OFDM và ứng dụng trong WIMAX

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI KHOA SAU ĐẠI HỌC ĐỀ TÀI: OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG WIMAX LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ HÀ NỘI - 2013 Người hướng dẫn: Học viên: PGS.TS. Nguyễn Quốc Trung Hà Thanh Phong i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam ñoan ñây là công trình nghiên cứu của bản thân. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa từng ñược ai công bố trong bất kỳ công trình luận văn nào trước ñây. Tác giả luận văn ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi MỞ ĐẦU xii CHƯƠNG 1. CÔNG NGHỆ OFDM 1 1.1 Tổng quan về hệ thống OFDM 1 1.1.1 Lịch sử phát triển 1 1.1.2 Cấu trúc, chức năng hệ thống OFDM 3 Khối biến ñổi nối tiếp sang song song (Serial to Phía) 4 Khối ñiều chế (Modulation Mapping) 4 Khối biến ñổi Fourier ngược (IFFT) 4 Khối chèn khoảng bảo vệ 4 Khối kênh truyền dẫn vô tuyến 4 Máy thu 5 Ứng dụng của kỹ thuật OFDM 5 Ứng dụng hiện tại của kỹ thuật OFDM ở Việt Nam 5 1.1.3 Các hướng phát triển trong tương lai 5 1.2. Điều chế OFDM 6 1.2.1 Khái niệm về sự trực giao của hai tín hiệu 6 1.2.2 Bộ ñiều chế OFDM 7 Chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM 9 Phép nhân với xung cơ bản (Basic Impulse) 10 1.3. Giải ñiều chế OFDM 11 Khái niệm về kênh truyền dẫn phân tập ña ñường 11 Bộ giải chế OFDM 12 Tách khoảng bảo vệ 13 Tín hiệu sau khi giải ñiều chế 13 1.4. Mô phỏng hệ thống OFDM 14 CHƯƠNG 2. KỸ THUẬT MIMO 20 2.1. Giới thiệu chung 20 2.2. Ưu ñiểm của hệ thống MIMO 20 2.3. Mô hình hệ thông MIMO 21 2.4. Dung lượng kênh MIMO 23 2.5. Kênh không ñược biết ở phía phát 24 2.6. Kênh ñược biết ở phía phát 25 2.7. Kênh xác ñịnh (các phần tử H ñược ñịnh trước) 25 2.7.1 Hệ thống SISO 25 2.7.2 Hệ thống MISO 26 2.8. Kênh ngẫu nhiên 28 Dung lượng Ergodic 28 Dung lượng outage 30 iii 2.9. So sánh hiệu năng các hệ thống MIMO với hệ thống không MIMO 32 2.10. Ảnh hưởng của các tham số vật lý dung lượng kênh MIMO 33 2.10.1 Ảnh hưởng của sự tương quanfading 33 2.10.2. Ảnh hưởng của ñường truyền trực tiếp LOS 35 CHƯƠNG 3: HỆ THÔNG WIMAX 38 3.1. Một số khái niệm về WiMax 38 3.1.1 Công nghệ WiMax 38 3.1.2 Diễn ñàn WiMax (WiMaxforum) 40 3.1.3 Lơi ích của chuẩn WiMax 40 Đối với các nhà khai thác 40 Đối với khách hàng 41 Đối với các nhà sản xuất linh kiện 41 Đối với các nhà sản xuất thiết bị 41 3.2. Tiến trình phát triển và các chuẩn WiMax 41 IEEE 802.16-2001 41 IEEE 802.16a-2003 42 IEEES02.16c-2002 44 IEEE 802.16-2004 45 IEEE 802./6e 45 3.3. Kiến trúc WiMax 45 3.3.1 Các lớp giao thức trong Wimax 45 3.3.2 Đặc tính kỹ thuật lớp MA C và lớp vật lý 47 Tổng quan lớp MAC 47 Tổng quan lớp vật lý 50 3.4. Bảo mật trong WiMax 55 3.4.1 Các liên kết bảo mật (SA) 55 3.4.2 Chứng chỉ ñiện tử X509 58 3.4.3 Giao thức quản lý khoá và bảo mật PKM 59 3.4.4 Sử dụng khoá 62 Mã hoá 64 CHƯƠNG 4. TÍNH TOÁN HÉ THÓNG WIMAX