WIMAX VÀ KỸ THUẬT OFDM TRONG WIMAX

WiMax là một mạng không dây băng thông rộng viết tắt là Worldwide Interoperability for Microwave Access. WiMax được thiết kế dựa vào tiêu chuẩn IEEE 802.16. WiMax đã giải quyết tốt nhất những vấn đề khó khăn trong việc quản lý đầu cuối.

ĐAVT GVHD: Võ Thị Hương 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 : “WIMAX VÀ KỸ THUẬT OFDM TRONG WIMAX “ Nội dung báo cáo đồ án gồm : Chương 1: Tổng quan về công nghệ WiMAX Chương 2: Tổng quan về Kĩ thuật OFDM Chương 3 : Ảnh hưởng của nhiễu trong WIMAX và các biện pháp khắc phục Chương 4 : Ảnh hưởng của kênh vô tuyến đến truyền dẫn tín hiệu Trong quá trình làm đề tài , chúng em đã cố gắng song do kiến thức hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót; chúng em rất mong nhận được sự thông cảm , phê bình , hướng dẫn tận tình của Cô và sự giúp đỡ của bạn bè . Chúng em xin chân thành cảm ơn cô Võ Thị Hương đã hướng dẫn và các bạn lớp học phần 10ĐAKTVT02 đã giúp đỡ chúng em trong quá trình hoàn thành đồ án này . ***** SVTH :THANH BÌNH –DUY CẬN :09LTĐT ĐAVT GVHD: Võ Thị Hương MỤC LỤC Chương 1: Tổng quan về công nghệ WIMAX .1 1.1 Giới thiệu chương .1 1.2 Khái niệm về WIMAX 1 1.3 Khái niệm về IEEE 802.16 2 1.4 Giới thiệu chuẩn 802.16 OFDM .4 1.4.1 Bảng thông số kĩ thuật .4 1.4.2 Các băng tần số 5 1.4.3 Chức năng phân kênh(Subchannelization) .5 1.4.4 Cấu trúc khung .6 1.5 Chuẩn 802.16 -2004 OFDMA .7 1.5.1 Giới thiệu chương 7 1.5.2 Tổng quát về khung (Frame) 8 1.5.3 Các phần trong khung (Frame parts ) .8 1.5.3.1 Preamble 9 1.5.3.2 FCH .9 1.5.3.3 DL-MAP\UL-MAP .9 1.6 Chuẩn 802.16e .9 1.7 Lớp MAC và lớp PHY trong WiMAX .11 1.7.1 Giới thiệu chung .11 SVTH :THANH BÌNH –DUY CẬN :09LTĐT ĐAVT GVHD: Võ Thị Hương 1.7.2 Lớp MAC .12 1.7.2.1 Lớp SSCS (Service-Specific Convergence Sublayer) 13 1.7.2.2 Lớp CPS (Common Part Sublayer) .13 1.7.3 Lớp PHY 17 1.7.3.1 Giới thiệu chung 17 1.7.3.2 Phương pháp ghep kênh 18 1.8 Các kỹ thuật sử dụng trong WiMAX để khắc phục những ảnh hưởng của môi trường NLOS 19 1.9 Ứng dụng 20 1.10 Kết luận chương .21 Chương 2 : Tổng quan về kỹ thuật OFDM 22 2.1 Giới thiệu chương 22 2.2 Khái niệm OFDM .23 2.3 So sánh FDM và OFDM .23 2.4 Tính trực giao 25 2.5 Cấu trúc OFDM .26 2.6 Sơ đồ khối của hệ thống OFDM .27 2.6.1 Bộ chuển đổi nối tiếp song song 28 2.6.2 Mã hoá kênh và sắp xếp(Coding & Mapping) trong hệ thống OFDM 28 2.6.2.1 Mã hoá kênh 28 2.6.2.2 Ánh xạ ( Mapping ) .29 2.6.3 Ứng dụng kĩ thuật IFFT/FFT trong OFDM .30 2.6.4 Tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix) 32 2.6.5 Điều chế RF 33 2.7 Đồng bộ .34 SVTH :THANH BÌNH –DUY CẬN :09LTĐT ĐAVT GVHD: Võ Thị Hương 2.7.1 Đồng bộ kí tự .34 2.7.1.1 Lỗi thời gian 34 2.7.1.2 Nhiễu pha sóng mang 35 2.7.2 Đồng bộ tần số sóng mang .35 2.7.2.1 Lỗi tần số .35 2.7.2.2 Ước lượng tần số .36 2.7.2.3 Nhận xét 36 2.7.3 Đồng bộ tần số lấy mẫu 36 2.8 OFDM trong hệ thống .37 2.9 Ưu nhược điểm của hệ thống OFDM 38 2.9.1 Ưu điểm 38 2.9.2 Nhược điểm 39 2.10 Kết luận chương 39 