tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật mạng wimax và kỹ thuật điều chế OFDM trong mạng wimax

Trên cơ sở phạm vi phủ sóng chúng ta có 4 loại mạng sau: - Mạng cá nhân không dây Wireless Personal Area Network - WPAN - Mạng cục bộ không dây Wireless Local Area Network - WLAN - Mạng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN

-LÊ MINH CƯỜNG

“Mạng Wimax và kỹ thuật điều chế OFDM

Công trình được hoàn thành tại: Đại học Công nghiệp Thái Nguyên

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS LÊ BÁ DŨNG

Phản biện 1: PGS.TS NGUYỄN QUỐC TRUNG

Phản biện 2: TS TRẦN XUÂN MINH

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn họp tại: 202_G8 Vào hồi 15 giờ, ngày 02 tháng 03 năm 2013

Chương I GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX 1.1 Tổng quan về mạng không dây băng rộng

1.1.1 Các khái niệm về mạng không dây băng rộng

+ Mạng không dây

Mạng không dây (Wireless Network) là công nghệ cho phép một hoặcnhiều thiết bị giao tiếp được với nhau mà không cần những kết nối vật lý hay nói cáchkhác là kết nối mà không cần đến cable mạng

1.1.2 Vài nét về những mạng không dây đang tồn tại

Hai chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản để phân loại mạng không dây là phạm vi phủ sóng

và giao thức báo hiệu Trên cơ sở phạm vi phủ sóng chúng ta có 4 loại mạng sau:

- Mạng cá nhân không dây (Wireless Personal Area Network - WPAN)

- Mạng cục bộ không dây (Wireless Local Area Network - WLAN)

- Mạng đô thị không dây (Wireless Metropolitian Area Network - WMAN)

- Mạng diện rộng không dây (Wireless Wide Area Network - WWAN)

WPAN (Wireless Personal Area Network)

Mạng các nhân là một mạng dữ liệu được sử dụng để truyền thông giữa các thiết

bị dữ liệu ở gần một người

WLAN (Wireless Local Area Network)

Mạng cục bộ là mạng được sử dụng để truyền thông giữa các thiết bị dữ liệu như:máy tính, điện thoại, máy in và các thiết bị số phụ trợ cá nhân

WMAN (Wireless Metropolitan Area Network)

Mạng đô thị là mạng dữ liệu có độ bao phủ lên tới vài km, điển hình là một cơquan lớn hoặc 1 công ty

WWAN (Wireless Wide Area Network)

Mạng diện rộng là mạng dữ liệu bao phủ một vùng địa lý rộng, lớn như là hànhtinh

1.2 Khái niệm về công nghệ WiMAX

1.2.1 WiMAX là gì?

WIMAX - Worldwide Interoperrability for Micorware Access - là một hệ

thống truyền thông số không dây, cũng được biết như chuẩn IEEE 802.16 dành cho

"các mạng đô thị" không dây

1.2.2 Giới thiệu các chuẩn IEEE 802.16

Sơ đồ hoá các chuẩn giao diện không gian 802.16 như sau:

802.16 - 2001

Hệ thống băng rộng không dây cốđịnh cho tầm nhìn thẳng MAC & PHY: 10-66GHz

802.16f (Cơ sở thông tin

quản lý - MIBs) và 802.16g

802.16d - 2004 Tích hợp các chuẩn tạo thành hệ

thống mô tả sơ lược băng rộng

Lên tới 15 MbpsBW=5MHz

50 km tuỳ thuộc vào điều kiện truyền

1-3 km Indoor

2-5 km Outdoor

1.2.3 Truyền sóng tầm nhìn thẳng & tầm nhìn hạn chế (LOS & NLOS)

Trong một đường truyền LOS, tín hiệu đi theo đường trực tiếp và không cóchướng ngại vật giữa phía phát và phía thu.

