OFDM và ỨNG DỤNG TRONG WIMAX

MỤC LỤC 1 DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ 3 DANH SÁCH CÁC BẢNG 4 DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 5 LỜI NÓI ĐẦU 10 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ OFDM 12 1.1 Nguyên lý cơ bản OFDM 12 1.1.1 Điều chế đa sóng mang 12 1.1.2 Nguyên lý cơ bản OFDM 16 1.2 Sơ đồ khối hệ thống OFDM 17 1.3 Những vấn đề cơ bản đặc thù của OFDM 20 1.3.1 Khoảng phòng vệ 20 1.3.2 Tích chập vòng và DFT 21 1.3.3 Tiếp đầu tuần hoàn 22 1.3.4 San bằng trong miền tần số 24 1.4 Ưu, nhược điểm hệ thống OFDM 25 1.4.1 Ưu điểm 25 1.4.2 Nhược điểm 27 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ WiMAX 29 2.1 Giới thiệu chung 29 2.1.1 WiMAX là gì? 30 2.1.2 Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản 31 2.1.3 Vai trò của WiMAX trong mạng viễn thông 37 2.2 Các chuẩn WiMAX 38 2.2.1 Chuẩn WiMAX cố định (IEEE 802.162004) 39 2.2.2 Chuẩn WiMAX di động (IEEE 802.16e2005) 40 2.3 Cấu hình tham chiếu mạng WiMAX 43 2.3.1 Nguyên lý thiết kế nói chung 43 2.3.2 Mô hình tham chiếu mạng WiMAX 45 CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG OFDM TRONG WiMAX 52 3.1 Tại sao phải ứng dụng OFDM trong WiMAX 52 3.2 Ứng dụng công nghệ OFDM trong WiMAX 54 3.2.1 Các vấn đề OFDM cơ bản 56 3.2.2 Các thông số OFDM trong WiMAX 58 3.2.3 Kênh con hoá: OFDMA 61 3.2.4 Cấu trúc khe và khung 63 3.2.5 Mã hoá và điều chế thích nghi trong WiMAX 66 3.2.6 Đa truy cập OFDMA 68 3.3 So sánh với WiFi, ADSL và truyền hình 73 3.3.1 Ứng dụng OFDM trong WiFi 73 3.3.2 Ứng dụng OFDM trong ADSL 75 3.3.3 Ứng dụng OFDM trong truyền hình DVBT 76 KẾT LUẬN 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO 83

MỤC LỤC MỤC LỤC 1 DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ 2 DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 4 LỜI NÓI ĐẦU 8 CHƯƠNG 1 10 GIỚI THIỆU VỀ OFDM 10 1.1 Nguyên lý cơ bản OFDM 10 1.1.1 Điều chế đa sóng mang 10 1.1.2 Nguyên lý cơ bản OFDM 14 1.3 Những vấn đề cơ bản đặc thù của OFDM 18 1.3.1 Khoảng phòng vệ 18 1.3.2 Tích chập vòng và DFT 19 1.3.3 Tiếp đầu tuần hoàn 20 1.3.4 San bằng trong miền tần số 23 1.4 Ưu, nhược điểm hệ thống OFDM 23 1.4.1 Ưu điểm 23 1.4.2 Nhược điểm 26 CHƯƠNG 2 27 TỔNG QUAN VỀ WiMAX 27 2.1 Giới thiệu chung 27 2.1.1 WiMAX là gì? 28 2.1.2 Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản 30 2.1.3 Vai trò của WiMAX trong mạng viễn thông 35 2.2 Các chuẩn WiMAX 37 2.2.1 Chuẩn WiMAX cố định (IEEE 802.16-2004) 38 2.2.2 Chuẩn WiMAX di động (IEEE 802.16e-2005) 39 2.3 Cấu hình tham chiếu mạng WiMAX 41 2.3.1 Nguyên lý thiết kế nói chung 42 2.3.2 Mô hình tham chiếu mạng WiMAX 44 ỨNG DỤNG OFDM TRONG WiMAX 50 1 3.1 Tại sao phải ứng dụng OFDM trong WiMAX 50 3.2 Ứng dụng công nghệ OFDM trong WiMAX 53 3.2.1 Các vấn đề OFDM cơ bản 55 3.2.2 Các thông số OFDM trong WiMAX 57 3.2.3 Kênh con hoá: OFDMA 60 3.2.4 Cấu trúc khe và khung 61 3.2.5 Mã hoá và điều chế thích nghi trong WiMAX 65 3.2.6 