VÀ TRIỂN KHAI THỬ NGHIỆM WIMAX DI ĐỘNG Ở VIỄN THÔNG HÀ NỘI CỦA TẬP ĐOÀN BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM 68 4.1. Các tính toán cho quá trình thiết kế WiMax di ñộng 68 Tính toán tốc ñộ Uplink và Downltnk cực ñại theo lý thuyết 68 Tính toán bán kính vùng phủ và các tham số khác 69 Tính hiệu suất phổ của trạm gốc BS 72 4.2. Các tính toán trong kỹ thuật ñiều chế thích ứng 73 4.3. Triển khai thử nghiệm WiMax di ñộng tại Hà Nội 78 Sơ ñồ kết nối 78 Các thành phần chính trong hệ thống 79 4.4. Ứng dụng trên nền WiMax 80 Truy cập Internet không dây 80 iv Ứng dụng Media Booth -IP Camera 80 4.5. Đánh giá tổng thể về hệ thống WiMax Motorola 81 4.5.1. Đo kiểm, ñánh giá hoạt ñộng Radio 82 4.5.2. Số 1ượng và chủng loại thiết bị 83 Cấu hình phần mềm. 83 Cấu hình phần cứng 83 4.5.3. Phương án ñánh ñịa chỉ IP và kết nối hệ thống 84 4.5.4. Đo kiểm phần hoạt ñộng hệ thống tại Hà Nội 84 4.5.5. Đo kiểm phần Vô tuyến 86 4.5.6 Số ño kiểm phần mềm quản lý 87 4.5.7. Tầm phú sóng dự kiến 87 4.5.8. Tầm phủ sóng thực tế 88 4.5.9. Đo kiểm phần hoạt ñộng hệ thống 91 - Trình duyệt HTTP 91 - Truyền file FTP 91 - Độ trễ 92 4.5.10 Kết quả ño ñiểm hoạt ñộng cua sóng vô tuyến WiMax 92 4.5.11 Đánh giá phần mềm quản lý 92 4.5.12. Nhận xét chung về chất lượng sóng 93 4.5.13. Triển vọng phát triển của Wimax tại Việt Nam 95 KẾT LUẬN 98 TÀI LIỆU THAM KHẢO 100 TÓM TẮT LUẬN VĂN 102 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU a Độ lớn của a A + Ma trận giả ñảo Moore - Penrose của A F a Chuẩn Frobenius của ma trận A A H Ma trận chuyển vị phức của A A T Ma trận chuyển vị của A C Dung lượng Es Năng lượng ký hiệu thu δ(x) Hàm Dirac Det(A) Định thức ma trận A Diag (a 1 , a 2 … a n ) Ma trận ñường chéo nxn ∈ Hoạt ñộng mong muốn f(x) Hàm phân phối xác suất của biến ngẫu nhiên x F(x) Hàm phân phối tích luỹ của x I m Ma trận nhất phân kích thước mxm K Thừa số K kênh Rice Pe Xác suất lỗi r(A) Hạng ma trận A R Trường số thu Tr(A) Dò theo A Z Trường số nguyên. vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tên Tiếng Anh Tên Tiếng Việt AAA Authentication authorization & Account Nhận thức, cấp phép và lập tài khoản AAS Adaptive Antenna System Hệ thống anten thích ứng ACI Adjacent Cell Interference Nhiễu ô lân cận ASN Access Service Network Mạng dịch vụ truy nhập AM Adaptive Modulation Điều chế thích ứng AOA Angle of Departure Góc tới AOD Additive White Gaussian Noise Góc xuất phát AWGN Best Effort Tạp âm Gauss trắng cộng BE Bit Error Rate Dịch vụ nỗ lực tốt nhất BER Binary Phase Shift Keying Tỷ lệ lỗi bít BPSK Base Station Khóa dịch pha nhị phân BS Blonk Turbo Code Trạm gốc BTC Co channel Interference Mã Turbo khối CCI Comulative Distribution Dunction Nhiễu ñồng kênh CDF Code Division Multiple Access Hàm phân bố tích lũy CDMA Connection Identifier Đa truy nhập phân chia theo mã CID Cyclic Rrefix Nhận dạng kết nối CP Customer Premises