Trên một đường truyền NLOS, tín hiệu tới phía thu thông qua sự phản hồi, tán xạ

và nhiễu xạ

Hình1.3: Sự khác nhau giữa LOS và NLOS

Một số ưu điểm mà NLOS mong muốn triển khai được

Công nghệ LOS cũng giảm được chi phí cài đặt do CPE có thể cài đặt ở nhữngđiều kiện địa hình phức tạp

1.2.4 Các mô hình ứng dụng

WIMAX được đề xuất 2 mô hình ứng dụng là cố định và di động

Mô hình ứng dụng cố định (Fixed WiMAX)

Mô hình cố định sử dụng các thiết bị theo tiêu chuẩn IEEE.802.16-2004

Hình 1.4 :Mô hình ứng dụngWiMAX cố định

BS bao gồm một hoặc nhiều thiết bị thu phát vô tuyến, mỗi thiết bị chịu tráchnhiệm kết nối với nhau CPE trong khu vực phủ sóng

CPE bao gồm 3 thành phần chính: 1 modem, 1 radio, 1 anten Modem cung cấpmột giao diện giữa mạng của khách hàng với mạng FBWA của nhà cung cấp dịch vụ

Mô hình ứng dụng WiMAX di động

Hình1.5 :Mô hình ứng dụng WiMAX di động

Mô hình WiMAX di động sử dụng các thiết bị phù hợp với tiêu chuẩn IEEE802.16e được thông qua trong năm 2005

Tốc độ dữ liệu cao: Các ký thuật anten Đa đầu vào – Đa đầu ra (Multiple Input,

Multiple Output - MIMO)

Chất lượng dịch vụ (Q o S): Tiền đề cơ bản của kiến trúc MAC trong IEEE 802.16

là QoS

Khả năng di động: WIMAX di động hỗ trợ các nguyên lý chuyển giao tối ưu với

trễ nhỏ hơn 50 msec để đảm bảo các ứng dụng thời gian thực như thoại trên giao thứcInternet (VoIP) với dịch vụ không bị suy giảm

1.2.5 Tần số làm việc và độ rộng kênh truyền

WIMAX làm việc ở 2 dải tần 10 – 66 GHz và 2 -11 GHz, gồm cả dải tần số đăng

ký và không đăng ký, có thể truyền NLOS và LOS

1.3 Đặc điểm của Wimax

Đặc điểm chung của Wimax bao gồm: Khoảng cách giữa trạm thu và trạm phát cóthể đạt 50 Km.

Trong Wimax hướng truyền được chia thành hai đường lên (DL) và xuống (UL)

1.4 Cấu hình mạng

1.4.1 Cấu hình điểm – điểm PP

Mạng PP chứa một hoặc nhiều liên kết điểm – điểm sử dụng anten có hướng tínhcao tại cả hai đầu cuối của mỗi liên kết

1.4.2.Cấu hình điểm-đa điểm PMP

PMP là một mạng truy nhập với một hoặc nhiều BS có công suất lớn và nhiều SSnhỏ hơn

Hình 1.6: Cấu hình PMP

1.4.3 Cấu hình mắt lưới MESH

Hình 1.7: Cấu hình mesh

Chương II CẤU TRÚC PHÂN TẦNG TRONG WIMAX

Cũng giống như các bộ chuẩn khác họ 802 của IEEE, 802.16 chỉ tập trung vàoviệc mô tả và chuẩn hóa 2 lớp: Lớp liên kết dữ liệu ( Data Link Layer) và Lớp vật lý(Physical Layer) trong mô hình tham chiếu liên kết nối các hệ thống mở (OSI)

Hình 2.1: Vị trí tương đối của PHY và MAC só với OSI

2.1 Chuẩn IEEE 802.16d (IEEE 802.16-2004)

2.1.1.Lớp vật lý

2.1.1.1 Khung (Framing)

Đặc tả lớp vật lý ở đây hoạt động trong một dạng khung Trong mỗi khung cómột khung con đường lên (DL) và một khung con đường xuống (UL) Khung conđường lên bắt đầu với thông tin cần thiết cho đồng bộ hoá và điều khiển khung

2.1.1.2 Song công và đa truy cập

Song công

Song công: trong hệ thống PMP hiện nay tồn tại 2 kỹ thuật song công (hoạt độngtheo hai chiều: chiều xuống - downstream và chiều lên - upstream)

- TDD (Kỹ thuật song công theo thời gian):

- FDD: (Kỹ thuật song công theo tần số

* Sự hoạt động của kỹ thuật song công theo tần số FDD

Hình 2.2: Ví dụ về dải tần FDD

* Sự hoạt động của kỹ thuật song công theo thời gian TDD

Trong trường hợp của TDD, sự truyển tải UL và DL chia sẻ cùng tần số nhưng riêngbiệt theo thời gian như hình 2.3