Chương 3 : Ảnh hưởng của nhiễu trong WIMAX và các biện pháp khắc Phục .40 3.1 Giới thiệu chương : .40 3.2 Sơ đồ khối của hệ thống thông tin vô tuyến : 40 3.3 Ảnh hưởng của nhiễu trong hệ thống vô tuyến : .41 3.3.1 Suy hao (pathloss) .41 3.3.2 Che chắn (shadowing) 42 3.3.3 Nhiễu đồng kênh CCI .43 3.3.4 Hiện tượng đa đường (multipath) : 44 3.3.5 Hiện tượng Doppler 46 3.4 Các biện pháp nhằm giảm ảnh hưởng của nhiễu được sử dụng trong WiMAX.47 3.4.1 Tái sử dụng tần số phân đoạn 47 SVTH :THANH BÌNH –DUY CẬN :09LTĐT ĐAVT GVHD: Võ Thị Hương 3.4.2 Các biện pháp giảm phadinh .48 3.4.2.1 Phading băng hẹp (phadinh phẳng ) 49 3.4.2.2 Phadinh băng rộng (phadinh lựa chọn tần số ) 51 3.4.2.3 Bộ cân bằng 51 3.4.2.4 Mã hoá và điều chế thích nghi .52 3.4.2.5 Mã hoá kênh (channel coding) .55 3.5 kết luận chương 57 Chương 4 :Ảnh hưởng của kênh vô tuyến đến truyền dẫn tín hiệu 58 4.1 Giới thiệu chương 58 4.2 Kênh Fadinh đa đường (Multipath fadinh channel) 59 4.2.1 Thông số tán xạ thời gian (Time dispersion parameter) 60 4.2.2 Giải thông kết hợp (coherence bandwidth) 60 4.2.3 Phổ doppler (doppler spectrum) .60 4.2.4 Trải doppler và thời gian kết hợp (Doppler spread and coherence time) .62 4.3 Mô hình đáp ứng xung của kênh fading 64 4.4 Phân bố Rayleigh và phân bố Ricean 66 4.4.1 Phân bố Rayleigh .66 4.4.2 Phân bố Ricean .68 4.5 Kết luận chương .69 . CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WiMAX SVTH :THANH BÌNH –DUY CẬN :09LTĐT ĐAVT GVHD: Võ Thị Hương 1.1 Giới thiệu chương Chương này giới thiệu về WiMax, lịch sử phát triển của chuẩn IEEE 802.16, cấu trúc và các thông số kỹ thuật của chuẩn 802.16 OFDM, 802.16-2004 OFDMA , 802.16e cũng như tìm hiểu một cách khái quát về lớp MAC và lớp PHY. Qua đó, giúp người đọc hiểu được những ưu điểm và nhược điểm của Wimax so với các thế hệ trước. 1.2 Khái niệm về WiMax WiMax là một mạng không dây băng thông rộng viết tắt là Worldwide Interoperability for Microwave Access. WiMax được thiết kế dựa vào tiêu chuẩn IEEE 802.16. WiMax đã giải quyết tốt nhất những vấn đề khó khăn trong việc quản lý đầu cuối. WiMax sử dụng kỹ thuật sóng vô tuyến để kết nối các máy tính trong mạng Internet thay vì dùng dây để kết nối như DSL hay cáp, modem. Trong Wimax, người sử dụng có thể sử dụng trong phạm vi từ 3 đến 5 dặm so với trạm chủ (BS) nếu thiết lập một đường dẫn công nghệ NLOS (Non-Line-Of-Sight) với tốc độ truyền dữ liệu rất cao là 75Mbps. Còn nếu người sử dụng trong phạm vi lớn hơn 30 dặm so với trạm chủ (BS) thì sẽ có anten sử dụng công nghệ LOS (Line-Of-Sight) với tốc độ truyền dữ liệu gần bằng 280Mbps. Nếu so với Wimax thì WiLANs (Wireless Local Area Networks) cũng là mạng không dây kết nối các thiết bị trong một phạm vi hẹp hơn so WiMax như là một văn phòng hay một gia đình. Các thiết bị theo chuẩn 802.11b sẽ cung cấp tốc độ 11Mbps và các thiết bị theo chuẩn 802.11g sẽ cung cấp tốc độ 54Mbps. Bảng 1.1. So sánh giữa WiLANs và WiMAX Technology Primary use Data rates WiMAX 802.16 External 75 – 250 Mbps