Luận văn điện tử viễn thông Ước lượng kênh trong OFDM của Wimax

LỜI CAM ĐOAN LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung của đồ án “Ước lượng kênh trong OFDM của Wimax” này không phải là bản sao chép của bất cứ đồ án hoặc công trình đã có từ trước. Đà Nẵng, Ngày 25 tháng 05 năm 2012 Người cam đoan PHẠM TẤN PHƯỚC Trang 1 Nhận xét của giáo viên hướng dẫn NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN    Đà Nẵng, ngày 25 tháng 05 năm 2012 Giáo viên hướng dẫn Ths.Huỳnh Thanh Tùng Trang 2 Mục lục MỤC LỤC Lời cam đoan 1 Lời nhận xét của giáo viên hướng dẫn 2 Mục lục 3 Danh mục các từ viết tắc 6 Lời mở đầu 8 CHƯƠNG 1 :Tổng quan về hệ thống WIMAX 1.1 Giới thiệu chương 10 1.2 Giới thiệu hệ thống WiMAX 10 1.2.1 WIMAX là gì ? 10 1.2.2 Lịch sử ra đời 10 1.2.3 Đặc điểm của WIMAX 11 1.3 Các chuẩn WIMAX 11 1.3.1 Chuẩn cơ bản 802.16 11 1.3.2 Các chuẩn bổ sung của WIMAX 12 1.4 Các công nghệ sử dụng trong WIMAX 13 1.4.1 Điều chế thứ tự cao hơn 13 1.4.1.1 Công nghệ OFDM 13 1.4.1.2 Công nghệ OFDMA 16 1.4.1.3 Công nghệ SOFDMA 18 1.4.1.4 Các công nghệ Anten sử dụng trong Wimax 18 1.4.1.5 Mã hóa không gian - thời gian 20 1.4.1.6 Điều khiển công suất 21 1.4.1.7 Điều khiển sắp xếp 22 1.4.1.8 Điều khiển chấp nhận 22 1.4.1.9 Chất lượng dịch vụ QoS 23 1.5 Ứng dụng của WIMAX 24 1.6 Kết luận chương 27 Trang 3 Mục lục CHƯƠNG 2 : Kĩ thuật OFDM và OFDMA trong WIMAX 2.1 Giới thiệu chương 28 2.2 Công nghệ OFDM 28 2.2.1 Cơ sở của OFDM 28 2.2.1.1 Cơ sở trực giao 28 2.2.1.2 Tiền tố vòng CP 32 2.2.1.3 biểu tượng Pilot 33 2.3 Kĩ thuật OFDMA trong WIMAX 33 2.3.1 Cấu trúc biểu tượng OFDMA và kênh con hoá 33 2.3.2 Scalable OFDMA 35 2.3.3 Cấu trúc khung TDD 36 2.3.4 Các đặc tính lớp vật lý cao cấp khác 38 2.4 Phân bố Rayleigh và Rice 40 2.4.1 Phân bố Rayleigh 40 2.4.2 Phân bố Rice 41 2.5 kết luận chương 43 CHƯƠNG 3 : Ước lượng kênh trong hệ thống OFDM 3.1 Giới thiệu chương 44 3.2 Mô tả hệ thống 44 3.3 Các kĩ thuật ước lượng kênh 47 3.3.1 Ước lượng MMSE 48 3.3.2 Ước lượng LS 49 3.4 Giảm kích thước FFT với ước lượng MMSE và LS 50 3.4.1 Mục đích của phương pháp 50 3.4.2 Giảm kích thước FFT với ước lượng MMSE 51 3.4.3 Giảm kích thước FFT với ước lượng LS 51 3.5 Kết luận chương 52 Trang 4 Mục lục CHƯƠNG 4 : Mô phỏng ước lượng kênh 4.1 Giới thiệu chương 53 4.2 Mô phỏng SER dựa trên MMSE và LS 53 4.3 Mô phỏng so sánh ước lượng MMSE và LS 54 4.3.1 Ưu điểm của MMSE 55 4.3.2 Nhược điểm của MMSE 55 4.4 Mô phỏng phương pháp giảm kích thước FFT 55 4.4.1 Ưu điểm của phương pháp 55 4.4.2 Nhược điểm của phương pháp 55 4.5 Phần chương trình mô phỏng 57 4.5.1 Mô phỏng SER của MMSE và LS 57 4.5.2 Mô phỏng so sánh ước lượng MMSE và LS 63 4.5.3 Mô phỏng kích thước FFT với ước lượng MMSE 67 4.6 Kết luận chương 77 Hướng phát triển đề tài 78 Tài Liệu Tham Khảo 78 Trang 5 Danh mục các từ viết tắc  Bảng tra cứu từ viết tắt Bảng tra cứu từ viết tắt ADSL Asymmetric Digital Mạng số truy câp internet băng subcribe Line rộng. AMC Adaptive modulation and coding Mã hóa và điều chế thích nghi. BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bít BPSK Binary PSK Điều chế pha 2 mức. BS