Nghiên cứu và mô phỏng hệ thống wimax

LỜI CẢM ƠN Đồ án tốt nghiệp khép lại toàn trình học đại học em suốt năm qua Trường đại học Công nghệ thông tin Truyền thông – Đại học Thái Nguyên Em xin gửi lời cảm ơn tới tất thầy cô giáo Trường đại học Công nghệ thông tin Truyền thông dạy dỗ bảo tận tình, cung cấp kiến thức cần thiết làm sở tảng cho em hoàn thành đồ án tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo hướng dẫn Ths Hoàng Quang Trung môn Công Nghệ Điện Tử Và Truyền Thông giúp đỡ nhiệt tình, ân cần bảo, hướng dẫn em suốt thời gian qua Con xin biết ơn ghi công Bố Mẹ gia đình động viên, tạo điều kiện tốt để yên tâm học tập hoàn thành đồ án cách tốt Xin cảm ơn bạn bè cổ vũ động viên tạo điều kiện để hoàn thành đồ án Tuy em cố gắng để hoàn thành đồ án cách tốt tránh khỏi thiếu xót Em mong nhận quan tâm, góp ý giúp đỡ thầy cô bạn để đồ án hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn Sinh Viên thực Nguyễn Đức Huy i LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan nội dung đồ án thiết kế sản phẩm không chép hoàn toàn nội dung từ đồ án khác, thiết kế sản phẩm khác, sản phẩm đồ án thân em nghiên cứu xây dựng ii LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii LIỆT KÊ HÌNH VẼ v LIỆT KÊ BẢNG vii CÁC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT viii MỞ ĐẦU CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ WIMAX 1.1 Giới thiệu wimax .3 1.2 Các chuẩn Wimax 1.2.1 Chuẩn IEEE 802.16-2001 1.2.2 Chuẩn IEEE 802.16a 1.2.3 Chuẩn IEEE 802.16-2004 1.2.4 Chuẩn IEEE 802.16e 1.3 Dải tần hoạt động 1.3.1 Băng tần đăng ký .9 1.3.2 Băng tần không đăng ký 5GHz 10 1.3.3 Các băng tần đề xuất cho WiMAX giới 10 1.3.4 Các băng tần Việt Nam có khả dành cho WiMAX 11 1.4 Mô hình hệ thống Wimax 12 1.5 Các ưu nhược điểm WiMAX 15 1.5.1 Ưu điểm 15 1.5.2 Nhược điểm 17 1.6 Cấu trúc WiMAX 17 1.6.1 Các đặc tính lớp vật lý 18 1.6.2 Các đặc tính lớp truy nhập (MAC) 19 1.7 So sánh WiMAX với 3G 20 1.8 Các ứng dụng 22 CHƯƠNG II 23 CÁC KỸ THUẬT SỬ DỤNG TRONG WIMAX 23 2.1 Kỹ thuật điều chế OFDM 23 2.1.1 Giới thiệu 23 2.1.2 Nguyên lý OFDM 24 2.1.3 Nguyên lý điều chế 25 2.1.4 Tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix) 33 2.1.5 Nguyên lý giải điều chế OFDM 34 2.1.6 Đặc tính kênh truyền vô tuyến hệ thống OFDM 37 2.1.7 Tỷ số công suất đỉnh công suất trung bình (PAPR) 43 2.1.8 Ưu điểm hạn chế kĩ thuật OFDM 44 2.2 Kỹ thuật OFDMA cho Wimax 46 iii 2.2.1 Giới thiệu 46 2.2.2 Đặc điểm 46 2.2.3 Hệ thống OFDMA 48 2.2.4 Điều khiển công suất 51 CHƯƠNG III 52 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG WIMAX 52 3.1 Giới hạn chương trình mô 52 3.2 Sơ đồ khối hệ thống WiMAX 52 3.2.1 Sơ đồ khối bên phát 52 3.2.2 Sơ đồ khối bên thu 53 3.3 Thiết kế khối 54 3.3.1 Khối tạo liệu ngẫu nhiên 54 3.3.2 Khối điều chế FEC điều chế 54 3.3.3 Khối tạo gói liệu 59 3.3.4 Khối mã hóa không gian thời gian 60 3.3.5 Khối điều chế giải điều chế OFDM 61 3.3.6 Kênh truyền 62 3.3.7 Khối giải điều chế kết hợp không gian -thời gian 62 3.3.8 Giản đồ hiển thị điểm chòm 63 3.3.9 Khối giải điều chế FEC 63 3.3.10 Khối Rate ID 64 3.4 Kết mô 64 3.4.1 Sơ đồ chòm tín hiệu sau điều chế bên phát 65 3.4.2 Sơ đồ chòm tín hiệu trước giải điều chế bên thu 65 3.4.3 Phổ tín hiệu anten phát thứ anten thứ hai 66 3.4.4 Phổ tín hiệu OFDM nhận bên phía thu 66 KẾT LUẬN 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 iv LIỆT KÊ HÌNH VẼ Hình 1.1: Hình 1.2: Hình 1.3: Hình 1.4: Hình 1.5: Hình 1.6: Hình 1.7: Hình 1.8: Hình 1.9: Hình 2.1: Hình 2.2: Hình 2.3: Hình 2.4: Hình 2.5: Hình 2.6: Hình 2.7: Hình 2.8: Hình 2.9: Hình 2.10: Hình 2.11: Hình 2.12: Hình 2.13: Hình 2.14: Hình 2.15: Hình 2.16: Hình 2.17: Hình 2.18: Hình 