Mạng Wimax và kỹ thuật điều chế OFDM trong mạng Wimax

i LỜI CAM ðOAN Tên tôi là: Lê Minh Cường Học viên lớp Cao học khoá 13 - Kỹ thuật ñiện tử - Trường ðại học Kỹ thuật Công nghiệp – ðại học Thái Nguyên Xin cam ñoan ñề tài: “Mạng Wimax và kỹ thuật ñiều chế OFDM trong mạng Wimax” ñược sự hướng dẫn của PGS.TS. Lê Bá Dũng – Viện Công Nghệ Thông Tin là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực, ñúng như trong ñề cương và chưa từng ñược ai công bố. Các tài liệu tham khảo ñều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Thái Nguyên, ngày tháng năm 2012 Học viên Lê Minh Cường. ii LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình học tập và làm luận văn tốt nghiệp, tôi ñã nhận ñược sự giúp ñỡ tận tình của các thầy giáo, cô giáo trong bộ môn ðiện tử viễn thông - Khoa ðiện tử - Trường ðại học Kỹ thuật Công nghiệp – ðại học Thái Nguyên. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn ñến với các thầy giáo, cô giáo và khoa Sau ñại học vì sự giúp ñỡ tận tình này. Tôi ñặc biệt cảm ơn thầy giáo PGS.TS. Lê Bá Dũng – Viện Công Nghệ Thông Tin ñã tận tình giúp ñỡ, hướng dẫn tôi trong thời gian thực hiện ñề tài này. Tôi xin cảm ơn sự giúp ñỡ, ñộng viên của gia ñình, bạn bè, ñồng nghiệp trong suốt thời gian qua. Mặc dù ñã cố gắng hết sức, song do ñiều kiện thời gian và kinh nghiệm thực tế của bản thân còn ít, cho nên ñề tài không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tôi rất mong nhận ñược sự ñóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn ñồng nghiệp. Tôi xin chân thành cảm ơn! Tác giả luận văn Lê Minh Cường. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iii MỤC LỤC Trang Lời cam ñoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh từ viết tắt v Danh sách bảng biểu vii Danh sách hình vẽ viii Lời nói ñầu xi Chương I. GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX 1.1. Tổng quan về mạng không dây băng rộng 1 1.1.1. Các khái niệm về mạng không dây băng rộng 1 1.1.2. Vài nét về những mạng không dây ñang tồn tại 2 1.2. Khái niệm về công nghệ WiMAX 4 1.2.1. WiMAX là gì 4 1.2.2. Giới thiệu các chuẩn IEEE 802.16 5 1.2.3. Truyền sóng tần nhìn thẳng và tầm nhìn hạn chế (LOS & NLOS) 7 1.2.4.Các mô hình ứng dụng 8 1.2.5. Tần số làm việc và ñộ và ñộ rộng kênh truyền 12 1.3 ðặc ñiểm của Wimax 12 1.4. Cấu hình mạng 13 1.4.1. Cấu hình ñiểm – ñiểm PP 13 1.4.2. Cấu hình ñiểm – ña ñiểm PMP 13 1.4.3. Cấu hình mắt lưới MESH 14 Chương II. CẤU TRÚC PHÂN TẦNG TRONG WIMAX 2.1. Chuẩn IEEE 802.16d (IEEE 802.16-2004) 17 2.1.1.Lớp vật lý 17 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iv 2.1.2.Lớp ñiều khiển truy cập môi trường 27 2.2. Chuẩn IEEE 802.16e (IEEE 802.16 - 2005) 36 2.2.1. Lớp vật lý 36 2.2.2. Mô tả lớp MAC 39 Chương III. KỸ THUẬT ðIỀU CHẾ OFDM TRONG MẠNG WIMAX 3.1. Giới thiệu về OFDM 41 3.1.1. Lịch sử phát triển 41 3.1.2. Tổng quan về OFDM 42 3.2. Từ ñiều chế ñơn sóng mang ñến ñiều chế trực giao OFDM 44 3.2.1. Phương pháp ñiều chế ñơn sóng mang 44 3.2.2. Phương pháp ñiều chế ña sóng mang OFDM 45 3.2.3. OFDM Symbol 59 3.3. Kỹ thuật OFDMA trong WIMAX 61 3.3.1. Sử dụng nguyên lý OFDM cho mục ñích ña truy nhập 61 Chương IV. MÔ PHỎNG THU PHÁT TÍN HIỆU OFDM 4.1. Mô phỏng quá trình ñiều chế OFDM 66 4.1.1. Sử dụng matlab 66 4.1.2 Một số ứng