Đa truy cập OFDMA 67 3.3.1 Ứng dụng OFDM trong WiFi 72 3.3.2 Ứng dụng OFDM trong ADSL 74 3.3.3 Ứng dụng OFDM trong truyền hình DVB-T 75 KẾT LUẬN 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO 82 DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ MỤC LỤC 1 DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ 2 DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 4 LỜI NÓI ĐẦU 8 CHƯƠNG 1 10 GIỚI THIỆU VỀ OFDM 10 CHƯƠNG 2 27 TỔNG QUAN VỀ WiMAX 27 ỨNG DỤNG OFDM TRONG WiMAX 50 3.3.3 Ứng dụng OFDM trong truyền hình DVB-T 75 2 KẾT LUẬN 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO 82 DANH SÁCH CÁC BẢNG MỤC LỤC 1 DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ 2 DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 4 LỜI NÓI ĐẦU 8 CHƯƠNG 1 10 GIỚI THIỆU VỀ OFDM 10 CHƯƠNG 2 27 TỔNG QUAN VỀ WiMAX 27 ỨNG DỤNG OFDM TRONG WiMAX 50 3.3.3 Ứng dụng OFDM trong truyền hình DVB-T 75 KẾT LUẬN 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO 82 3 DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT AAA Authentication, Authorization, and Accounting Nhận thực, cho phép và tính toán ACK ACKnowledgment Xác nhận ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line Đường dây thuê bao số bất đối xứng AES Advanced Encryption Standard Chuẩn mã hoá mật tiên tiến ASP Application Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ ứng dụng ASN Acess Service Network Mạng dịch vụ truy cập ASN-GW ASN gateway ASN gateway ASS Advanced Antenna System Hệ thống anten tiên tiến AMC Adaptive Modulation and Coding Mã hoá và điều chế thích nghi ARQ Automatic Retransmission Request Yêu cầu truyền lại tự động CDMA Code Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo mã 4 BLER BLock Error Rate Tỉ lệ lỗi khối BPSK Binary Phase Shift Keying Khoá dịch pha nhị phân BS Base Station Trạm gốc BWA Broadband Wireless Access Truy cập vô tuyến băng rộng CP Cyclic Prefix Tiếp đầu tuần hoàn CPE Customer Premises Equipment Thiết bị trong nhà khác hàng CQICH Channel-Quality Indicator Channel kênh chỉ định chất lượng kênh CSN Connectivity Service Network Mạng dịch vụ kết nối DFT Decret Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc DP Decision Point Điểm quyết định DS- CDMA Direct Sequence CDMA CDMA chuỗi trực tiếp DSL Digital Subscriber Line Đường dây thuê bao số DVB-H Digital Video Broadcast- Handheld Truyền hình số cho thiết bị cầm tay EAP Extensible Authentication Protocol Giao thức nhận thực có thể mở rộng EDGE Enhanced Data Rate For GSM Evolution Tốc độ dữ liệu nâng cao cho sự phát triển GSM EP Enforcement Point Điểm nâng cao ETH-CS Ethernet Convergence Sublayer Lớp con hội tụ Ethernet FCH Frame Control Header Header điều khiển khung FDD Frequencies Division Duplex Song công phân chia theo tần số FDM Frequencies Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số FEC Forward Error Correction Mã sửa lỗi hướng đi FFT Fast Fourier Transform Biến đổi ngược