TIỂU LUẬN MÔN CÔNG NGHỆ VỆ TINH KỸ THUẬT XỬ LÝ TÍN HIỆU TRONG WIMAX

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HÔ CHÍ MINH ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN oOo BÁO CÁO ĐỀ TÀI: KỸ THUẬT XỬ LÝ TÍN HIỆU TRONG WIMAX MÔN: CÔNG NGHỆ VỆ TINH GIẢNG VIÊN: Thầy: Trần Bá Nhiệm NHÓM SINH VIÊN THỰC HIỆN: Lý Tuấn Anh – 08520011 Lê Hoàng Chánh – 08520036 Nguyễn Chí Duy Đức – 08520100 TP. HỒ CHÍ MINH, 01/05/2013 MỤC LỤC Lời giới thiệu CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX 1.1 Giới thiệu về WiMAX 1 1.2 Mô hình hệ thống 1 1.3 Các ưu nhược điểm của WiMAX 4 1.3.1 Một số ưu điểm chính của công nghệ WiMAX 4 1.3.2 Một số nhược điểm của công nghệ WiMAX 5 1.4 Cấu trúc của WiMAX 6 1.4.1 Các đặc tính của lớp vật lý (PHY) 6 1.4.2 Các đặc tính của lớp truy nhập (MAC) 7 1.5 So sánh WiMAX với WiFi 8 1.6 Các dải tần áp dụng 9 1.6.1 Các dải tần cấp phép 11-66 GHz 9 1.6.2 Các dải tần cấp phép dưới 11 GHz 9 1.6.3 Các dải tần được miễn cấp phép dưới 11 GHz (chủ yếu từ 5-6 GHz 10 1.7 Ứng dụng của WiMAX 10 1.7.1 Các mạng riêng 10 1.7.2 Các mạng công cộng 15 CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM 2.1 Giới thiệu kỹ thuật điều chế OFDM 18 2.1.1 Khái niệm 18 2.1.2 Lịch sử phát triển 19 2.1.3 Các ưu nhược điểm của kỹ thuyật OFDM 20 2.2 Nguyên lý điều chế OFDM 21 2.2.1 Sự trực giao của hai tín hiệu 21 2.2.2 Sơ đồ điều chế 22 2.2.3 Thực hiện điều chế bằng thuật toán IFFT 23 2.2.4 Chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM 24 2.2.5 Phép nhân với xung cơ bản 25 2.3 Nguyên lý giải điều chế OFDM 26 2.3.1 Truyền dẫn phân tập đa đường 26 2.3.2 Nguyên tắc giải điều chế 27 2.4 Ứng dụng và hướng phát triển của kỹ thuật điều chế OFDM 29 2.4.1 Hệ thống DRM 29 2.4.2 Các hệ thống DVB 30 CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT OFDMA TRONG WIMAX 3.1 Giới thiệu kỹ thuật OFDMA 35 3.2 Đặc điểm 35 3.3 OFDMA nhảy tần 36 3.4 Hệ thống OFDMA 37 3.4.1 Chèn chuỗi dẫn đường ở miền tần số và miền thời gian 41 3.4.2 Điều chế thích nghi 42 3.4.3 Các kỹ thuật sửa lỗi 43 3.5 Điều khiển công suất 48 CHƯƠNG 4: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG OFDM 4.1 Mô phỏng hệ thống OFDM bằng simulink 49 4.2 Một số lưu đồ thuật toán của chương trình 52 4.2.1 Lưu đồ mô phỏng kênh truyền 52 4.2.2 Lưu đồ mô phỏng thu phát tín hiệu OFDM 53 4.2.3 Lưu đồ mô phỏng thu phát tín hiệu QAM 54 4.2.4 Lưu đồ mô phỏng thuật toán tính BER 55 4.3 So sánh tín hiệu QAM và OFDM 56 Kết luận và hướng phát triển 58 LỜI GIỚI THIỆU Sự ra đời của chuẩn 802.16 cho mạng WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access - Khả năng tương tác toàn cầu với truy nhập vi ba) nó đánh dấu sự bắt đầu cho một kỷ nguyên truy nhập không dây băng rộng cố định đang đến giai đoạn phát triển. Nó mang đến những thách thức lớn cho mạng hữu tuyến hiện tại vì nó có một chi phí thấp khi lắp đặt và bảo trì. Chuẩn này cũng áp dụng cho mạng truyền thông vô tuyến đường dài (lên tới 50km) trong thực tế và có thể sẽ là một sự bổ sung hoặc thay thế cho mạng 3G. Tất cả những đặc tính đầy hứa hẹn này của WiMAX sẽ mang lại một thị trường lớn trong tương lai. Xuất phát từ những vấn đề nêu trên, em đã lựa chọn đề tài “KỸ THUẬT XỬ LÝ TÍN HIỆU TRONG WiMAX”. Mục tiêu đầu tiên của đồ án này là nghiên cứu những đặc tính mới của WiMAX và tập trung chủ yếu vào việc phân tích lớp vật lý và lớp truy nhập. Mục tiêu thứ hai là tìm hiểu về kỹ thuật điều chế OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiple – Ghép kênh