2.19: Hình 2.20: Hình 2.21: Hình 2.22: Hình 2.23: Hình 2.24: Hình 2.25: Hình 2.26: Hình 2.27: Hình 3.1: Hình 3.2: Hình 3.3: Hình 3.4: Hình 3.5: Hình 3.6: Hình 3.7: Mô hình mạng WiMAX .3 Lộ trình công nghệ WiMAX Mô hình hệ thống WiMAX 12 Mô hình Kết nối WiMAX tòa nhà 13 Miền Fresnel thứ 14 Sự phản xạ tín hiệu từ nơi phát đến nơi thu 14 Mô hình kỹ thuật điều chế 16 Mô hình phân lớp hệ thống WiMAX so với OSI 18 Các ứng dụng WiMAX 22 Phương thức điều chế FDM OFDM 25 Bộ điều chế OFDM 25 Các sóng mang trực giao OFDM 27 Mô hình trực giao 28 Đáp ứng tần số sóng mang phụ 29 Sơ đồ điều chế OFDM sử dụng điều chế IFFT 30 Phổ tín hiệu OFDM 32 Xung sở 32 Tiền tố lặp CP OFDM 33 Mô hình kênh truyền 34 Bộ thu tín hiệu OFDM 35 Tách chuỗi bảo vệ 36 Sơ đồ khối giải điều chế OFDM sử dụng thuật toán FFT 37 Ảnh hưởng môi trường vô tuyến 37 Tín hiệu đa đường 38 Fading Rayleigh thiết bị di động di chuyển 38 Trải trễ đa đường 40 Hiệu ứng độ dịch Droppler 41 Lỗi dịch tần số gây nhiễu ICI OFDM 43 Sự xuất đỉnh cao sóng mang 44 ODFM OFDMA 46 Ví dụ biểu đồ tần số, thời gian với OFDMA 47 Cấu trúc sóng mang 47 Ký hiệu OFDMA WiMAX 48 Tổng quan hệ thống sử dụng OFDMA 48 Mẫu tín hiệu dẫn đường OFDMA 49 Điều chế thích nghi 50 Sơ đồ khối hệ thống WiMAX 52 Sơ đồ khối bên phát 52 Sơ đồ khối bên phía thu 53 Khối tạo liệu ngẫu nhiên 54 Khối điều chế sửa lỗi 54 Khối điều chế sửa lỗi QPSK ½ 55 Khối mã hóa RS 55 v Hình 3.8: Hình 3.9: Hình 3.10: Hình 3.11: Hình 3.12: Hình 3.13: Hình 3.14: Hình 3.15: Hình 3.16: Hình 3.17: Hình 3.18: Hình 3.19: Hình 3.20: Hình 3.21: Hình 3.22: Hình 3.23: Hình 3.24: Hình 3.25: Hình 3.26: Mã hóa xoắn với tốc độ 1/2 58 Khối chèn 58 Khối tạo gói liệu 59 Sơ đồ khối mã hóa theo không gian thời gian 60 Các symbol phát thu theo mã hóa không gian- thời gian 61 Khối điều chế OFDM 61 Khối giải điều chế OFDM 62 Khối giải điều chế kết hợp không gian-thời gian 62 Khối hiển thị chòm 63 Sơ đồ khối giải điều chế FEC 63 Khối giải mã FEC sử dụng QPSK 63 Khối chọn kỹ thuật điều chế 64 Sơ đồ chòm tín hiệu phát 65 Sơ đồ chòm tín hiệu bên phía thu trước giải điều chế65 Phổ tín hiệu OFDM anten phát thứ 66 Phổ tín hiệu OFDM anten phát thứ hai 66 Phổ tín hiệu OFDM nhận bên phía thu 67 Tỷ số SNR=2 68 Tỷ số SNR=21 68 vi LIỆT KÊ BẢNG Bảng 1.1 Bảng 2.1 Bảng 2.2 Bảng 3.1 Bảng 3.2 Bảng 3.3 Bảng 3.4 So sánh WiMAX di động 3G 21 Sự phân bố tích luỹ phân bố Rayleigh 39 Các giá trị trải trễ thông dụng 40 Thông số mã hóa RS 56 Vector phân chia tương ứng với tốc độ mã hóa 58 Tham số Rate ID kỹ thuật điều chế 64 Tỷ số SNR phương pháp điều chế 67 vii CÁC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT Tiếng Anh Tiếng Việt AAS Advanced Antenna Systems Các hệ thống anten thích nghi ARQ Automatic Repeat reQuest Tự động lặp lại yêu cầu ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ Truyền tải Bất đồng AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gaussian trắng cộng BER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bit BPSK Binary Phase Shift Keying điều chế pha nhị phân BS Base Station Trạm sở BTS Base Transceiver Station Trạm gốc BWA Broadband Wireless Access Truy cập băng rộng không dây CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CP Cyclic Prefix Tiền tố lặp CPE Customer Premiscs Equipment Thiết bị khách hàng DES Data Encryption Standard Mã hóa liệu chuẩn DSL Digital Subcriber Line Đường thuê bao số FDD Frequency Division Deplex Ghép kênh phân chia theo tần số FEC Forward Error Correction Sửa lỗi trước FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh FTP File Transfer Protocol Giao thức chuyển tập tin GI Guard Interval Khoảng bảo vệ ICI Inter Channel Interfearence Nhiễu liên kênh IDFT