Fourier FIR Finite Impulse Response Đáp ứng xung hạn chế GI Guard Interval Khoảng phòng vệ GPRS General Package Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp 5 GSM Globle System For Mobile Communication Hệ thống liên lạc di động toàn cầu ICI Inter-Channel Interference Nhiễu xuyên kênh IDFT Inverse Decret Fourier Transform Biến đổi ngược Fourier rời rạc IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers Hiệp hội các Kỹ Sư Điện và Điện Tử IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi ngược Fourier nhanh IETF Internet Engineering Task Force Lực lượng quản lý kỹ thuật IGMP Internet Group Management Protocol Giao thức quản lý nhóm Internet IP Internet Protocol Giao thức Internet ISI Inter Symbol Interference Xuyên nhiễu giữa các ký tự KEK Key Encryption Key Khoá mã mật cơ bản LDPC Low-Density Parity Check Mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp LOS Line-Of-Sight Tầm nhìn thẳng MAC Media Access Control Điều khiển truy cập môi trường MS Mobile Station Trạm di động NAP Network Access Provider Nhà cung cấp truy cập mạng NLOS Non–Line-Of-Sight Tầm nhìn bị che khuất NRM Network Reference Model Mô hình tham chiếu mạng NSP Network Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ mạng NWG Network Working Group Nhóm nghiên cứu mạng OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Acess Đa truy cập phân chia theo tần số trực giao PDA Personal Digital Assistant Thiết bị trợ giúp cá nhân kỹ thuật số PEP Policy Enforcement Point Điểm nâng cao chính sách 6 PUSC Partial Usage of Subcarriers Sử dụng một phần các sóng mang con QoS Quality Of Service Chất lượng dịch vụ QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phương QPSK Quadature Phase Shift Keying Khoá dịch pha cầu phương RF Radio Frequency Tần số vô tuyến RFC Request For Comments Đề nghị duyệt thảo và bình luận RP Reference Point Điểm tham chiếu RRM Radio Resource Manegement Quản lý nguồn vô tuyến RSVP Resource Reservation Protocol Giao thức nguồn dành riêng SC Single Carrier Sóng mang đơn SFA Service Flow Authorization Cho phép luồng dịch vụ SINR Signal to Interference and Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm và nhiễu SLA Service-Level Agreements Các thoả thuận mức dịch vụ SNR Signal-To-Noise Ratio Tỷ số tín/tạp SS Subscriber Station Trạm thuê bao TDD Time Division Duplex Song công phân chia theo thời gian TDM Time Division Multplexing Ghép kênh phân chia theo thời gian TDMA Time Division Multple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian TEK Traffic Encryption Key Khoá mã mật lưu lượng UNII Unlicenced National Information Infrastructure Hạ tầng thông tin quốc gia không cấp phép VLAN Virtual Local Area Networking Mạng cục bộ ảo VPN Virtual Private Network Mạng riêng ảo WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục bộ không dây WMAN Wireless Metropolitan Area Mạng đô thị không dây 7 Network WIMAX Worldwide Interoperability for