phân tần trực giao) và kỹ thuật OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access - Đa truy nhập phân tần trực giao) được sử dụng trong WiMAX Mục tiêu thứ ba là thực hiện việc mô phỏng quá trình xử lý tín hiệu trongWiMAX dựa trên kỹ thuật OFDM Nội dung đồ án gồm 4 chương chính như sau : Chương 1: Tổng quan về công nghệ WiMAX Trong chương 1 này sẽ trình bày về những khái niệm cơ bản, về cấu trúc, cácbăng tần sử dụng, các ứng dụng thực tế và những ưu nhược điểm của công nghệ WiMAX. Chương 2: Kỹ thuật điều chế OFDM Trong chương 2 sẽ trình bày những khái niệm cơ bản, ưu nhược điểm, nguyên lý điều chế và giải điều chế của kỹ thuật điều chế OFDM, và những ứng dụng của kỹ thuật này. Chương 3: Kỹ thuật OFDMA trong WiMAX Trong chương này sẽ trình bày về những khái niệm cơ bản, các đặc điểm và tính chất nổi bật của kỹ thuật đa truy nhập phân tần trực giao OFDMA. Qua đó chúng ta có thể thấy được những ưu điểm của kỹ thuật này trong việc xử lý truyềnnhận tín hiệu nói chung và ứng dụng trong công nghệ WiMAX nói riêng. Chương 4: Chương trình mô phỏng hệ thống OFDM Để hiểu hơn những vấn đề lý thuyết được trình bày trong những chương trước.Trong chương cuối cùng này, sẽ trình bày chương trình mô phỏng quá trình xử lýtín hiệu trong WiMAX dựa trên kỹ thuật điều chế OFDM. Đây là chương trình đượcviết bằng Matlab, chương trình bao gồm sơ đồ khối mô phỏng sự phát và thuOFDM, mô phỏng kênh truyền, tính BER so sánh tín hiệu OFDM và QAM, sơ đồ khối mô phỏng hệ thống OFDM bằng simulink của Matlab.Trong thời gian làm đồ án, nhóm đã cố gắng rất nhiều song do kiến thức còn hạn chế, thời gian nghiên cứu đề tài có hạn và nguồn tài liệu chủ yếu là các bộ chuẩn và các bài báo tiếng Anh trên mạng nên đồ án còn nhiều sai sót trong quá trình dịch thuật. Nhóm rất mong nhận được sự phê bình, các ý kiến đóng góp chân thành của thành. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WiMAX Giới thiệu chương: Trong chương 1 này sẽ tìm hiểu về những khái niệm cơ bản, về cấu trúc, các băng tần sử dụng trong hệ thống mạng WiMAX. Qua đó chúng ta có thể thấy được các ứng dụng thực tế và những ưu nhược điểm của công nghệ WiMAX so với các phương thức truyền thông khác. 1.1 Giới thiệu về wimax WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access - Khả năng tương tác toàn cầu với truy nhập vi ba) là một công nghệ ra đời dựa trên chuẩn 802.16 của IEEE cho phép truy cập vô tuyến đầu cuối (last mile) như một phương thức thay thế cho cáp, DSL và WLAN. Họ tiêu chuẩn IEEE 802.16 định nghĩa các giao diện vô tuyến trong mạng vô tuyến nội thị (WiMAX) cho việc truy nhập vô tuyến băng rộng cố định (BWA), nó cung cấp “chặng cuối” cho công nghệ truy nhập tới các hotpot với thoại, video và những dịch vụ dữ liệu tốc độ cao. Ưu điểm nổi bật nhất của BWA là nó có chi phí thấp cho sự lắp đặt và bảo trì so với những mạng hữu tuyến truyền thống hoặc so với mạng truy nhập quang, đặc biệt là cho những vùng xa xôi hoặc những vùng có địa hình khó khăn.WiMAX chính là một giải pháp cho việc mở rộng mạng truyền dẫn quang và nó có thể cung cấp một dung lượng lớn hơn so với các mạng cáp hoặc các đường thuê bao số (DSL). Các mạng WiMAX có thể được xây dựng dễ dàng trong một thời gian ngắn bằng cách triển khai một số lượng nhỏ các trạm gốc (BS) trên các toà nhà hoặc trên các cột điện để tạo ra những hệ thống truy nhập vô tuyến dung lượng lớn. Hệ thống WiMAX cho phép kết nối băng rộng vô tuyến cố định (người sử dụng có thể di chuyển nhưng cố định trong lúc kết nối), mang xách được (người sử dụng có thể di chuyển ở tốc độ đi bộ), di động với khả năng phủ sóng của một trạm anten phát lên đến 50km dưới các điều kiện tầm nhìn thẳng (LOS) và bán kính lên tới 8km không theo tầm nhìn thẳng (NLOS). 