SVTH :THANH BÌNH –DUY CẬN :09LTĐT ĐAVT GVHD: Võ Thị Hương WiLAN 802.11g Internal Up to 54Mbps WiLAN 802.11b Internal Up to 11Mbps Bảng trên cho ta thấy WiMax có tốc độ truyền dữ liệu lớn hơn so với WiLANs. Chính điều này đã làm cho WiMax trở nên ưu điểm hơn so với mạng không dây khác. 1.3 Khái niệm về IEEE 802.16 Ngày nay đã có rất nhiều hệ thống mạng không dây ra đời như là WiFi, bluetooth nhưng chúng không bằng những ưu điểm mà WiMax đã thể hiện. Trong vài năm gần đây, những vấn đề đang được quan tâm hiện nay như bảo mật, QoS, giá thành và những vấn đề khác nữa… gặp rất nhiều khó khăn. Nhưng đối với WiMax thì những vấn đề trên trở nên khá đơn giản, nó đáp ứng được nhu cầu internet không dây do chính WISPs (Wireless Internet Providers) cung cấp với giá thành rẻ và tốc độ truyền cao khi kết nối đến thiết bị đầu cuối trong một khoảng cách truyền lớn. Về tiêu chuẩn, WiMax là một bộ tiêu chuẩn dựa trên họ tiêu chuẩn 802.16 của IEEE nhưng hẹp hơn và tập trung vào một số cấu hình nhất định. Hiện có 2 chuẩn của WiMax là 802.16-2004, 802.16-2005. - Chuẩn 802.16-2004 (trước đó là 802.16 REVd) được IEEE đưa ra tháng 7 năm 2004. Tiêu chuẩn này sử dụng phương thức điều chế OFDM và có thể cung cấp các dịch vụ cố định, nomadic (người sử dụng có thể di chuyển nhưng cố định trong lúc kết nối) theo tầm nhìn thẳng (LOS) và không theo tầm nhìn thẳng (NLOS). - Chuẩn 802.16-2005 (hay 802.16e) được thông qua IEEE tháng 12/2005. Tiêu chuẩn này sử dụng phương thức điều chế SOFDMA (Scalable Orthogonal Frequency Division Multiplexing), cho phép thực hiện các chức năng chuyển vùng(handover) và chuyển mạng(roaming) nên có thể cung cấp đồng thời dịch vụ cố định, nomadic, mang xách được (người sử dụng có thể di chuyển với tốc độ đi bộ), di động hạn chế và di động. IEEE 802.16 sử dụng ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM như là phương pháp truyền cho kết nối NLOS. Tín hiệu OFDM được tạo từ nhiều sóng SVTH :THANH BÌNH –DUY CẬN :09LTĐT ĐAVT GVHD: Võ Thị Hương mang trực giao và mỗi một sóng mang được điều chế số với tốc độ ký tự thấp. WiMax có băng thông không phải là một hằng số mà thay đổi từ 1.25MHz đến 28MHz. Trong chuẩn IEEE 802.16-2004, một khác biệt có thể nhận thấy được giữa hai phương pháp: OFDM và OFDMA. Trong chế độ OFDM thông thường, 200 sóng mang đã có sẵn cho việc truyền dữ liệu và cả hai phương pháp song công TDD và FDD đều được sử dụng. Còn đối với chế độ OFDMA, những thuê bao khác nhau có thể được phục vụ đồng thời bởi việc cho mỗi thuê bao một nhóm sóng mang riêng biệt để mang dữ liệu đến thuê bao đó. Số lượng sóng mang có thể tăng lên một cách đáng kể. Chuẩn IEEE 802.16e là một chuẩn mở rộng của WiMax ở tần số 6 GHz với mục đích ứng dụng trong di động . Lịch sử phát triển của các loại chuẩn IEEE 802.16 được cho trong hình sau. (Hình 2.2) 1.4 Giới thiệu chuẩn 802.16 OFDM 802.16 sử dụng kỹ thuật truy cập OFDM mà đã được sử dụng trong các hệ thống khác như 802.11a. Những đặc điểm mới chính trong lớp PHY - quan hệ với 802.11a là: số sóng mang FFT dài hơn ( từ 64-FFT đến 256-FFT); thay đổi được SVTH :THANH BÌNH –DUY CẬN :09LTĐT Hình 1.1. Từ 802.11b tới 802.16e ĐAVT GVHD: Võ Thị Hương băng thông kênh và tần số lấy mẫu, và thay đổi được tỷ số của hai giá trị này; nhiều người sử dụng được với một Tx burst; loại điều chế có thể thay đổi theo thời gian trong khung; bốn thay cho hai giá trị khoảng bảo vệ cần thiết. Bảng 1.2. Các tiêu chuẩn của 802.16 1.4.1 Bảng thông số kỹ thuật Bảng 1.3. Các thông số kỹ thuật của chuẩn 802.16 1.4.2 Các băng tần số SVTH :THANH BÌNH –DUY CẬN :09LTĐT ĐAVT GVHD: Võ Thị Hương Bảng 1.4. Các băng tần số 1.4.3 Chức năng phân kênh (Subchannelization) WIMAX được thiết kế để vận hành như là một mạng cơ sở hạ tầng, và sự phân chia tài nguyên này cũng là một vấn đề quan trọng. Với WIMAX ( OFDM và OFDMA), Subchannelization cho phép ta nhóm hoàn toàn một số các sóng mang OFDM thành các block và phân cho mỗi block thành các segment khác nhau của trạm BS. Những block được trải ra trên hoàn toàn vùng tần số và gồm một số các sóng mang liên tiếp nhau. Subchannel index điều khiển sử dụng những Block khác nhau trên toàn bộ phổ. Số sóng mang dữ liệu hoàn tất (192) có thể được chia thành 2, 4, 8 hoặc 16 Subchannel. Tất cả các sóng mang được trải trên 4 vùng " regions" khác nhau của vùng tần số. Nếu bốn Subchannel được sử dụng như ví dụ dưới đây, sẽ có 16/4 = 4 subchannel khác nhau và 192/4 = 48 sóng mang trên subchannel, mà được chia trên 4 "region" khác nhau, vì vậy có thể coi 48/4 = 12 sóng mang liên tiếp / subchannel block. SVTH :THANH BÌNH –DUY CẬN :09LTĐT Hình 1.2 Subchannelization với 4 kênh sử dụng [...]... triển của kỹ thuật số làm cho kỹ thuật điều chế OFDM được ứng dụng trở nên rộng rãi Thay vì sử dụng IDFT người ta có thể sử dụng phép biến đổi nhan IFFT cho bộ điều chế OFDM, sử dụng FFT cho bộ giải điều chế OFDM Trong chương này sẽ lần lượt trình bày về các khái niệm cơ bản trong OFDM, sự khác nhau giữa OFDM và FDM, tính trực giao, cấu trúc OFDM, sơ đồ khối hệ thống OFDM, vấn đề đồng bộ trong OFDM, ưu... OFDM, ưu nhược điểm của hệ thống OFDM, kỹ thuật điều chế sử dụng trong OFDM 2.2 Khái niệm OFDM Kỹ thuật OFDM là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Đó là sự kết hợp giữa mã hóa và ghép kênh Thường thường nói tới ghép kênh người ta thường nói tới những tín hiệu độc lập từ những nguồn độc lập được tổ hợp lại Trong OFDM, những tín hiệu độc SVTH... kí tự OFDM thứ hai, ta có thể nội suy trong miền thời gian từ sự ước lượng cho kí tự OFDM thứ 1 và thứ 3 2.6 Sơ đồ khối của hệ thống OFDM Những tín hiệu OFDM được tạo ra trong miền tần số vì khó tạo ra những bank lớn các bộ dao động và những bộ thu khóa pha trong miền tương tự Hình 2.8 là sơ đồ khối của bộ phát và thu OFDM cơ bản Phần máy phát biến đổi dữ liệu số cần truyền, ánh xạ vào biên độ và pha... Hình 1.13 Mô tả về FDD và TDD Hình 1.14 Cấu trúc khung của FDD SVTH :THANH BÌNH –DUY CẬN :09LTĐT Hình 1.15 Cấu trúc khung của TDD GVHD: Võ Thị Hương ĐAVT 