Equipment Tiều tố tuần hoàn CPE Common Part Sublayer Thiết bị truyền thống cá nhân CPS Cyclic Redundancy Check Lớp con phần chung CRC Connectivity Service Network Kiểm tra ñộ dư vòng tuần hoàn CSN Channel State Information Mạng dịch vụ kết nối CSI Concatenated Turbo Code Thông tin trạng thái kênh CTC Concatenated Turbo Code Mã Turbo xoắn DCD Downlink Channel Descriptor Miêu tả kênh ñường xuống DFT Discrete Fourier Transfom Biến ñổi Fourier rời rạc vii DHCP Dynamic Host Congiguration Protocol Giao thức cấu hình hoạt ñộng DL Downlink Đường xuống DLFP Downlink Frame Preamble Tiền tố khung ñường xuống DPS Delay Power Spectrum Phổ công suất trễ DFF Frequence Division Mutiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số FEC Forward Error Correction Hiệu chỉnh lỗi trước FFT Fast Fourier Transfom Chuyển ñổi Fourier nhanh HCS Header Check Sequence Thứ tự kiểm tra tiêu ñề HT Header Type Loại tiêu ñề ICI Inter Carrier Interference Nhiễu giữa các sóng mang IFFT Inverse Fast Fouries Transfom Biến ñổi Fourier nhanh ngược ISI Inter Symbol Interference Nhiễu giữa các ký hiệu LOS Line of Sight Tầm nhìn thẳng LSB Least Significant Bit Bit ý nghĩa nhất MA Multiple Access Đa truy nhập MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập phương tiện MAN Metropolitan Area Network Mạng vùng thành thị MIMO Mutiple Input Multiple Output Nhiều ñâò vào nhiều ñầu ra MISO Multiple Input Single Output Nhiều ñầu vào một ñầu ra ML Maximum Likelihood Khả giống cực ñại MQAM Multilevel -QAM QAM nhiều mức MS Mobile Station Trạm di ñộng MSB Most Significant Bit Bít nhiều ý nghĩa nhất NAP Network Access Provider Nhà cung cấp dịch vụ truy nhập mạng NLOS Non Light of Sight Tầm nhìn không thẳng NNI Network Network Interface Giao diện mạng – mạng NRP Normalized Received Power Cong suất thu chuẩn hóa NSP Network Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ mạng viii OFDM Orthogonal Frequence Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDMA Orthogonal Fequence Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao PDF Probability Density Function Hàm số mật ñộ xác suất PDP Power Delay Progice Lý lịch trễ công suất PDU Protocol Data Unit Đơn vị dữ liệu giao thức PEP Pairwise Error Probability Xác suất lỗi cặp PKM Privacy Key Management Quản lý khóa bảo mật PMP Point to Multipoint Điểm ña ñiểm PS Physical Slot Khe vật lý QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều khiển biên ñộ cầu phương QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa chuyển pha cầu phương RDS Root Mean Square Delay Spread Trải trễ trung bình quân phương RMS Root Mean Square Trung bình quân phương RTG Receiver Transition Gap Khoảng trống chuyển giao ñầu thu SAP Service Access Point Điểm truy nhập dịch vụ SE Spectrum Efficiency Hiệu suất phổ tần SER Symbol Error rate Tỷ lệ lỗi ký hiệu SFID Service Flow Identifier Nhận dạng luồng dịch vụ SIMO Single Input Multiple Output Một ñầu vào nhiều ñầu ra SIR Signal to Interference Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SINR Signal to Interference plus Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu cộng tạp âm SISO Single Input Sigle Output Một ñầu vào một ñầu ra SNR Signal to Noise Ration Tỷ số tín hiệu trên tạp âm SS Subscriber Station Trạm thê bao SSCS Specify Services Convergence Sublayer Mã khối không gian thời gian ix STBC Space Time Bolck Code Mã khối không gian thời gian STC Space Time Code Mã không gian thời gian SVD Singular Value Decomposition Phân chia giá trị ñơn TDD Time Divesion Duplex Song công phân chia TTG Transmit Transition Gap Khoảng trống chuyển giao ñầu phát UCD Uplink Channet Descriptor Miêu tả kênh ñường lên UGS Unsolicited Grant Service Dịch vụ cấp phát không kết hợp UL Uplink Đường lên UNI User Network Interface Giao diện người sử dụng mạng WAN Wide Area Mạng diện rộng WLAN Wireless LAN Mạng LAN không dây WMAN Wireless MAN Mạng MAN không dây XOR Exclusive Hàm cộng modul ZF Zero Forcing Cưỡng bức về không WiMAX World Interoperability for Microwave Access Khả năng khai thác liên mạng trên toàn cầu ñối với truy nhập vi ba [...]... u ban sánh v i u vào ban u u K t qu s ư c so tính toán s b t l i và t s l i b t Hình 1.9 mô t tín hi u OFDM trong mi n th i gian Tín hi u OFDM v cho 16 kí hi u OFDM, m i kí hi u OFDM có 256 sóng mang con Hình 1.9 Tín hi u OFDM mi n th i gian Còn ph c a tín hi u OFDM v cho 16 kí hi u OFDM, m i kí hi u OFDM có 256 sóng mang con ư c minh ho trên hình 1.10 Ta có th th y áp ng c a kênh OFDM là không b ng... c p phép và không ư c c p phép WiMax là công ngh không dây băng r ng ư c h tr m nh m b i n n công nghi p máy tính và vi n thông v i chi phí th p và ư c chu n hóa WiMax cung c p nh ng d ch v c nh và không dây m i nh t như VOIP, Audio và Vi deo v i chi phí th p H th ng WiMax có th bao ph m t vùng di n tích r ng l n t i 50km và cung c p t c b t lên t i 70Mbit!s cho ngư i dùng Trong h th ng WiMax, k thu... bi t là trong các n nông vô tuy n òi h i t c thông tin di d ngth h ti p theo, h th ng truy n hình s và công ngh OFDM là m t trong nh ng v n trình bày cao như c bi t vi c ng d ng then ch t trong h th ng WiMax s chương 3 Trong h th ng WiMax, bên c nh công ngh OFDM k thu t a an ten phát a an ten thu MIMO (Muttiple Input Multiple Putputl) là m t công ngh chính Trư c khi i vào trình bày h th ng WiMax, k... tr ng b k thu t V i lý do này tôi ch n i v i các k sư và cán tài OFDM và ng d ng trong WiMax" Lu n văn ư c chia thành b n chư ng v i các v n nghiên c u sau ây: Chương 1 : Công ngh OFDM- i u chê a sóng mang tr c giao Chương 2 : K thu t MIMO- Da an ten phát và a an ten thu Chương 3 : H th ng WiMax Chương 4: Tính toán thi t k và tri n khai th nghi m WiMax di ng t i Hà N i c a T p oàn bưu chính Vi n thông... thành ph n can nhi u liên kênh s tri t tiêu trong trư ng