Hình 2.3: Cấu trúc khung TDD

Đa truy nhập

2.1.1.3.Lớp vật lý đường lên

Dải thông cho phép trong đường lên trực tiếp được định nghĩa như một hạt của mộtkhe vật lý

Khung con đường lên

Cấu trúc của khung con đường lên sử dụng TDD được minh hoạ trong hình 2.4

Hình 2.4: Cấu trúc khung con đường lên TDD

Phần TDM của khung con đường lên này chứa dữ liệu được truyền tới một hoặcnhiều phần dưới đây:

- Các SS song công đầy đủ

- Các SS bán song công được lập lịch để phát sau đó trong khung hơn chúng nhận

- Các SS bán song công được lập lịch để truyền trong khung này

Hình 2.5: Khung con DL FDD

Định vị cụm (burst) đường lên

Thông thường, số các khe vật lý i (là một số nguyên) cấp cho một cụm (burst)đặc biệt có thể được tính toán từ DL-MAP, nó cho biết vị trí bắt đầu của mỗi cụm (burst)cũng như các hiện trạng cụm (burst)

Hình 2.6: Các sử dụng các khối FEC được thu ngắn lại - trường hợp TDM

Tầng con hội tụ truyền theo đường lên

Một byte con trỏ sẽ được thêm vào mỗi đoạn tải vào được minh hoạ trong hình 2.7

Hình 2.7: Khuôn dạng của lớp con hội tụ truyền PDU

Hình 2.8: Các sử dụng các khối FEC được thu ngắn lại - trường hợp TDMA

2.1.1.4 Lớp vật lý đường xuống

Khung con đường xuống

Cấu trúc của khung con đường xuống được sử dụng SS để phát tới BS được biểudiễn trong hình 2.9 Ba lớp cụm (burst) có thể được phát bởi SS trong suốt khung conđường lên:

a) Chúng được phát ở các cơ hội cạnh tranh dành riêng cho dãy ban đầu

b) Chúng được phát ở các s cơ hội cạnh tranh được định nghĩa bởi các khoảngthời gian yêu cầu dành riêng để đáp lại sự thăm dò một - nhiều và phát rộng

c) Chúng được phát ở những khoảng thời gian được định nghĩa bởi IEs GrantData phân phát tới các SS riêng lẻ

Hình 2.9: Cấu trúc khung con đường xuống

2.1.2.Lớp điều khiển truy cập môi trường (Media Access Control – MAC)

2.1.2.1 Lớp con hội tụ chuyên biệt về dịch vụ (Service Specific CS)

 Chấp nhận các đơn vị dữ liệu giao thức (PDUs) lớp cao hơn

 Thực hiện phân loại PDUs lớp cao hơn

 Xử lý (nếu cần) PDUs lớp cao hơn dựa trên sự phân loại

 Cấp phát lớp con hội tụ PDUs thích hợp với MAC SAP

 Tiếp nhận lớp con hội tụ PDUs từ thực thể ngang hàng

2.1.2.2.Lớp con phần chung MAC

Sự trao đổi giữa các BS và SS trong một vùng thường có mấy dạng kiến trúc làđiểm – điểm (PTP), mạng điểm – đa điểm (PMP) và lưới (Mesh)

Mặc dù chuẩn 802.14-2004 hỗ trợ cả ba kiểu kiến trúc trên nhưng PMP là kiếntrúc được quan tâm nhất

MAC 802.16 theo hướng kết nối Tất cả những dịch vụ bao gồm những dịch vụkhông kết nối cố hữu, được ánh xạ tới một kết nối

Đánh địa chỉ

Mỗi SS sẽ có một địa chỉ cứng gọi là địa chỉ MAC 48 bit, giống như được địnhnghĩa trong 802 nói chung

Định dạng của MAC PDU

MAC PDU là đơn vị dữ liệu giao thức được dùng để trao đổi thông tin giữa các lớpMAC của BS và SS MAC PDU có hai dạng: dạng thông thường và dạng yêu cầu băngthông MAC PDU thông thường bắt đầu với một tiêu đề có chiều dài cố định