Inverse Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier ngược IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers Học Viện Kỹ Sư Điện Điện Tử IFFT Inverse fast fourrier transform Biến đổi Fourier ngược IP Internet Protocol Giao thức Internet ISI Inter Symbol Interfearence Nhiễu liên ký tự LAN Local Area Network Mạng cục LOS Line of sight Đường truyền thẳng LDPC Low-Density-Parity-Check Mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường MANET Mobile Ad_hoc Netword Mạng di động Ad_hoc MIMO Multiple Input Multiple Output Đa đầu vào đa đầu MISO Multiple Input Single Output Đa đầu vào đơn đầu NIC Network Interface Card Card giao tiếp mạng viii NLOS Non line of sight Đường truyển không thẳng OFDM Orthogonal Frequency Division Ghép kênh phân chia theo tần số trực Multiplexing giao Orthogonal Frequency Division Đa truy nhập phân chia theo tần số trực Multiplexing Access giao PAPR Peak to Average Power Ratio Tỉ số công suất đỉnh công suất tb QPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều chế pha trực giao QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ trực giao QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ RARP Reverse Address Resolution Protocol Giao thức phân giải ngược lại địa SAP Service Access Point Dịch vụ điểm truy cập SER Symbol Error Rate Tỉ lệ lỗi Symbol SC Single Carrier Sóng mang đơn SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín/tạp SS Subscriber Stations Trạm thuê bao TDD Time Division Duplex Song công phân chia theo thời gian TDM Time Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo thời gian TDMA Time Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo thời gian TELNET Telecommunication Network Mạng truyền thông VoIP Voice Over IP Tiếng nói qua IP WAN Wide Area Network Mạng diện rộng WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Khả tương tác toàn cầu với truy Access nhập vi ba OFDMA WIFI Wireless Fidelity WLAN Wireless Local Area Network Mạng không dây cục WMAN Wireless Metropolitan Area Network Mạng đô thị ix MỞ ĐẦU *** Trong năm gần đây, kỹ thuật thông tin vô tuyến có bước tiến triển vượt bậc Sự phát triển nhanh chóng video, thoại thông tin liệu internet, điện thoại di động có mặt khắp nơi, nhu cầu truyền thông đa phương tiện di động ngày phát triển Nếu sử dụng hệ thống đơn sóng mang truyền thống cho dịch vụ hệ thống thu phát có độ phức tạp cao nhiều so với việc sử dụng hệ thống đa sóng mang, ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) giải pháp quan tâm để giải vấn đề Sự đời hệ thống WiMAX mang lại cách mạng cho hệ thống vô tuyến mạng internet toàn giới Hệ thống WiMAX đáp ứng nhược điểm mạng vô tuyến truyền thống Nhờ vào kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM, hệ thống WiMAX tiết kiệm băng thông cách đáng kể Hệ thống WiMAX đạt tốc độ truyền liệu mà hệ thống vô tuyến truyền thống thực được, với linh hoạt hệ thống nên tín hiệu WiMAX phủ sóng với bán kính 50Km Khi hệ thống WiMAX đời hệ thống thông tin vô tuyến nói chung internet nói riêng đáp ứng đầy đủ dịch vụ băng thông rộng cho hệ thống giải trí, quảng cáo Ngoài năm gần đây, bùng nổ mạng vô tuyến, khả liên lạc vô tuyến gần tất yếu thiết bị cầm tay, máy tính xách tay, điện thoại di động số thiết bị khác Với tính ưu việt kết nối khả đáp ứng nhu cầu ngày cao người, hệ thống WiMAX đóng vai trò quan trọng phát triển thông tin Từ ưu điểm vai trò quan trọng hệ thống WiMAX tương lai, em đăng ký đồ án với tên “Nghiên cứu mô hệ thống Wimax” Trong đề tài này, e tìm hiểu phân tích vấn đề sau: Đồ án tốt nghiệp gồm có ba chương: gọn Tất thuật toán mã hoá RS sử dụng mã RS trường Galois GF(2m) Một mã RS đặc trưng hai đa thức: đa