dụng của công nghệ OFDM 72 4.2. Phụ lục chương trình 74 KẾT LUẬN 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO 78 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CHỮ VIẾT TẮT AM Amplitude modulation ðiều chế biên ñộ ATM Asynchronous transfer mode Chế ñộ truyền dị bộ BPSK Binary Phase Shift keying Khóa dịch pha nhị phân BS Base station Trạm gốc CDMA Code division multiplex access ða truy nhập phân chia theo mã CID Connection Identifier Bộ nhận dạng kết nối UL Uplink Hướng lên WIMAX Worldwide Interoperability for Micoware Access Khả năng tương tác toàn cầu ñối với truy cập viba WLAN Wireless local Area Network Mạng cục bộ không dây WMAN Wireless Metropolitian Area Network Mạng ñô thị không dây WPAN Wireless Personal Area Network Mạng cá nhân không dây CPE Customer Premise Equipment Thiết bị tại nhà khách hàng CSMA Carrier sense multiple access ða truy nhập dò sóng mang DL Downlink ðường xuống FDD Frequency Division Duplex Song công theo tần số FDMA Frequency division multiple access ða truy nhập phân chia theo tần số FEC Forward Error Correction Mã hóa sửa lỗi trước FFT Fast Fourier transform Biến ñổi Fourier nhanh FM Frequency Modulation ðiều tần OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing ða truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA Orthogonal frequency division multiplexing access ða truy nhập chia tần số trực giao Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn vi OSI Open system interconnection Kết nối liên hệ thống mở PDA Personal Digital Assistant Thiết bị hỗ trợ kỹ thuật số cá nhân PDU Protocol Data unit ðơn vị dữ liệu thủ tục PHY Physical Layer Lớp vật lý PS Physical slot Khe vật lý QAM Quadrature amplitude modulation ðiều chế biên ñộ cầu phương Q o S Quality of Service Chất lượng dịch vụ QPSK Quadrature phase shift keying Khóa dịch pha cầu phương RSA Rivest, Shamir, Adleman Tên của 3 nhà phát minh IP Internet protocal Giao thức Internet ISI Inter symbol interference Nhiễu liên ký hiệu LAN Local Area Network Mạng cục bộ LOS Line of sight Tầm nhìn thẳng MAC Medium Access Control layer Lớp ñiều khiển truy cập môi trường NLOS Non Light of Sight Truyền sóng không trực xạ SF Service flow Luồng dịch vụ SNR Signal – to – noise ratio Tỷ lệ tín hiệu tạp âm TDD Time Division Duplexing Song công theo thời gian TDMA Time division multiple access ða truy nhập phân chia thời gian IFFT Inverse Fast Fourier tranform Biến ñổi Fourier ngược nhanh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Bảng 1.1 Tóm tắt các chuẩn 802.16 cơ bản 6 Bảng 2.2 Các loại khóa bảo mật sử dụng trong IEEE 802.16 - 2004 35 Bảng 3.1 Ví dụ biểu ñồ tần số, thời gian với OFDMA 62 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn viii DANH MỤC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Minh họa các mạng không dây 3 Hình 1.2 Các chuẩn 802.16 tiêu biểu 5 Hình 1.3 Sự khác nhau giữa LOS và NLOS 7 Hình 1.4 Mô hình ứng dụng WIMAX 9 Hình 1.5 Mô hình ứng dụng WIMAX di ñộng 10 Hình 1.6 Cấu hình PMP 14 Hình 1.7 Cấu hình mesh 15 Hình 2.1 Vị trí tương ñối của PHY và MAC só với OSI 16 Hình 2.2 Ví dụ về dải tần FDD 18 Hình 2.3 Cấu trúc khung TDD 19 Hình 2.4 Cấu trúc khung con ñường lên TDD 21 Hình 2.5 Khung con DL FDD 22 Hình 2.6 Các sử dụng các khối FEC ñược thu ngắn