Quá trình xây dựng MAC PDU

Trước khi được truyền đi, lớp MAC sẽ phải xây dựng MAC PDU một cách hợp lý vàhiệu quả nhất

Quá trình này gồm các bước sau:

 Quá trình móc nối: Nhiều MAC PDU có thể được kết hợp với nhau vào

một phiên truyền (PDU dữ liệu, PDU yêu cầu băng thông…)

 Quá trình phân mảnh: Quá trình này chia một MAC SDU có kích

thước lớn thành nhiều MAC SDU có kích thước hợp lý hơn

 Quá trình đóng gói (packing): Quá trình kết hợp nhiều MAC SDU thành

một MAC PDU

 Những MAC SDU mới đến từ các lớp con quy tụ tương ứng được địnhdạng theo khuôn dạng của MAC PDU

 Việc truyền MAC PDU

Lớp MAC của IEEE 802.16 MAC hỗ trợ các giao thức lớp cao hơn khác nhaunhư ATM hay IP

Chất lượng dịch vụ

Mạng băng rộng là nơi cung cấp rất nhiều loại dịch vụ với các yêu cầu khác nhau

Chất lượng dịch vụ trong 802.16-2004 phụ thuộc vào 3 yếu tố sau:

 Giao thức MAC trong 802.16-2004 hoạt động hướng kết nối:

 Cơ chế cấp phát băng thông Request/Grant:

 Phân loại dịch vụ: giống như mọi hệ thống hỗ trợ QoS khác

Quá trình khởi tạo và đi vào mạng

Hệ thống hỗ trợ những thủ tục cho quá trình đăng ký vào mạng của một CPE mới.Thủ tục này gồm những pha nhỏ: Sự thu nhận kênh, Chứng thực và đăng ký CPE, Tạo kếtnối IP (Tùy chọn) và Cài đặt kết nối

Sự thu nhận kênh (Channel Acquisition)

Giao thức MAC bao gồm một thủ tục khởi tạo được thiết kế để loại trừ nhu cầu cấuhình thủ công

Sau khi quyết định kênh nào, CPE cố gắng thử đồng bộ hóa sự truyền DL do pháthiển ra các đoạn đầu khung theo chu kỳ

(Dynamic Host Configuration Protocol – DHCP)

* Cài đặt kết nối

Nhìn tổng thể, việc cài đặt khởi tạo luồng dịch vụ trong IEEE 802.16 được khởi tạobởi BS trong thời gian khởi tạo CPE

2.1.2.3 Lớp con bảo mật (Security Sublayer)

Khác với các chuẩn không dây băng rộng khác 802.16-2004 thiết kế hẳn một lớpcon bảo mật

Trong bảo mật 802.16 – 2004 có hai loại giao thức chính:

 Giao thức làm nhiệm vụ xử lý đóng gói, mã hóa

Chuẩn này đảm bảo rằng một SS luôn luôn sở hữu một khóa mã hợp lệ

Bảng 2.2 Các loại khóa bảo mật sử dụng trong IEEE 802.16 – 2004

Thời gian tồn tại

Cặp khóa công

khai bảo mật

Nhà sảnxuất

- Kiểm tra các HMACdigest nhận được

WiMAX đưa ra lần đầu tiên chỉ có TDD

 TDD cho phép điều chỉnh tỷ lệ UL/DL để hỗ trợ hiệu quả lưu lượngkhông đối xứng giữa DL và UL (với FDD thì tỷ lệ DL và UL là không đổi và thườngbằng băng thông của DL và UL)

 TDD đảm bảo sự trao đổi kênh để hỗ trợ khả năng điều chỉnh đườngtruyền, MIMO và các công nghệ anten vòng kín cao cấp khác

 Không như FDD yêu cầu một cặp kênh, TDD chỉ yêu cầu một kênh đơn cho

cả UL và UL đem lại khả năng điều chỉnh linh động sự cấp phát tần số toàn cục

 Không như FDD yêu cầu một cặp kênh, TDD chỉ yêu cầu một kênh đơn cho

cả UL và DL đem lại khả năng điều chỉnh linh động sự cấp phát tần số toàn cục

 Các thiết kế bộ thu phát để triển khai TDD cũng ít phức tạp và ít tốn kémhơn

Hình 2.10: Cấu trúc khung WiMAX OFDMA

Trong một khung, thông tin điều khiển dùng để đảm bảo hoạt động hệ thống đượctối ưu:

