4.6.3 Sử dụng phần đờng lên cđa c¸c sãng mang – UL 100 PUSC 102 4.6.4 ViƯc sư dơng Khèi cđa c¸c sãng mang TUSC 103 4.6.5 Điều chế mà hóa thích nghi băng (Band AMC) 4.7 Cấu trúc khe khung 4.8 Phân tập tần số MIMO 4.8.1 Phân tập phát mà hãa kh«ng gian thêi gian …………… 104 107 108 4.8.2 Mà phân tập nhảy tần 4.9 MIMO lặp đóng (Closed-Loop MIMO) ………………………… 4.9.1 Chän lùa anten …………………………………………… 111 112 115 4.9.2 Nhãm anten ……………………………………………… 4.9.3 Håi tiÕp dùa trªn Codebook 4.9.4 Hồi tiếp kênh lợng tử hóa 4.9.5 Dò kênh (Channel Sounding) 4.10 Định tầm 4.11 Điều khiển công suất Chơng 5: mô 115 116 117 117 118 120 122 KÕt luËn Tài liệu tham khảo Phu lôc ………………………………………………………………… 125 126 127 Vị Quang Tun – Líp cao häc §TVT 2006-2008 Kü tht OFDM vµ øng dơng – OFDM øng dụng WiMAX danh sách từ viết tắt 1xEV-DO 1xEV-DV 3G 3GPP AAS ACK ADC AM AMC ARQ ATM AWGN BER BF BLER BPSK BS BSN CC CCDF CDF 1x evolution—data optimized 1x tèi u tiÕn tr×nh sè liƯu 1x evolution—data and voice 1x cho tiÕn tr×nh sè liƯu thoại Third generation Thế hệ thứ Third-generation Dự ¸n céng t¸c thÕ hÖ thø partnership project Advanced antenna systems Hệ thống anten tiên tiến Acknowledgement Bản tin ACK Analog to digital converter Bộ chuyển đổi tơng tự sang số Amplitude modulation Điều chế biên độ iu ch mã hóa thích nghi Adaptive modulation and coding u cầu lặp tự động Automatic repeat request Asynchronous transfer ChÕ ®é trun kh«ng ®ång bé mode Additive White Gaussian NhiƠu Gaussian trắng cộng Noise Bit error ratio Tỷ lệ lỗi bit Beamforming Tạo luồng Block error ratio Tỷ lệ lỗi khối Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân Base station Trạm gốc Block sequence number Số chuỗi khối Convolutional coding Complementary cumulative distribution function Cumulative distribution function Vò Quang Tun – Líp cao häc §TVT 2006-2008 M· chËp (Mà vòng xoắn) Hàm phân phối tích lũy bổ xung Hàm phân phối tích lũy