thức trường đa thức sinh Đa thức trường xác định trường Galois mà symbol thành phần trường Đa thức sinh định nghĩa symbol kiểm tra sinh Cả hai đa thức định nghĩa cho mã RS Đa thức trường: Đa thức dùng để tạo trường Galois mã Nó nhập vào dạng số thập phân mà bit dạng nhị phân tương ứng với hệ số đa thức Ví dụ: p( x)  x8  x4  x3  x2   1000111012 28510 Đa thức sinh: Một từ mã RS tạo nhờ đa thức đặc biệt gọi đa thức sinh Tất từ mã hợp lệ chia hết cho đa thức sinh Dạng tổng quát đa thức sinh mã RS gốc sửa sai t lỗi có chiều dài 2m-1 là: g(x) = (x + λ0)(x + λ1)(x + λ2) (x + λ2m-1), λ = 02HEX Với λ phần tử trường GF(2m) Sau đó, từ mã RS tạo theo công thức: C(x) = g(x).i(x) Trong đó: g(x) đa thức sinh i(x) khối thông tin C(x) từ mã hợp lệ Ví dụ: Một mã RS thường gặp RS(255,223) với symbol bit Mỗi từ mã chứa 255 bytes, số có 223 bytes liệu, lại 32 bytes kiểm tra Với mã n=255, k=223, m=8, 2t = 32 Bộ giải điều chế sửa lỗi 16 symbol từ mã, có nghĩa tự động sửa lỗi tối đa 16 byte đâu từ mã cho symbol cỡ m, chiều dài tối đa cho từ mã RS n=2m –1 Ví dụ, chiều dài tối đa cho từ mã có symbol dài bit (m=8) 255 byte Trong chuẩn IEEE 802.16d, Mã hoá Reed-Solomon sử dụng cặp (n,k) tương ứng với dạng điều chế sau: Bảng 3.1 Thông số mã hóa RS 56 Dạng điều chế Byte trước Byte sau mã Mã hóa RS mã hóa (k) hóa(n) (n,k) QPSK ½ 24 32 (32, 24) QPSK ¾ 36 40 (40, 36) 16 QAM ½ 48 64 (64, 48) 16 QAM ¾ 72 80 (80, 72) 64 QAM 2/3 96 108 (108, 96) 64 QAM ¾ 108 120 (120, 108) Độ phức tạp sức mạnh xử lý để mã hoá giải mã mã RS phụ thuộc vào số lượng symbol kiểm tra từ mã Nếu t có giá trị lớn có nghĩa sửa nhiều lỗi lại đòi hỏi phải sử dụng số phép tính toán lớn so với t có giá trị nhỏ Mã Reed-Solomon có khả sửa nhiều lỗi Một mã RS(n,k) có khả sửa sai tối đa (n-k)/2 lỗi Sở dĩ người ta chứng minh khoảng cách Hamming mã RS (n-k+1) Ngoài sửa lỗi mã RS có khả sửa sai xảy tượng symbol, thủ tục mã hoá giải mã RS(n,k) đảm bảo sửa tối đa (n-k) lỗi liệu Mã RS đặc biệt thích hợp cho sửa lỗi cụm, trường hợp dãy bit lỗi xuất liên tiếp máy thu 3.3.2.2 Khối mã hóa xoắn Sau trình mã hóa RS, bit liệu lại mã hóa mã hóa xoắn nhị phân, mã hóa có tỷ lệ ½ chiều dài bắt buộc Đa thức nguồn sử dụng để lấy hai bit mã hóa ngõ ký hiệu X Y, qui định biểu thức sau đây: G1=171OCT X G2=133OCT Y Một mã hóa xoắn nhận tin có độ dài k0 bit tạo từ mã n0 bit, nói chung tạo thành từ thay đổi đoạn chiều dài hữu hạn L 57 Hình 3.8: Mã hóa xoắn với tốc độ 1/2 Các mã hóa xoắn nhị phân thể hình 3.8 đường có kết nối biểu diễn bit 1, đường kết nối biễu diễn bit 3.3.2.3 Khối phân chia Phân chia trình xóa bit mã hóa tốc độ thấp để giảm lượng liệu truyền đi, tạo thành dạng mã hóa tốc độ cao Việc sử dụng khối phân chia có khả thay đổi tốc độ mã hóa để tránh lỗi hệ thống Các bit xóa theo ma trận phân chia, nơi có bit có nghĩa xóa bit Quá trình phân chia sử dụng để tạo tốc độ mã hóa 1/2 , 2/3, 3/4 5/6 Với tốc độ mã hóa khác tạo vector phân chia khác bảng Bảng 3.2 Vector phân chia tương ứng với tốc độ mã hóa Tốc độ mã hóa Vector phân chia 1/2 [1] 2/3 [1 1 0] 3/4 [1 1 0] Quá trình mã hóa xoắn phân chia thực chung với khối 3.3.2.4 Khối chèn Khối chèn Hình 3.9: 58 Khối chèn cho biết số bit mã hóa kênh truyền tránh lỗi máy thu Chèn liệu sử dụng để phân tán lỗi burst, làm giảm bớt tập trung lỗi tăng hiệu thuật toán FEC cách làm cho kênh truyền thời gian dài Việc chèn thực cách sử dụng đệm mảng hai chiều, liệu nhập vào hàng, xác định số lượng chèn vào sau đọc từ cột Kết lỗi burst kênh sau chèn thêm liệu vào làm cho lỗi dễ phát dễ sửa Tất bit liệu mã hoá chèn khối chèn với kích thước khối tương ứng số bit mã hoá kênh ký hiệu OFDM Vì dạng điều chế khác BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM, nên số bit mã hoá kênh (Ncbps) tương ứng 192, 384, 768, 1152 số bit mã hóa sóng mang (Ncpc) tương ứng 1, 2, 4, Tất dạng mã hóa sử dụng với số lượng kênh 16 3.3.2.5 Khối điều chế giải điều chế Trong điều chế giải điều chế sử dụng dạng BPSK, QPSK, 16QAM, 64-QAM Tùy theo kỹ thuật điều chế mà sử dụng khối giải điều chế tương ứng ứng với khối khác có sơ đồ chòm góc pha khác 3.3.3 Khối tạo gói liệu Hình 3.10: Khối tạo gói liệu 59 Trong chuẩn n IEEE 802.16d, m ký hiệu OFDM gồm m có 192 d liệu, sóng mang dẫn đường ng m mộtt sóng mang DC Các sóng mang dẫn d đường chèn vào cụ ụm liệu theo thứ tự để tạo thành ký hiệệu OFDM sóng mang dẫn đườ ờng điều chế dựa vào vị trí sóng mang c chúng bên ký hiệu hi OFDM Các sóng mang tạo từ khối Pilot Generator Sau chèn sóng mang dẫn d đường liệu u kết k hợp với tạo thành mộtt lu luồng liệu có kích thước [201x2] 3.3.4 Khối mã ã hóa không gian th thời gian Hình 3.11: Sơ đ đồ khối mã hóa theo không gian thời ời gian Tín hiệu sau đư tạo thành gói đưa sang khốii mã hóa không gian thời gian để tạo o thành dòng ddữ liệu u cho anten phát khác Trong chương trình ình mô ph luồng liệu ngõ vào khốii mã hóa theo không gian thờii gian [201x2] ngõ ccủa đường ng tín hiệu hi [201x2] Khốii mã hóa không gian thời th gian sử dụng hai anten với phép hoán vị v sóng mang định nh ngh nghĩa chuẩn IEEE 802.16d Giả sử ta có hai ký tự t liên tiếp C1 C2 ma tr trận mã hóa không gian-thời gian biểu u diễn di sau: Ma trận A mã hóa theo không gian gian-thờii gian có kích thước thư (2×2), trựcc giao tự t nhiên tuân theo khả tốii ưu tuyến tính Điều cung cấp hiệu u qu đáng kể hệ thống có nhiễu đa đườ ờng kênh fading Việcc phát nhận nh tín hiệu u mã hóa không gian thời th gian hiểu khoảng ng chu k kỳ T1 anten phát tín hiệu C1, anten s phát tín hiệu C2 Và khoảng ng T2 anten phát tín hiệu tín hiệu 60 anten s phát Hình 3.12: Các symbol phát thu theo mã hóa không gian- thời gian Tương tự vậy, ma trận mã hóa không gian-thời gian thực với ba bốn anten Bằng cách sử dụng nhiều anten, hệ thống thực cân tốt phương thức truyền đa đường công suất Kỹ thuật mã hóa theo không gian thời gian cho phép sử dụng tối đa hiệu mạng thông tin tế bào Nhờ sử dụng nhiều phần tử anten, kỹ thuật giảm ảnh hưởng nhiễu pha đinh đến mức thấp thay đổi thích nghi giản đồ phương hướng hệ thống anten để giảm thiểu mức nhiễu đa truy cập máy thu 3.3.5 Khối điều chế giải điều chế OFDM 3.3.5.1 Khối điều chế Hình 3.13: Khối điều chế OFDM Trong khối điều chế OFDM bit zero thêm vào điểm bắt đầu điểm kết thúc ký hiệu OFDM Để tạo liệu có kích thước 256 điểm Trong chương trình mô điểm bắt đầu thêm vào 28 bit zero điểm cuối thêm vào 27 bit zero Các bit zero sử dụng để làm khoảng bảo vệ để tránh giao thoa kênh Sau liệu xếp lại đưa đến khối IFFT để biến đổi liệu từ miền tần số sang miền thời gian Để tránh nhiễu ISI ICI trước phát, liệu chèn thêm tiền tố lặp CP 3.3.5.2 Khối giải điều chế 61 Hình 3.14: Khối giải điều chế OFDM Trong khối giảii điều chế tín hiệu thực ngược lạii so với khối điều chế Tín hiệu nhận n đư đưa qua khối chuyển đổi nối tiếp p sang song song, khối loại bỏ chuỗii CP, kh khối biến đổi FFT, khối tạo o frame khối kh loại bỏ băng bảo vệ xếp p lại l chuỗi liệu Tín hiệu ngõ củaa khối kh đưa đến khối kếtt h hợp phân tập không gian thời gian 3.3.6 Kênh truyền Hệ thống mô ng có ssử dụng khối AWGN để mô ng nhiễu nhi kênh truyền gần n vvới hệ thống thực tế Trong thực tế có rấất nhiều loại nhiễu ảnh hưởng đến việệc thu phát tín hiệu, nhiễu làm cho tín hiệu hi thông tin bị méo dạng làm cho phía bên thu khó có th thể thu lạii đư tín hiệu giống ng hoàn toàn bên phát Trong chương tr trình mô ng có sử