 Phần đầu khung (Preamble): là symbol OFDM đầu tiên của khung dùng để đồng bộ

 Tiêu đề điều khiển khung: FCH nằm sau phần mở đầu khung Nó cho biết thôngtin cấu hình khung như độ dài bản tin MAP, nguyên lý mã hóa và các kênh con khả dụng

 DL – MAP và UL – MAP: cho biết cấp phát kênh con và các thông tin

điều khiển khác lần lượt cho các khung con DL và UL

 Sắp xếp UL: Kênh con sắp xếp cho UL được cấp phát cho trạm di động(MS) để thực hiện điều chỉnh: thời gian vòng kín, tần số và công suất cũng như yêu cầubăng thông.

 UL kênh thông tin chất lượng kém: kênh UL CQICH cấp phát cho MS

để hồi trạng thái kênh

 UL công nhận (ACK): Kênh UL ACK cấp cho MS để xác nhận phản hồi DLyêu cầu lặp lại tự động kiểu kết hợp

Các đặc tính lớp PHY cao cấp khác

WiMAX di động đã đưa ra các kỹ thuật:

 Điều chế thích nghi và mã hóa (AMC)

 Yêu cầu lặp lại tự động kiểu kết hợp (HARQ)

 Phản hồi kênh nhanh để nâng cao khả năng phủ sóng Dung lượng cho WiMAXtrong các ứng dụng di động

2.2.2 Mô tả lớp MAC

Hỗ trợ chất lượng dịch vụ (QoS

Với tốc độ đường truyền vô tuyến cao, khả năng truyền bất đối xứng DL/UL và một

cơ chế cấp phát tài nguyên linh hoạt, WiMAX di động hoàn toàn có thể đáp ứng được cácyêu cầu QoS cho nhiều loại hình dịch vụ và ứng dụng dữ liệu

Dịch vụ lập lịch MAC

Dịch vụ lập lịch MAC có những thuộc tính sau cho dịch vụ dữ liệu băng thông rộng:

- Bộ lập lịch dữ liệu nhanh: lập lịch MAC phải phân bổ hiệu quả nguồn tài nguyênkhả dụng đáp ứng lại với lưu lượng số hiệu bursty và điều kiện kênh thay đổi theo thời gian

- Lập lịch trình cho cả UL và DL

- Cấp phát tài nguyên động: MAC hỗ trợ phân bổ nguồn tài nguyên đối với DL và

UL trên mỗi khung

Chương III

KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM TRONG MẠNG WIMAX

3.1 Giới thiệu về OFDM

3.1.1 Lịch sử phát triển

Trong những năm gần đây, Phương thức ghép kênh phân chia theo tần số trựcgiao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) không ngừng được nghiêncứu và mở rộng phạm vi ứng dụng bởi những ưu điểm của nó trong tiết kiệm băng tần

và khả năng chống lại Fading chọn lọc theo tần số cũng như xuyên nhiễu băng hẹp

Kỹ thuật OFDM do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ

Hình 3.1: So sánh sự sử dụng băng thông giữa FDM và OFDM

Trong kỹ thuật OFDM, một bản tin được truyền đi trên một số N sóng mang con ( N có thểđiều chỉnh tùy theo độ lớn của bản tin) N sóng mang con này tạo thành một nhóm, tạm gọi

là tín hiệu OFDM (symbol)

3.2 Từ điều chế đơn sóng mang đến điều chế trực giao OFDM

3.2.1 Phương pháp điều chế đơn sóng mang

Hình 3.2: Biểu diễn phổ tín hiệu trong miền thời gian

Trong phương pháp điều chế đơn sóng mang, dòng tín hiệu được truyền đi trên toàn bộbăng tần B, có nghĩa là tần số lấy mẫu của hệ thống bằng độ rộng băng tần và mỗi tínhiệu có độ dài là

* Hai lý do nêu trên làm cho bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu ở máy thu là phức tạp

3.2.2 Phương pháp điều chế đa sóng mang OFDM

Tín hiệu được gọi là trực giao với nhau nếu chúng độc lập với nhau