Base station Trạm cơ sở. C/I Carrier to Interference Ratio Tỷ số sóng mang trên nhiễu. CP Cyclic Prefix Tiền tố lặp CDMA Code division Multiplex access Đa truy cập phân chia theo mã. CTC Convolution turbo code Mã xoắn turbo. DAB Digital Audio Broadcasting Hệ thống phát thanh số và truyền số liệu tốc độ cao. (I)DFT (Inverse) Discrete Fourier Biến đổi Fourier rời rạc (Ngược) Transform DEMUX Bộ tách kênh. DSP Digital Signal Processing Bộ xử lý số. DVB_T Digital video Broadcasting Hệ thống truyền hình số mặt đất. for terrestrial transmission mode FDD Frequency division duplex Song công theo tần số. FFT Fast fourier transformer Chuyển đổi fourier nhanh. FM Frequency modulation Điều tần. FUSC Fully used sub-carrier Sóng mang con sử dụng Hoàn toàn. HARQ Hybrid automatic repeat request Kĩ thuật sửa lỗi bằng dò lặp. ICI Inter-carrier interference Nhiễu giữa các sóng mang. IFFT Inverse FFT Chuyển đổi fourier nhanh ngược. ISI Inter-symbol interference Nhiễu giữa các biểu tượng. LMMSE Least Minimum Mean Bình phương sai số tối thiểu tuyến Squared Error tính. Trang 6 Danh mục các từ viết tắc LOS Line of sight Tuyến truyền dẫn thẳng. LS Least square Bình phương nhỏ nhất MAC Media access control Điều khiển truy nhập môi trường MAI multiplex access interference Nhiễu đa truy cập. MIMO Multiple input multiple Output Hệ thống đa anten phát và thu. MMSE Minimum mean square error Bình phương sai số trung bình nhỏ nhất MUX Multiplexer Bộ ghép kênh. NLOS Noneline of sight Không có tuyến truyền dẫn thẳng. OFDM Orthogonal frequency Ghép kênh phân chia division mutiplex theo tần số trực giao. OFDMA Orthogonal frequency Đa truy cập phân chia division multiplex access theo tần số trực giao. PAPR Peak_to_Average Power Tỷ số công suất đỉnh trên Ratio (PAR) công suất trung bình. PN Pseudo Noise Chuỗi giả ngẫu nhiên PSK Phase shift keying Điều pha. QAM Quadrature AmplitudeModulaion Điều chế biên độ cầu phương. QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ QPSK Quadrature PSK Điều chế cầu phương PSK. PUSC patially used sub-carrier Sóng mang con sử dụng một phần. SER Symbol error rate Tỷ lệ lỗi biểu tượng. SNR Signal noise to ratio Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm. SOFDMA Scalable OFDMA OFDMA diện rộng SS Subcribe station Trạm người dùng. TDD Time division duplex Song công theo thời gian. WIMAX Worldwide interoperability Khả năng kết nối không dây trên for microwave access diện rộng với truy viba. VLAN Virtual local area netword Mạng LAN ảo. WLAN Wireless Local Area Network Mạng không dây nội bộ Trang 7 Lời mở đầu LỜI MỞ ĐẦU &&&& Công nghệ OFDM hiện nay đã tìm được sự ứng dụng rộng rãi trong các tiêu chuẩn viễn thông như hệ thống truyền hình số DVB-T, phát thanh số DAB, hay mạng truy nhập Internet băng thông rộng ADSL, …Hiện nay công nghệ này đang được ứng dụng trong hệ thống truy nhập Internet không dây băng rộng WIMAX theo các tiêu chuẩn IEEE 802.16 và trong hệ thống di động toàn cầu thế hệ thứ 4 cũng như nhiều hệ thống viễn thông khác. WIMAX là một công nghệ không dây băng thông rộng mang lại tốc độ kết nối nhiều Megabit và thông