s dụng khối tạo nhiễu u AWGN với v tỉ số SNR thay đổi để nhận đượcc số s bit khác với tỷ số BER khác 3.3.7 Khối ối giải điều chế v kết hợp không gian -thời gian Hình 3.15: Kh Khối giải điều chế kết hợp không gian-thời ời gian Khối thực n ch chức ngược lại với khốii mã hóa theo không gian thời gian Tín hiệu u ngõ vào llấy từ khối giải điều chế OFDM, tín hiệu hi gửi đến khối giảii điều chế FEC Tín hiệu trước phát đư khối mã hóa theo không gian tthời gian tách thành hai luồng ng chia phân cho hai anten phát, khối giải điều u ch chế kết hợp theo không gian- thờii gian s làm chức nãng kết hợp p tín hiệu hi từ hai anten lại với để tạo luồng ng d liệu ban đầu đồng thời khốii c có chức nãng loại bỏ tín hiệu dẫn đường đư DC 62 3.3.8 Giản ản đồ hiển thị điểm ch chòm Hình 3.16: Khối hiển thị chòm Khối có chứcc hi hiển thị chòm tín hiệu điều u chế ch Khối giản đồ hiển thị hiển thị điểm chòm cho biết đặc tính điềều chế Khối hiển thị có mộtt ngõ vào Tín hi hiệu ngõ vào phải tín hiệu phứcc s biểu diễn sơ đồ chòm tín hi hiệu pha 3.3.9 Khối ối giải điều chế v FEC Hình 3.17: Sơ đồ khối giải điều chế FEC Tín hiệu đưa đến n kh khối giải điều chế để lấy lạii thông tin ban đầu đ Khối có chứcc ngược ngư lại với khối điều chế Trong khốii tín hiệu hi giải điều chế theo k kỹ thuật bên phát, giải điều u chế ch BPSK ½, giải điều chế QPSK ½, giải gi điều chế QPSK ¾, giải điều chế 16QAM ½, giải gi điều chế 16QAM ¾, giải điềều chế 64 QAM 2/3 giải điều chế 64 QAM ¾ Tín hiệu ngõ vào đượcc kkết hợp với xung sở để đưa đến n kỹ k thuật giải điều chế tương ứng Việcc ch chọn khối để thực giải điều chế phụ ph thuộc vào thông số Rate ID Hình 3.18: Khối giải mã FEC sử dụng QPSK 63 Trong khối giải điều chế có sử dụng kỹ thuật giải mã Viterbi, khối sử dụng để giải mã ngược lại với khối mã hóa xoắn bên phía phát Khối giải mã RS sử dụng để giải mã tín hiệu, nhằm tách tín hiệu khỏi đa thức sinh Ngoài giải điều chế có sử dụng thêm khối điều chế, khối điều chế có mục đích điều chế lại tín hiệu đưa qua khối tạo tạo SNR tính tốc độ bit 3.3.10 Khối Rate ID Hình 3.19: Khối chọn kỹ thuật điều chế Khối cho biết tín hiệu điều chế giải điều chế thực theo kỹ thuật Các giá trị tham số Rate ID trình ước lượng tín hiệu nhận bên phía thu mà lựa chọn cho phù hợp Nếu tỷ số SNR lớn sử dụng kỹ thuật điều chế có tốc độ bit cao ngược lại SNR nhỏ chọn kỹ thuật điều chế có tốc độ bit thấp Điều phù hợp với đặc tính linh hoạt hệ thống WiMAX trình bày chương Các kỹ thuật điều chế sử dụng theo bảng sau: Bảng 3.3 Tham số Rate ID kỹ thuật điều chế Rate ID Kỹ thuật điều chế giải điều chế BPSK 1/2 QPSK 1/2 QPSK 3/4 16 QAM 1/2 16 QAM 3/4 64 QAM 2/3 64 QAM 3/4 3.4 Kết mô Trong chương trình mô sử dụng nhiều kỹ thuật điều chế, kỹ thuật phụ thuộc vào thông số SNR mà hệ thống tự chọn kỹ thuật điều chế cho 64 phù hợp Các kết dư thu sử dụng tỷ số SNR= 21dB điều tương ứng với việcc chương trình t thực kỹ thuật điều chế 64-QAM QAM 2/3 3.4.1 Sơ đồ chòm òm ccủa tín hiệu sau điều chế bên phát Tín hiệu điều u ch chế theo kỹ thuật 64-QAM QAM 2/3 nên sơ đồ đ chòm hiển thị 64 điểm Ứng với điểm có biên độ pha khác với v tất điểm m khác Và dùng k kỹ thuật 64 QAM nên ứng vớii m điểm biểu diễn bit Hình 3.20: Sơ đồ chòm tín hiệu phát 3.4.2 Sơ đồ chòm òm ccủa tín hiệu trước giải điều chế bên ên thu Hình 3.21: Sơ đồ chòm òm ccủa tín hiệu bên phía thu trước ớc giải điều chế Ta nhận thấy y sơ đ đồ chòm tín hiệu bị ảnh hưởng ng b nhiễu môi trường truyền n nên điểm không vị trí bên phía phát nữa, tín hiệu bị lệch ch xung quanh ccủa vị trí điểm ban đầu, u, điều cho 65 thấy nhiễu môi trườ ờng truyền ảnh hưởng đến biên độ pha c tín hiệu phát Khi ta tăng tỷ số SNR lên llớn bên phía