kênh không thay i v th i gian trong m t chu kỳ tín hi u 1.4 Mô ph ng h th ng OFDM hi u rõ hơn h th ng OFDM, t i ã ti n hành mô ph ng h th ng OFDM ơn gi n dùng Matlab/simulink Sơ kh i h th ng OFDM ơn gi n mô ph ng trên ngôn ng Matlab/simulink 7.0 như trình bày trong hình 1.8 15 Hình 1.8: Sơ mô ph ng h th ng OFDM Ngu n tin: có th là m t chu i b t b... ch OFDM 8 Hình 1.4: Mô t khái ni m v chu i b o v 9 Hình 1.5: Mô hình kênh truy n d n .11 Hình 1.6: Sơ kh i b gi i i u ch OFDM 12 Hình 1.7: Mô t s tách chu i b o v b gi i i u ch OFDM 13 Hình 1.8: Sơ mô ph ng h th ng OFDM 15 Hình 1.9 Tín hi u OFDM mi n th i gian 16 Hình 1.10: Ph tín hi u OFDM trong mi n t n s 17 Hình 1.11: D ng FFT c a bên phát OFDM. .. ng trong tương lai không xa Các m ng v thông tin máy tính không dây như HyperLAN/2, IEEE 802.11a, g cũng s khai thác m t cách r ng rãi Vi t Nam Hi n t i trong thông tin di ư c ng ã có m t s công ty Vi t Nam th nghi m WiMax ng d ng công ngh OFDM như VNPT, VTC 1.1.3 Các hư ng phát tri n trong tương lai K thu t OFDM hi n ư c c làm phương pháp i u ch s d ng trong m ng thông tin thành th băng r ng WiMax. .. s t ng k t n i n tr m an ten WiMax g n nh t Trong nh ng năm g n ây, k thu t i u ch a sóng mang tr c giao OFDM không ng ng ư c nghiên c u và m r ng ph m vi ng d ng b i nh ng ưu i m c a nó trong ti t ki m băng t n v kh năng ch ng l i Fading ch n l c theo t n sô cũng như xuyên nhi u băng h p K thu t i u ch OFDM là m t trư ng h p c 2 bi t c a phương pháp i u ch a sóng mang trong ó các sóng mang ph tr c... thông c a WiMax kho ng cách ng n V i th c t như v y, WiMax (Worldwide lnteroperability fur Microwave Access) ra i nh m cung c p m t phương ti n truy c p Intemet không dây t ng h p có th thay th cho ADSL và WiFi Th c t WiMax ho t ng tương t WiFi nhưng t c cao và kho ng cách l n hơn r t nhi u cùng v i m t s lư ng l n ngư i dùng M t h th ng WiMax g m 3 2 ph n: Tr m phát: giông như các tr m BTS trong m ng... MISO nX1, SIMO 1Xn và MIMO nXn theo s anten n v i SNR = 0 [07] 32 Hình 2.10: Dung lư ng m t s c u hình anten MIMO khác nhau [07] 33 Hình 2.11 Dung lư ng Ergodic c a kênh MIM0 2X2 trong trong trư ng h p tương quan và không tương quan [10] .35 Hình 2.12: Dung lư ng Ergodic so v i h s K c a kênh MIMO 36 Hình 3.1: Các l p trong WiMax 46 Hình 4.1 Mã hóa và i u ch thích ng . chế OFDM ñược ứng dụng rộng rãi. Thay vì sử dụng IDFT người ta có thể sử dụng phép biến ñổi nhanh IFFT cho bộ ñiều chế OFDM, sử dụng FFT cho bộ giải ñiều chế OFDM. Năm 2001, Viện Kỹ sư Điện và. kỹ sư và cán bộ kỹ thuật. Với lý do này tôi chọn ñề tài OFDM và ứng dụng trong WiMax& quot;. Luận văn ñược chia thành bốn chường với các vấn ñề nghiên cứu sau ñây: Chương 1 : Công nghệ OFDM- . dẫn vô tuyến 4 Máy thu 5 Ứng dụng của kỹ thuật OFDM 5 Ứng dụng hiện tại của kỹ thuật OFDM ở Việt Nam 5 1.1.3 Các hướng phát triển trong tương lai 5 1.2. Điều chế OFDM 6 1.2.1 Khái niệm về