lượng cao cho phép truy cập một khối lượng lớn các dữ liệu như phim và các nội dung đa phương tiện, đồng thời có phạm vi phủ sóng rộng giúp mang lại khả năng truy cập tới các dữ liệu trong khoảng cách xa. Hiện nay nhiều hãng sản xuất các thiết bị điện tử như Laptop, điện thoại và các thiết bị văn phòng khác đã tích hợp các phần cứng cũng như các phần mềm ứng dụng của công nghệ WIMAX vào các sản phẩm của mình để đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao và phong phú của khách hàng. Các thiết bị WIMAX này đã được kiểm tra về khả năng tương thích với nhau sẽ giúp khách hàng dễ dàng hơn khi chuyển vùng từ hệ thống mạng này sang hệ thống mạng khác với các thiết bị Internet của mình, mang lại cho người sử dụng một trải nghiệm di động luôn được kết nối . Để tiếp cận và tìm hiểu về công nghệ WIMAX chúng ta hãy đi vào tìm hiểu cơ sở và các ứng dụng của kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM- Othogonal Frequency Division Multiplex ) trong hệ thống WIMAX mà điển hình là kỹ thuật ước lượng kênh truyền trong hệ thống OFDM của WIMAX. Vì còn nhiều hạn chế về khả năng lẫn kiến thức nên đề tài chỉ nghiên cứu các phương pháp ước lượng kênh trong hệ thống OFDM của WiMAX để làm nền tảng cho các vấn đề chuyên sâu sau này. Rất mong được sự góp ý của thầy cô và bạn bè trong khoa Điện Tử Viễn Thông-Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng. Trang 8 Lời mở đầu Nội dung chính của đề tài gồm 4 chương như sau: Chương 1: Tổng Quan Về Hệ Thống WiMAX : Trình bày những vấn đề liên quan đến mô hình của một hệ thống WiMAX cơ bản, những đặc điểm và các ứng dụng của nó đối với quá trình truyền tin trên lý thuyết và trên thực tế. Chương 2: Kĩ Thuật OFDM Và OFDMA Trong WiMAX : Phần này giới thiệu về cơ sở, đặc điểm cơ bản của kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao và ứng dụng công nghệ OFDM trong WiMAX điển hình là kĩ thuật OFDMA. Chương 3: Kĩ Thuật Ước Lượng Kênh Trong Hệ Thống OFDM : Mô tả các phương pháp ước lượng kênh và những biểu thức toán học của nó dựa trên đáp ứng xung của kênh. Chương 4: Mô Phỏng Ước Lượng Kênh : Mô phỏng so sánh sự khác nhau giữa ước lượng MMSE và ước lượng LS. Đề xuất phương pháp giảm kích thước FFT trong ước lượng MMSE và LS. Phương pháp nghiên cứu của đề tài: Đề tài làm rõ những khái niệm về ước lượng kênh trong OFDM, từ đó dựa vào những biểu thức tính toán, thực hiện mô phỏng so sánh sự khác nhau của ước lượng MMSE và LS. Mục tiêu của đề tài : Từ những kết quả mô phỏng đạt được, rút ra những nhận xét về những ưu điểm cũng như nhược điểm của 2 phương pháp và đề xuất phương pháp giảm kích thước FFT với 2 phương pháp ước lượng trên. Trong quá trình thực hiện đồ án có thể em sẽ không tránh khỏi những sai sót. Rất mong nhận được sự phê bình, góp ý của quý thầy cô và các bạn. Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đở tận tình của thầy Ths.Huỳnh Thanh Tùng và cùng các thầy cô trong khoa để em có thể hoàn thành được đồ án này. Đà Nẵng, Ngày 25 tháng 05 năm 2012 Sinh viên thực hiện Phạm Tấn Phước Trang 9 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG WIMAX CHƯƠNG 1 : Tổng Quan Về Hệ Thống WIMAX 1.1 Giới thiệu chương Trước khi đi vào tìm hiểu các vấn đề về ước lượng kênh trong hệ thống OFDM của WiMAX, trong chương này ta sẽ tìm hiểu hệ thống WiMAX là gì?, nó có những đặc điểm gì?, và nó có những ưu điểm nào trong các ứng dụng thực tế. Các chuẩn của Wimax, các công nghệ được sử dụng trong Wimax và ứng dụng của Wimax. 1.2 Giới thiệu hệ thống WIMAX : 1.2.1 WIMAX là gì ? WIMAX là từ viết tắt của Worldwide Interoperability For Microwave Access-khả năng kết nối không dây trên diện rộng với truy nhập vi ba. Nó cho phép truy nhập băng thông rộng vô tuyến đến đầu cuối (last mile) như một phương thức thay thế cho cáp là DSL. WIMAX cho phép kết nối băng rộng vô tuyến cố định, mang xách tay được, di động mà không cần thiết ở trong tầm nhìn thẳng (line of sight) trực tiếp đến một trạm. WIMAX có 2 phiên chính :WIMAX cố định (Fixed WIMAX) WIMAX di động(Mobile WIMAX) 1.2.2 Lịch sử ra đời : Chuẩn 802.16 được xây dựng từ viện kĩ thuật điện và điện tử từ năm 1999, nhưng tiêu chuẩn đầu tiên được đưa ra và được cả thế giới công nhận vào năm 2001. 2003 > 802.16a 2004 > 802.16d 2005 > 802.16e Chuẩn được thiết kế hỗ trợ cho cả phương thức song công theo thời gian (Time Division Duplex-TDD) và song công theo tần số (Frequency Division Duplex-FDD). TDD, tại đó đường lên và đường xuống dùng chung một kênh nhưng không truyền cùng một lúc. FDD, tại đó đường lên và đường xuống hoạt động trong những kênh riêng biệt. Trang 10 [...]... thuật OFDM và OFDMA nhằm tận dụng tối đa băng thông tiết kiệm được nguồn tài nguyên về tần số, đồng thời nâng cao tốc độ của đường truyền đáp ứng được các nhu cầu của các dịch vụ đòi hỏi các ứng dụng thời gian thực Trang 27 Chương 2: KỸ THUẬT OFDM VÀ OFDMA TRONG WIMAX CHƯƠNG 2 : Kĩ thuật OFDM và OFDMA trong WIMAX 2.1 Giới thiệu chương Trong chương này sẽ trình bày lần lượt các công nghệ của OFDM như... được khả năng của WIMAX có thể đáp ứng nhu cầu của mọi người như thế nào, ta có thể xem xét một số mô hình ứng dụng của WIMAX trong mạng nội bộ cũng như ở các dịch vụ công cộng 1.6 Kết luận chương Có thể nói WIMAX là chuẩn sẽ được mọi người mong đợi nhất vì tính ưu việt của nó trong thiết kế cũng như trong ứng dụng Hệ thống của WIMAX được tích hợp rất nhiều công nghệ nhanh và hiệu quả WIMAX sử dụng... THUẬT OFDM VÀ OFDMA TRONG WIMAX Trong một hệ thống OFDM, tài nguyên sẵn có trong miền thời gian chính là các sysbol OFDM và trong miền tần số chính là các 33ong mang con Tài nguyên về thời gian và tần số có thể được tổ chức thành các kênh con (sub-channel) cấp phát cho người 33ong OFDMA là một nguyên lý đa truy nhập-ghép kênh cung cấp khả năng ghép kênh các luồng dữ liệu từ nhiều người 33ong trên các kênh. .. các kênh con hướng lên 2.2.1.3 Biểu tượng pilot: Các biểu tượng Pilot đóng vài trò quan trọng trong việc cân bằng và ước lượng kênh Trong quá trình truyền tín hiệu, máy thu và máy phát cần phải báo cho nhau về tình trạng của kênh hay về tham số của bộ giải điều chế được sử dụng cho gói tin đã nhận được … thông tin này có thể lấy trong bản 33ong sysbol OFDM nhờ các 33ong mang Pilot 2.3 Kĩ thuật OFDMA