Microwave Acess Khả năng tương tác toàn cầu đối với truy cập vi ba 3GPP Third Generation Partnership Project Tổ chức chuẩn hóa công nghệ mạng thông tin di động tế bào LỜI NÓI ĐẦU Trong vài năm gần đây công nghệ WiFi IEEE 802.11 đã gặt hái được những thành công rực rỡ với minh chứng là nó được triển khai rộng rãi khắp nơi. Hầu như tất cả các máy tính cá nhân, điện thoại thông minh, PDA đều được tích hợp WiFi. Tốc độ dữ liệu của WiFi có thể đạt được 54Mpbs. Tuy nhiên vùng phủ sóng của WiFi chỉ hạn chế ở tầm vài chục đến vài trăm mét. Để đáp ứng nhu cầu phủ sóng xa hơn, WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) là một công nghệ truy nhập không dây băng thông rộng mới, dựa trên chuẩn IEEE 802.16 đã ra đời. WiMax gần giống với Wi-Fi nhưng được cải thiện khá nhiều để có thể tăng tốc độ truyền dẫn dữ liệu tới 70 Mbps với phạm vi hoạt động 2-10 km trong khu vực thành thị và 50 km tại những vùng hẻo lánh. Một trong những yêu cầu chính trong hệ thống vô tuyến băng rộng là khả năng hoạt động trong các điều kiện không có tầm nhìn thẳng NLOS (Non Line Of Sight). Hoạt động trong các điều kiện như vậy là một vấn đề gây rất nhiều khó khăn và hạn chế đối với các nhà khai thác viễn thông khi cung cấp dịch vụ cho các khách hàng tiềm năng. Do các vấn đề về nhiễu và các vấn đề về đa đường, một số công nghệ trước đây cũng đã đưa ra giải pháp điều chế sóng mang đơn dùng cho các ứng dụng NLOS nhưng cũng chưa mang lại hiệu quả cao. Thay vào đó là sự ra đời của kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao – OFDM (Orthogonal 8 Frequency Division Multiplexing). Đây chính là một bước đột phá trong thị trường truy cập vô tuyến băng rộng. Chính từ những vấn đề cơ bản như vậy nên tôi đã lựa chọn nghiên cứu về OFDM và WiMAX, với tên đồ án là “OFDM và ứng dụng trong WiMAX ”. Đồ án tốt nghiệp của tôi chia làm 3 chương với nội dung cụ thể như sau: Chương 1: Giới thiệu về OFDM Tìm hiểu về nguyên lý cơ bản OFDM, sơ đồ khối hệ thống OFDM, các vấn đề cơ bản đặc thù và những ưu nhược điểm của OFDM. Chương 2: Tổng quan về WiMAX Trong chương II tôi xin trình bày những hiểu biết của mình về công nghệ WiMAX, các chuẩn WiMAX và mô hình tham chiếu của hệ thống WiMAX. Chương 3: OFDM và ứng dụng trong WiMAX Chương này giới thiệu về việc công nghệ OFDM được ứng dụng như thế nào trong hệ thống WiMAX và đưa ra những so sánh với việc ứng dụng OFDM trong một số hệ thống thông tin khác. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo, Đại tá, PGS, TS Nguyễn Quốc Bình, người đã hướng dẫn tôi rất tận tình, cùng các thầy cô giáo trong bộ môn thông tin đã tạo mọi điều kiện tốt nhất giúp tôi hoàn thành đồ án tốt nghiệp đúng tiến độ. Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên Phạm Thị Vân Anh 9 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ OFDM 1.1 Nguyên lý cơ bản OFDM Trong thông tin vô tuyến, công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) nằm trong lớp các kỹ thuật điều chế đa sóng mang. Do đó trước khi tìm hiểu về nguyên lý cơ bản OFDM, chúng ta xem xét về nguyên lý điều chế đa sóng mang. 1.1.1 Điều chế đa sóng mang Ý tưởng điều chế đa sóng mang hình thành từ mong muốn có được tốc độ truyền dữ liệu cao và các kênh truyền không có ISI (Inter Symbol Interference). Để kênh truyền không có ISI thì thời gian symbol phải đủ lớn và thường thì lớn hơn trải trễ lớn nhất của kênh ∆τ max . Đối với các kênh băng rộng cung cấp tốc độ cao ngày nay, thời gian tồn tại của symbol thường nhỏ hơn rất nhiều độ trải trễ của kênh nên ISI rất lớn. Để khắc phục vấn đề này, điều chế đa sóng mang chia độ rộng băng thông kênh có sẵn B thành L băng con được gọi chung là các sóng mang con như được minh hoạ trong hình 1.1. Như vậy mỗi sóng mang con có độ rộng là ∆f = B/L. Số lượng các luồng con được chọn sao cho độ rộng băng thông mỗi kênh con nhỏ hơn rất nhiều độ rộng băng kết hợp của kênh nên các kênh con này chịu ảnh hưởng của pha đinh tương đối phẳng. Như vậy thay vì phát luồng bit nối tiếp tốc độ cao R thì máy phát đa sóng mang chia luồng dữ liệu đó thành L luồng con tốc độ thấp hơn, symbol của mỗi luồng con này có thời gian tồn tại T. Có thể dễ 10 [...]... Mt s c im ni bt v ch tiờu k thut c bn ca WiMAX c lit kờ di õy: Lp vt lý da trờn OFDM: Lp vt lý WiMAX da trờn OFDM, õy l s khc phc tt truyn lan a ng v cho phộp WiMAX hot ng trong cỏc iu kin NLOS (NonLine-Of-Sight) Ngy nay OFDM c tha nhn nh l mt phng phỏp kh thi cho truyn dn a ng vụ tuyn bng rng Cỏc tc d liu nh rt cao: WiMAX cú th h tr cỏc tc d liu nh rt cao Trong thc t, tc d liu PHY nh cú th t ti... c hp lý So sỏnh vi mng hu tuyn phc tp, mt h thng WiMAX ch bao gm 2 phn: trm gc WiMAX BS (Base Station) v trm thuờ bao WiMAX SS (Subscriber Station) c xem nh l cỏc thit b trong nh khỏch hng Do ú cú th xõy dng nhanh chúng vi mt chi phớ thp Mt cỏch c bn, WiMAX c xem nh l mt bc tip theo cú th c la chn trong con ng tin hoỏ cụng ngh di ng 2.1.1 WiMAX l gỡ? WiMAX l kh nng tng tỏc ton cu i vi truy cp vi ba... thp TDD c yờu thớch hn vỡ nhng u im ca nú: (1) s linh hot trong vic la chn t l tc d liu ng lờn ti ng xung, (2) kh nng trin khai s nhõn nhng kờnh, (3) kh nng 31 thc hin trong ph khụng i xng, v (4) ớt phc tp trong vic thit k mỏy phỏt Tt c cỏc cu hỡnh WiMAX ban u u da trờn TDD, ngoi tr 2 cu hỡnh WiMAX c nh bng tn 3.5 GHz OFDMA: WiMAX di ng s dng OFDM nh l mt k thut a truy cp, ú nhng ngi s dng khỏc nhau... súng mang con khỏc 1.2 S khi h thng OFDM Hỡnh 1.6 biu din h thng OFDM s dng IFFT (Inverse Fast Fourier Transform) v FFT (Fast Fourier Transform) tng ng l b iu ch mỏy 15 phỏt v b gii iu ch mỏy thu v cú s dng tip u tun hon CP ( Cyclic Prefix) Hỡnh 1.6 S khi h thng OFDM Chc nng c bn ca cỏc khi trong s khi h thng OFDM: B chuyn i ni tip thnh song song: Trong h thng OFDM, mt lung d liu tc ln u vo (R... cỏc symbol OFDM ny c lp vi nhau thỡ cn thit phi s dng mt khong phũng v gia chỳng Hỡnh 1.7 minh