thu sai lệch l tín hiệu giảm, điều u ccũng cho thấy nhiễu không ảnh nh hưởng hư nhiều tín hiệu trở nên xác Tuy nhiên thự ực tế, nhiễu hệ thống vô tuyến n ttồn người khai thác hệ thố ống vô tuyến phải tìm cách hạạn chế triệt nhiễu đượcc hoàn toàn 3.4.3 Phổ ổ tín hiệu tr anten phát thứ anten thứ ứ hai Phổ tín hiệu u OFDM ttổng phổ tín hiệu ng sóng mang phụ ph Khi hai sườn phổ tín hi hiệu dốc hiệu suất phổ tín hiệu u tăng đồng thời làm àm cho gi giảm tượng nhiễu xuyên kênh với hệ thống khác Hình 3.22: Phổ tín hiệu OFDM anten phát thứ ứ Hình 3.23: Phổ tín hiệu OFDM anten phát thứ ứ hai 3.4.4 Phổ ổ tín hiệu OFDM nhận b bên phía thu 66 Hình 3.24: Ph Phổ tín hiệu OFDM nhận bên ên phía thu So sánh phổ củaa tín hi hiệu bên phát phổ tín hiệu nhận đượ ợc bên phía thu có biên độ nhỏ đồng ng thời th công suất bị giảm Tùy thuộc vào tỷ lệệ SNR mà hệ thống lựa chọn dạng điều chếế tỷ lệ BER tốt Bảng 5.4 cho bi biết phương pháp điều chế tùy theo tỷ t số SNR môi trường ng truy truyền Bảng ảng 3.4 Tỷ số SNR phương pháp điều chế Tỷ ssố SNR Dạng điều chế 0-2 BPSK 1/2 3-8 QPSK 1/2 9-10 QPSK 3/4 11 11-17 16-QAM 1/2 18 18-20 16-QAM 3/4 21 21-26 64-QAM 2/3 27 27 64-QAM 3/4 Tỷ số SNR tương ứng ứ phương pháp điều chế đượcc minh họa h hình sau: 67 Hình 3.25: Tỷ số SNR=2 Hình 3.26: Tỷ số SNR=21 Các hình cho th thấy, tùy thuộc vào tỷ số SNR mà hệ thố ống WiMAX đưa phương pháp điều chế cho phù hợp p Các phương pháp điều chế cao tốc độ li liệu phát thu hệ thống lớn, ngượ ợc lại tốc độ truyền cho phép củaa h hệ thống thấp 68 KẾT LUẬN Sau thời gian tìm hiểu em hoàn thành đồ án tốt nghiệp: “Nghiên cứu mô hệ thống Wimax” Qua trình thực em nhận thấy ưu điểm vượt trội WiMAX khoảng cách truyền (50km) tốc độ truyền (70Mbps), chất lượng dịch vụ thiết lập cho kết nối, bảo mật tốt, sử dụng nhiều dãi tần số Trong thời gian cho phép điều kiện có, em thực tìm hiểu vấn đề sau: - Các chuẩn WiMAX cách thức hoạt động hệ thống thông tin vô tuyến - Trình bày khái niệm bản, ưu nhược điểm, nguyên lý điều chế giải điều chế kỹ thuật điều chế OFDM, ứng dụng kỹ thuật WiMAX - Thực chương trình mô tín hiệu WiMAX dựa kỹ thuật điều chế OFDM Tuy nhiên số vấn đề hạn chế công nghệ nên chưa ứng dụng rộng rãi Ở Việt Nam công nghệ công ty viễn thông tổ chức nghiên cứu triển khai thí điểm số nơi Lào Cai 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1 IEEE 802.16 – 2004, (October, 2004), Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems [2] WiMAX Forum, (2006), Mobile WiMAX – Part I: A Technical Overview and Performance Evaluation [3] WiMAX Forum, (March, 2006) Mobile WiMAX – Part II: A Comparative Analysis [4] www.quantrimang.com [5] www.wimax.com 70 [...]... các hệ thống truy cập không dây băng rộng, kể cả WiMAX nhưng các hệ thống này phải dùng chung băng tần với các hệ thống WiFi với điều kiện bảo vệ các hệ thống WiFi hoạt động trong băng tần này Băng tần 2,5-2,690GHz cho các hệ thống truy cập không dây băng rộng, kể cả IMT-2000 và WiMAX 1.4 Mô hình hệ thống Wimax Mô hình hệ thống WiMAX cũng giống như các hệ thống thông tin di động tế bào truyền thống. .. trực giao OFDMA, và những ứng dụng của kỹ thuật này Chương 3: Mô phỏng hệ thống WiMAX Để hiểu hơn những vấn đề lý thuyết được trình bày trong những chương trước Trong chương này, sẽ trình bày chương trình mô phỏng quá trình xử lý tín hiệu trong WiMAX dựa trên kỹ thuật điều chế OFDM Chương trình bao gồm sơ đồ khối mô phỏng sự phát và thu OFDM, mô phỏng kênh truyền, sơ đồ khối mô phỏng hệ thống OFDM bằng... nghệ NLOS Điều kiện phủ sóng của cả LOS và NLOS bị chi phối bởi các đặc tính truyền sóng của môi trường, tổn hao trên đường truyền và công suất của đường truyền vô tuyến 1.5 Các