trong. .. có độ lợi 6dB trong khi vẫn cải tiến được tín hiệu truyền phát bị suy giảm Kết quả là beamforming đem lại khả năng mở rộng hơn, thông lượng cao hơn và tăng khả năng phủ 21ong trong nhà (indoor) Với số lượng trạm gốc ít hơn để đạt được một dung lượng cụ thể trong một hệ thống, beam-forming là công nghệ anten thông minh thứ 3 được hợp nhất trong thông số kĩ thuật của WIMAX để tăng dung lượng hệ thống... tượng Pilot Kế tiếp là kỹ thuật OFDMA trong WIMAX bao gồm: cấu trúc biểu tượng OFDM và kênh con hóa, Scalable OFDMA, cấu trúc khung TDD và các đặc tính lớp vật lý cao cấp khác Về phần phân bố Rayleigh và Rice thì sẽ tìm hiểu thêm về phân bố của Rayleigh và phân bố Rice 2.2 Công nghệ điều chế OFDM: 2.2.1 Cơ sở của OFDM: Cơ sở ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM- Orthogonal Frequency Division... con được biểu thị như một kênh con (sub-channel), và mỗi thuê bao được chỉ định một hoặc nhiều kênh con để truyền phát dựa trên mỗi yêu cầu cụ thể và lưu lượng của mỗi thuê bao Hình 1.6 : Công nghệ OFDM và OFDMA Trang 16 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG WIMAX OFDMA có một số ưu điểm như khả năng linh hoạt tăng, thông lượng và tính ổn định được cải tiến Bằng việc ấn định các kênh con cho các thuê bao... kênh con nhất định trong một cell nhất định khác với các 17ong mang con tại cùng một kênh con đó trong một cell khác (VD : 17ong mang con trong kênh con 1 của cell 1 sẽ hoàn toàn khác với 17ong mang con của kênh con 1 trong cell 2) Sự hoán đổi giả ngẫu nhiên này có ảnh hưởng tương đối đến nhiễu Trang 17 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG WIMAX Điều này làm giảm tác động đối nghịch của hiện tượng nhiễu... 1 sysbol ) 2.3.2 Scalable OFDMA: Trang 35 Chương 2: KỸ THUẬT OFDM VÀ OFDMA TRONG WIMAX Chế độ OFDM cho mạng không dây diện rộng (Wireless MAN) theo chuẩn IEEE 16-e dựa trên kĩ thuật S-OFDMA S-OFDMA hỗ trợ nhiều dải băng thông khác nhau để xác định hoạt động nhu cầu cấp phát phổ khác nhau và các yêu cầu mô hình sử dụng Khả năng tỉ lệ được hỗ trợ nhờ điều chỉnh kích thước FFT trong khi vẫn giữ nguyên... này đều phổ biến trong các triển khai mạng không dây có mặt khắp nơi với số lượng người 13ong lớn Hình 1.1: Một số lược đồ điều chế theo thứ tự khác nhau Để biết được những tác động này, công nghệ OFDM, OFDMA và SOFDMA là những công nghệ truy cập mới cải tiến hỗ trợ kênh cần thiết để đạt được hiệu quả trải phổ cao hơn với thông lượng kênh cao hơn Những công nghệ mới này là nền tản cho WIMAX di động và . 23 1.5 Ứng dụng của WIMAX 24 1.6 Kết luận chương 27 Trang 3 Mục lục CHƯƠNG 2 : Kĩ thuật OFDM và OFDMA trong WIMAX 2.1 Giới thiệu chương 28 2.2 Công nghệ OFDM 28 2.2.1 Cơ sở của OFDM 28 2.2.1.1 Cơ. chuẩn bổ sung của WIMAX 12 1.4 Các công nghệ sử dụng trong WIMAX 13 1.4.1 Điều chế thứ tự cao hơn 13 1.4.1.1 Công nghệ OFDM 13 1.4.1.2 Công nghệ OFDMA 16 1.4.1.3 Công nghệ SOFDMA 18 1.4.1.4 Các. :Tổng quan về hệ thống WIMAX 1.1 Giới thiệu chương 10 1.2 Giới thiệu hệ thống WiMAX 10 1.2.1 WIMAX là gì ? 10 1.2.2 Lịch sử ra đời 10 1.2.3 Đặc điểm của WIMAX 11 1.3 Các chuẩn WIMAX 11 1.3.1 Chuẩn