1.8 Các kỹ thuật sử dụng trong WiMAX để khắc phục những ảnh hưởng của môi trường NLOS Hình 1.16 Vị trí NLOS của CPE Các kỹ thuật được sử dụng để giải quyết hay giảm nhẹ những ảnh hưởng trong môi trường NLOS của WiMAX là: • Kỹ thuật OFDM • Phân chia kênh... -1 1 3 5 7 Bảng 2.1 : Các giá trị trong mã hóa 64-QAM 2.6.3 Ứng dụng kĩ thuật IFT/FFT trong OFDM Như đã đề cập trong phần khái niệm về OFDM, ta đã biết OFDM là kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ rất nhiều sóng mang phụ Để làm được điều này, cứ mỗi kênh phụ, ta cần một máy phát sóng sin, một bộ điều chế và một bộ giải điều chế Trong trường hợp số kênh phụ là khá... Cấu trúc OFDM trong miền tần số Trong một hệ thống OFDM, tài nguyên sẵn có trong miền thời gian chính là các symbol OFDM và trong miền tần số chính là các sóng mang con Các tài nguyên này được tổ chức thành các kênh con (sub-channel) cấp phát cho người dùng Hình 2.6: Cấu trúc kênh con OFDM SVTH :THANH BÌNH –DUY CẬN :09LTĐT GVHD: Võ Thị Hương ĐAVT Hình 2.7: Cấu trúc lát OFDM Cấu trúc kênh con OFDM được... không dây trong mạng không dây khác sẽ dễ gây ảnh đến WiMax trong phạm vi làm việc của nó nên đó chính là nguyên nhân gây ra việc trôi dữ liệu trong quá trình truyền dẫn kết nối các thiết bị trong mạng WiMax CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ KĨ THUẬT OFDM 2.1 Giới thiệu chương SVTH :THANH BÌNH –DUY CẬN :09LTĐT GVHD: Võ Thị Hương ĐAVT Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao là một kĩ thuật truyền mà trong đó tập... mở rộng chức năng của OFDM bằng cách thêm vào đặc điểm đa truy cập trong miền tần số Điều này có nghĩa là băng thông được chia thành các khe cho người sử dụng trong miền thời gian và miền tần số SVTH :THANH BÌNH –DUY CẬN :09LTĐT GVHD: Võ Thị Hương ĐAVT Hình 1.4 Sự so sánh OFDM và OFDMA Điểm khác với chuẩn FDMA là các sóng mang OFDMA cho các user khác nhau là rất gần với nhau và cho phép các sóng mang... nhỏ DL và UL Những khung nhỏ DL và UL được bắt đầu với ô preamble (cho biết giới hạn số sóng mang của symbol) để tìm lại thông tin về kênh truyền và cho phép máy thu tìm lại đáp ứng kênh Ô FCH và DL MAP chứa thông tin về nội dung khung (vị trí và kiểu điều chế của mỗi burst) và được điều chế - BPSK (hình 2.4) Hình 1.3 Cấu trúc khung 802.16 OFDM 1.5 Chuẩn 802.16-2004 OFDMA 1.5.1 Giới thiệu chung OFDMA... khung downlink Nó bao gồm các sóng mang điều chế-BPSK và có độ dài 1 symbol OFDMA Preamble được sửdụng vào hai mục đích: SVTH :THANH BÌNH –DUY CẬN :09LTĐT GVHD: Võ Thị Hương ĐAVT - Bố trí tuần tự pilot vào trong ô preamble để làm cho nó dễ dàng hơn cho máy thu trong việc đánh giá lỗi tần số và pha và để đồng bộ với máy phát Chúng được sử dụng để đánh giá và cân bằng kênh - Số sóng mang preamble sử dụng . 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 : WIMAX VÀ KỸ THUẬT OFDM TRONG. phương pháp: OFDM và OFDMA. Trong chế độ OFDM thông thường, 200 sóng mang đã có sẵn cho việc truyền dữ liệu và cả hai phương pháp song công TDD và FDD đều