ưu nhược điểm của WiMAX 1.5.1 Ưu điểm Được xây dựng dựa trên tiêu chuẩn IEEE.802.16, WiMAX là hệ thống đa truy nhập không dây băng rộng dùng công nghệ OFDM với cả hai kiểu đường truyền LOS và NLOS Và hệ thống WiMAX có một vài... giá thành triển khai hệ thống WiMAX Vì vậy, đề nghị cho phép triển khai WiMAX trong băng tần 5,725-5,850GHz nhưng WiMAX phải dùng chung băng tần và phải bảo vệ các hệ thống WiFi Như vậy, với hiện trạng sử dụng băng tần tại Việt Nam như trên, các băng tần có khả năng dành cho WiMAX ở Việt Nam là:  Băng tần 2,3-2,4GHz và 3,3-3,4GHz cho các hệ thống truy cập không dây băng rộng, kể cả WiMAX  Băng tần 5,725-5,850GHz... 1.3: Mô hình hệ thống WiMAX 12 Hai phần chính của hệ thống WiMAX gồm:  Trạm gốc WIMAX : Đây là phần thiết bị giao tiếp với các hệ thống cung cấp dịch vụ mạng lõi bằng cáp quang, hoặc kết hợp các tuyến vi ba điểm - điểm kết nối với các nút quang hoặc qua các đường thuê riêng từ các nhà cung cấp dịch vụ hữu tuyến Các dịch vụ được chuyển đổi qua anten trạm gốc kết nối với các thiết bị đầu cuối WiMAX. .. 2 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ WIMAX 1.1 Giới thiệu về wimax WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) là một công nghệ không dây băng rộng, WiMax ứng dụng trong thiết bị mạng Internet dành số lượng người sủ dụng lớn thêm vào đó giá thành rẻ 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... với các hệ thống vệ tinh khác Vì vậy không nên triển khai WiMAX trong băng tần 3,4 - 3,8 GHz 11  Băng tần 5,725 - 5,850GHz: Hiện nay, băng tần này đã được Bộ qui định dành cho WiFi Nếu cho phép triển khai WiMAX trong băng tần này thì cũng sẽ hạn chế băng tần dành cho WiFi Băng tần này có thể thích hợp cho các hệ thống WiMAX ở vùng nông thôn, vùng sâu, vùng xa, ở đó có thể cho phép hệ thống WiMAX phát... sóng WiMAX Hoạt động NLOS: Khả năng hoạt động của mạng WiMAX mà không đòi hỏi tầm nhìn thẳng giữa BS và MS Khả năng này của nó giúp các sản phẩm WiMAX phân phát dải thông rộng trong một môi trường NLOS  Phủ sóng rộng hơn: WiMAX hỗ trợ động nhiều mức điều chế, bao gồm BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM Khi yêu cầu với bộ khuếch đại công suất cao và hoạt động với điều chế mức thấp (ví dụ BPSK hoặc QPSK) Các hệ thống. .. một bộ khuếch đại công suất lớn và hoạt động với điều chế mức thấp như BPSK hoặc QPSK, các hệ thống WiMAX có thể bao phủ một vùng địa lý rộng khi giữa BS và SS không bị vật cản 15 Hình 1.7: Mô hình các kỹ thuật điều chế  Khả năng mở rộng: Để thực hiện dễ dàng việc triển khai hệ thống WiMAX ở cả dải tần cấp phép và dải tần miễn phí, chuẩn 802.16 cung cấp một cách linh động các băng thông kênh truyền... điện lân cận có thể gây nhiễu với kết nối WiMAX, và là nguyên nhân gây ra sự suy giảm dữ liệu trên đường truyền hoặc làm mất kết nối  Dải tần WiMAX sử dụng không tương thích tại nhiều quốc gia, làm hạn chế sự phổ biến công nghệ rộng rãi  Do công nghệ mới xuất hiện gần đây nên vẫn còn một số lỗ hổng bảo mật 1.6 Cấu trúc của WiMAX Về cấu trúc phân lớp, hệ thống WiMAX được phân chia thành 4 lớp:  Lớp ... kiện bảo vệ hệ thống WiFi hoạt động băng tần Băng tần 2,5-2,690GHz cho hệ thống truy cập không dây băng rộng, kể IMT-2000 WiMAX 1.4 Mô hình hệ thống Wimax Mô hình hệ thống WiMAX giống hệ thống thông... ngày cao người, hệ thống WiMAX đóng vai trò quan trọng phát triển thông tin Từ ưu điểm vai trò quan trọng hệ thống WiMAX tương lai, em đăng ký đồ án với tên Nghiên cứu mô hệ thống Wimax Trong... giao OFDM, hệ thống WiMAX tiết kiệm băng thông cách đáng kể Hệ thống WiMAX đạt tốc độ truyền liệu mà hệ thống vô tuyến truyền thống thực được, với linh hoạt hệ thống nên tín hiệu WiMAX phủ sóng