ho iu ny Nh vy vi khong phũng v gia cỏc symbol OFDM ln hn tri tr ln nht ca kờnh max thỡ mi symbol ny ch gõy nhiu cho chớnh nú Núi cỏch khỏc, vic truyn OFDM ch cú th to ra ISI trong bn thõn mt symbol OFDM v khi khong phũng v ln thỡ nú s m bo khụng cú nhiu ln nhau gia cỏc symbol OFDM k cn nh c ch ra trong hỡnh... c phỏt nh trong hỡnh (1.9) to ra mt tớn hiu x[n]L, v vỡ vy ta cú th tớnh c tớn hiu u thu theo cụng thc y[n]=x[n] h[n] 20 Hỡnh 1.9 Tip u tun hon OFDM Nu tri tr ln nht ca kờnh cú khong thi gian l + 1 mu thỡ vic thờm mt khong phũng v vi ớt nht l mu gia cỏc symbol OFDM lm cho mi symbol OFDM c lp vi cỏc symbol trc v sau nú, v vỡ vy ch cn xem xột mt symbol OFDM n l To ra mt symbol OFDM nh vy trong min... s, nờn cha thy cú kh nng cú bng tn cp cho WBA /WiMAX di bng ny 2.1.3 Vai trũ ca WiMAX trong mng vin thụng WiMAX úng vai trũ quan trng trong mng vin thụng vỡ nú l mt cụng ngh c lp cho phộp truy cp bng rng c nh v di ng Chun WiMAX l cn thit t mc tiờu chi phớ thp hn õy l iu m cỏc gii phỏp vụ tuyn c quyn khụng th t c do nhng hn ch v s lng Cỏc gii phỏp 35 WiMAX cú kh nng tng thớch cho phộp gim bt chi phớ... iu ch a súng mang, ngi ta s dng phng phỏp iu ch a súng mang trc giao OFDM 1.1.2 Nguyờn lý c bn OFDM OFDM l mt dng c bit ca ghộp kờnh phõn chia theo tn s thụng thng FDM (Frequency Division Multiplexing), trong ú rng bng thụng kờnh cú sn c chia thnh cỏc bng con, hay cũn gi l cỏc súng mang con Hn na cỏc súng mang con trong mt h thng OFDM chng ln lờn nhau ti a hoỏ hiu qu bng thụng Thụng thng, cỏc kờnh... trc khi a vo b quyt nh 1.4 u, nhc im h thng OFDM 1.4.1 u im Ngy nay, OFDM c ng dng rng rói trong nhiu h thng thụng tin, c bit l cỏc h thng thụng tin vụ tuyn bng thụng rng bi vỡ nú cú nhiu u im ni bt a, Hiu qu s dng bng thụng Trong mt h thng FDM truyn thng, mi kờnh con c t cỏch nhau bi khong phũng v m bo cỏc kờnh lõn cn khụng nhiu ln nhau Trong khi ú h thng OFDM cú cỏc kờnh con chng ln lờn nhau Do ú... ho trong hỡnh 1.12 23 Hỡnh 1.12 Hiu qu s dng ph ca OFDM Theo lý thuyt, cỏc b iu ch s M-mc s dng OFDM cú th t c hiu qu bng thụng l log2 M ( bit / s / Hz) iu ny c chng minh nh sau Ta cú tc symbol ca lung d liu ni tip l 1/t, v tc bit cho mt h thng M-mc tng ng l log2 M Tuy nhiờn trong h thng OFDM, mi Dt kờnh con phỏt vi tc nh hn L ln thỡ tc bit l log2 M rng bng L Dt thụng tng cng ca h thng OFDM . mạng WiMAX 44 ỨNG DỤNG OFDM TRONG WiMAX 50 1 3.1 Tại sao phải ứng dụng OFDM trong WiMAX 50 3.2 Ứng dụng công nghệ OFDM trong WiMAX 53 3.2.1 Các vấn đề OFDM cơ bản 55 3.2.2 Các thông số OFDM trong. công nghệ WiMAX, các chuẩn WiMAX và mô hình tham chiếu của hệ thống WiMAX. Chương 3: OFDM và ứng dụng trong WiMAX Chương này giới thiệu về việc công nghệ OFDM được ứng dụng như thế nào trong hệ. trong WiMAX 57 3.2.3 Kênh con hoá: OFDMA 60 3.2.4 Cấu trúc khe và khung 61 3.2.5 Mã hoá và điều chế thích nghi trong WiMAX 65 3.2.6 Đa truy cập OFDMA 67 3.3.1 Ứng dụng OFDM trong WiFi 72 3.3.2 Ứng