1.2 Mô hình hệ thống Mô hình phủ sóng mạng WiMAX tương tự như một mạng điện thoại di động : 8 Hình 1.1 Mô hình hệ thống WiMAX Một hệ thống WiMAX được mô tả như hình gồm có 2 phần : • Trạm phát: giống như các trạm BTS trong mạng thông tin di động với công suất lớn, có thể phủ sóng khu vực rộng tới 8000km2. • Trạm thu: có thể là các anten nhỏ như các loại card mạng tích hợp (hay gắn thêm) trên các mainboard của máy tính như WLAN. Các trạm phát được kết nối tới mạng Internet thông qua các đuờng truyền Internet tốc độ cao hay kết nối tới các trạm khác như là trạm trung chuyển theo đường truyền trực xạ (line of sight) nên WiMAX có thể phủ sóng đến những khu vực xa. Các anten thu phát có thể trao đổi thông tin qua qua các đường truyền LOS hay NLOS.Trong trường hợp truyền thẳng LOS, các anten được đặt cố định tại các điểm trên cao, tín hiệu trong trường hợp này ổn định và đạt tốc độ truyền tối đa. Băng tần sử dụng có thể ở tần số cao, khoảng 66GHz, vì ở tần số này ít bị giao thoa với các kênh tín hiệu khác và băng thông sử dụng lớn. Một đường truyền LOS yêu cầu phải có đặc tính là toàn bộ miền Fresnel thứ nhất không hề có chướng ngại vật, nếu đặc tính này không được bảo đảm thì cường độ tín hiệu sẽ suy giảm đáng 9 kể. Không gian miền Fresnel phụ thuộc vào tần số hoạt động và khoảng cách giữa trạm phát và trạm thu. Hình 1.2 Miền Fresnel trong trường hợp LOS Trong trường hợp truyền NLOS, hệ thống sử dụng băng tần thấp hơn 2-11GHz, tương tự như WLAN, tín hiệu có thể vượt các vật chắn thông qua đường phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ ….để đến đích. Các tín hiệu nhận được ở phía thu bao gồm sự tổng hợp các thành phần nhận được từ đường đi trực tiếp, các đường phản xạ, năng lượng tán xạ và các thành phần nhiễu xạ. Những tín hiệu này có những khoảng trễ, sự suy giảm, sự phân cực và trạng thái ổn định liên quan tới đường truyền trực tiếp là khác nhau. Hình 1.3 Truyền sóng trong trường hợp NLOS 10 [...]... hiểu nguyên lý hoạt động cũng như cách thức xử lý tín hiệu trong WiMAX sẽ được trình bày trong các chương sau 24 CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM Giới thiệu chương: Trong chương 2 sẽ trình bày những khái niệm cơ bản, ưu nhược điểm, nguyên lý điều chế và giải điều chế của kỹ thuật điều chế OFDM Qua đó chúng ta sẽ thấy được những ưu điểm của kỹ thuật này khi được ứng dụng trong công nghệ WiMAX nói chung... điều chế ở các sóng mang con, chuyển đổi mẫu tín hiệu phức thành dòng bít (tín hiệu số) và chuyển đổi song song sang nối tiếp: 34 Hình 2.10 Tách chuỗi bảo vệ Sau khi tách chuỗi bảo vệ khỏi luồng tín hiệu u(t), luồng tín hiệu nhận được là: 2.3.2.2 Thực hiện giải điều chế bằng thuật toán FFT Giả thiết một mẫu tin OFDM Ts được chia thành NFFT mẫu tín hiệu, tín hiệu được lấy mẫu với chu kỳ lấy mẫu là ta... Các ưu và nhược điểm của công nghệ WiMAX 1.3.1 Một số ưu điểm chính của công nghệ WiMAX 1.3.1.1 Lớp vật lí của WiMAX dựa trên nền kĩ thuật OFDM (ghép kênh phân tần trực giao) Kỹ thuật này giúp hạn chế hiệu ứng phân tập đa đường, cho phép WiMAX hoạt động tốt trong môi truờng NLOS nên độ bao phủ rộng hơn, do đó khoảng cách giữa trạm thu và trạm phát có thể lên đến 50km Cũng nhờ kĩ thuật OFDM, phổ các sóng... điểm của công