lại - trường hợp TDM 24 Hình 2.7 Khuôn dạng của lớp con hội tụ truyền PDU 24 Hình 2.8 Các sử dụng các khối FEC ñược thu ngắn lại - trường hợp TDMA. 25 Hình 2.9 Cấu trúc khung con ñường xuống 26 Hình 2.10 Cấu trúc WIMAX OFDMA 37 Hình 3.1 So sánh sự sử dụng băng thông giữa FDM và OFD 43 Hình 3.2 Biểu diễn phổ tín hiệu trong miền thời gian 44 Hình 3.3 (a) phổ tín hiệu của một sóng mang con 46 (b) phổ tín hiệu OFDM với 5 sóng mang con 46 Hình 3.4 Nguyên lý trực giao 47 Hình 3.5 Mật ñộ phổ của tín hiệu ña sóng mang 47 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ix Hình 3.6 Hệ thống ña sóng mang 48 Hình 3.7 Nguyên lý tạo một ký hiệu OFDM 51 Hình 3.8 Dạng sóng của một ký hiêu OFDM 52 Hình 3.9 Nguyên lý của quá trình giải ñiều chế OFDM 53 Hình 3.10 Hiện tượng trễ gây xuyên nhiễu giữa các symbol 55 Hình 3.11 Thêm CP vào ký hiệu OFDM 56 Hình 3.12 OFDM trong miền thời gian 59 Hình 3.13 Cấu trúc Symbol OFDM trong miền tần số 60 Hình 3.14 OFDM và OFDMA 62 Hình 4.1 Sơ ñồ khối thu phát OFDM 64 Hình 4.2 Sơ ñồ khối hệ thống OFDM cơ bản 65 Hình 4.3 Mô phỏng sự phát tín hiệu OFDM 66 Hình 4.4 ðáp ứng thời gian của tín hiệu các sóng mang tại ñiểm (B) 66 Hình 4.5 ðáp ứng tần số của tín hiệu các sóng mang tại ñiểm (B) 66 Hình 4.6 Dạng xung g(t) 67 Hình 4.7 ðáp ứng bộ lọc D/A. 67 Hình 4.8 ðáp ứng thời gian của tín hiệu U tại ñiểm (C) 69 Hình 4.9 ðáp ứng tần số của tín hiệu U tại ñiểm (C) 69 Hình 4.10 ðáp ứng thời gian của mô phỏng trực tiếp của 2.1.4 69 Hình 4.11 ðáp ứng tần số của mô phỏng trực tiếp của 2.1.4 và IFFT 69 Hình 4.12 ðáp ứng thời gian của tín hiệu UOFT tại ñiểm (D) 70 Hình 4.13 ðáp ứng tần số của tín hiệu UOFT tại ñiểm (D) 70 Hình 4.14 Mô phỏng sự thu OFDM 71 Hình 4.15 ðáp ứng thời gian của tín hiệu r_tilde tại ñiểm (F) 71 Hình 4.16 ðáp ứng tần số của tín hiệu r_tilde tại ñiểm (F) 71 Hình 4.17 ðáp ứng thời gian của tín hiệu r_info tại ñiểm (G) 71 Hình 4.18 ðáp ứng tấn số của tín hiệu r_info tại ñiểm (G) 71 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn x Hình 4.19 ðáp ứng thời gian của tín hiệu r_data tại ñiểm (H) 72 Hình 4.20 ðáp ứng tần số của tín hiệu r_data tại ñiểm (H) 72 Hình 4.21 Chòm ñiểm info_h 72 Hình 4.22 Chòm ñiểm a_hat 72 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn [...]... ch ng l i tr lan truy n c a OFDM V i nh ng l ñó nghiên c u k thu t ñi u ch OFDM và th nghi m s d ng trong m ng băng thông r ng là m t ñi u c n thi t, và c p bách trư c khi tri n khai m ng băng thông r ng nư c ta N m b t ñư c yêu c u ñó và ñư c s g i ý c a th y hư ng d n, tôi m nh d n ñ t ra ñ tài cho khoá lu n t t nghi p là: “M ng wimax và k th t ñi u ch OFDM trong m ng wimax Lu n văn có c u trúc... 32-134Mbps trư ng . lớp Cao học khoá 13 - Kỹ thuật ñiện tử - Trường ðại học Kỹ thuật Công nghiệp – ðại học Thái Nguyên Xin cam ñoan ñề tài: Mạng Wimax và kỹ thuật ñiều chế OFDM trong mạng Wimax ñược sự hướng. III. KỸ THUẬT ðIỀU CHẾ OFDM TRONG MẠNG WIMAX 3.1. Giới thiệu về OFDM 41 3.1.1. Lịch sử phát triển 41 3.1.2. Tổng quan về OFDM 42 3.2. Từ ñiều chế ñơn sóng mang ñến ñiều chế trực giao OFDM . nghiệp là: Mạng wimax và kỹ thật ñiều chế OFDM trong mạng wimax Luận văn có cấu trúc gồm 4 chương như sau: Chương I: Giới thiệu về công nghệ WIMAX Chương II: Cấu trúc phân tầng trong WIMAX Chương