nghệ WiMAX • • • • • Dải tần WiMAX sử dụng không tương thích tại nhiều quốc gia, làm hạn chế sự phổ biến công nghệ rông rãi Do công nghệ mới xuất hiện gần đây nên vẫn còn một số lỗ hổng bảo mật Tuy được gọi là chuẩn công nghệ nhưng thật sự chưa được “chuẩn” do hiện giờ đang sử dụng gần 10 chuẩn công nghệ khác nhau Theo diễn dàn WiMAX chỉ mới có khoảng 12 hãng phát triển chuẩn WiMAX được... chống lại nhiễu xuyên kí hiệu ISI do hiệu ứng phân tập đa đường Nguyên tắc này giải thích như sau: Giả sử máy phát đi một khoảng tín hiệu có chiều dài là Ts, sau khi chèn thêm chuỗi bảo vệ có chiều dài TG thì tín hiệu này có chiều dài là T = TS+TG Do hiệu ứng đa đường multipath, tín hiệu này sẽ tới máy thu theo nhiều đường khác nhau Trong hình vẽ mô tả trang bên,hình a ,tín hiệu theo đường thứ nhất... s t , làm các tín hiệu trên các sóng mang trực giao nhau Tín hiệu sau khi nhân với xung cơ sở và dịch tần cộng lại qua bộ tổng và cuối cùng được biểu diễn như sau: Tín hiệu này được gọi là mẫu tín hiệu OFDM thứ k, biễu diễn tổng quát tín hiệu OFDM sẽ là: Trước khi phát đi thì tín hiệu OFDM được chèn thêm chuỗi bảo vệ để chống nhiễu xuyên kí hiệu ISI 29 Phép điều chế OFDM có thể thực hiện được thông... không chỉ thể hiện ở hiệu quả sử dụng băng thông mà còn có khả năng làm giảm hay loại trừ nhiễu xuyên kí hiệu ISI (Inter Symbol Interference) nhờ sử dụng chuỗi bảo vệ (Guard Interval- GI ) Một mẫu tín hiệu có độ dài là TS, chuỗi bảo vệ tương ứng là một chuỗi tín hiệu có độ dài TG ở phía sau được sao chép lên phần phía trước của mẫu tín hiệu như hình vẽ sau: Hình 2.5 Chuỗi bảo vệ GI Do đó, GI còn được... nghệ WiMAX nói chung và những kỹ thuật truyền thông khác 2.1 Giới thiệu kỹ thuật điều chế OFDM 2.1.1 Khái niệm Kỹ thuật điều chế OFDM, về cơ bản, là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế FDM, chia luồng dữ liệu thành nhiều đường truyền băng hẹp trong vùng tần số sử dụng, trong đó các sóng mang con (hay sóng mang phụ, sub-carrier) trực giao với nhau Do vậy, phổ tín hiệu của các sóng mang phụ... với đường thứ nhất Tín hiệu thu được ở máy thu sẽ là tổng hợp của tất cả các tuyến, cho thấy kí hiệu đứng trước sẽ chồng lấn vào kí hiệu ngay sau đó, đây chính là hiện tượng ISI.Do trong OFDM có sử dụng chuỗi bảo vệ có độ dài TG sẽ dễ dàng loại bỏ hiện tượng này Trong trường hợp TG ≥τ MAX như hình vẽ mô tả thì phần bị chồng lấn ISI nằm trong khoảng của chuỗi bảo vệ, còn thành phần tín hiệu có ích vẫn... sánh WiMAX với WiFi WiMAX và WiFi sẽ cùng tồn tại và trở thành những công nghệ bổ sung ngày càng lớn cho các ứng dụng riêng.Đặc trưng của WiMAX là không thay thế WiFi Hơn thế WiMAX bổ sung cho WiFi bằng cách mở rộng phạm vi của WiFi và mang lại những thực tế của người sử dụng "kiểu WiFi" trên một quy mô địa lý rộng hơn .Công nghệ WiFi được thiết kế và tối ưu cho các mạng nội bộ (LAN), trong khi WiMAX . CHÍ MINH ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN oOo BÁO CÁO ĐỀ TÀI: KỸ THUẬT XỬ LÝ TÍN HIỆU TRONG WIMAX MÔN: CÔNG NGHỆ VỆ TINH GIẢNG VIÊN: Thầy: Trần Bá Nhiệm NHÓM SINH VIÊN THỰC HIỆN: Lý Tuấn Anh – 08520011 Lê. dụng trong WiMAX Mục tiêu thứ ba là thực hiện việc mô phỏng quá trình xử lý tín hiệu trongWiMAX dựa trên kỹ thuật OFDM Nội dung đồ án gồm 4 chương chính như sau : Chương 1: Tổng quan về công nghệ. điểm của kỹ thuật này trong việc xử lý truyềnnhận tín hiệu nói chung và ứng dụng trong công nghệ WiMAX nói riêng. Chương 4: Chương trình mô phỏng hệ thống OFDM Để hiểu hơn những vấn đề lý thuyết