KỸ THUẬT OFDM TRONG WIMAX dùng MATLAB

có sơ đồ nguyên lý, sơ đồ khối, sơ đồ thuật toán và hướng dẫn chi tiết về KỸ THUẬT OFDM TRONG WIMAX dùng MATLAB .....................................................................................................................

KỸ THUẬT OFDM TRONG WIMAX

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU :

TÓM TẮT ĐỒ ÁN :

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX:

1.1 Khái niệm về Wimax :

1.2 Mô hình hệ thống:

1.3 Ưu điểm và nhược điểm của công nghệ Wimax:

1.4 Cấu trúc của Wimax:

1.5 So sánh Wimax với Wifi:

1.6 Ứng dụng của Wimax:

CHƯƠNG II: KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM:

2.1 Giới thiệu kỹ thuật điều chế OFDM:

2.2 Lịch sử phát triển:

2.3 Các ưu nhược điểm của kỹ thuật OFDM:

2.4 Ứng dụng và hướng phát triển của kỹ thuật điều chế OFDM:

CHƯƠNG III: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG OFDM 3.1 Giới Thiệu

3.2 Lưu đồ mô phỏng thu phát tín hiệu OFDM:

KẾT LUẬN:

CÁC TỪ VIẾT TẮT TRONG ĐỒ ÁN :

TÓM TẮC ĐỒ ÁN Nội dung đồ án gồm có 3 chương chính sau:

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX

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.

CHƯƠNG II: KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM

Trong chương 2 sẽ trình bày những khái niệm cơ bản, ưu nhược điểm, lịch sử phát triển 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 và những kỹ thuật truyền thông khác.

CHƯƠNG III: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG OFDM

Để hiểu hơn những vấn đề đã được được trình bày trong những chương trước Trong chương cuối

cùng này sẽ trình bày chương trình mô phỏng quá trình xử lý tín hiệu trong WiMAX dựa trên kỹ thuật điều chế OFDM Đây là chương trình được viết bằng Matlab, chương trình bao gồm sơ đồ khối mô phỏng hệ thống OFDM bằng simulink của Matlab

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX

1.1 Khái niệm về wimax:

WiMAX (viết tắt của Worldwide Interoperability for Microwave Access) là tiêu

chuẩn IEEE 802.16 cho việc kết nối Internet băng thông rộng không dây ở

khoảng cách lớn

Tiêu chuẩn IEEE 802.16 là gì : ngày nay đã có nhiều hệ thống mạng không dây ra đời nhưWiFe,Bluetooth nhưng chúng không bằng những ưu điểm mà wimax đã thể hiện Trong những nămgần đây vấn đề bảo mật giá thành và những vấn đề đơn khá đơn giãn Nó cung cấp internet khônggiây tốc độ cao với giá thành rẻ khi kết nối các thiết bị đầu cuối trong một khoảng cách lớn

Về tiêu chuẩn , wimax là mộ bộ tiêu chuẩn dựa trên họ tiêu chuẩn 802.16 của IEEE nhưng hẹp hơn.Hiện có 2 chuẩn là 802.16_2004 ( sử dụng điều chế OFDM) và 802.16_2005 (sử dụng điều chếSOFDMA)

Motorola : WiMax hoàn toàn không phải là phiên bản nâng cấp của Wi-Fi có tiêu chuẩn IEEE 802.11, WiMax và Wi-Fi tuy gần gũi nhưng là 2 sản phẩm khác nhau và cũng không phải phát triển

từ WiBro (4G), hay 3G.WiMAX là kỹ thuật viễn thông cung cấp việc truyền dẫn không dây ở

khoảng cách lớn bằng nhiều cách khác nhau, từ kiểu kết nối điểm - điểm cho tới kiểu truy nhập tế bào Dựa trên các tiêu chuẩn IEEE 802.16, còn được gọi là WirelessMAN WiMAX cho phép ngườidùng có thể duyệt Internet trên máy laptop mà không cần kết nối vật lý bằng cổng Ethernet tới router hoặc switch

1.2 Mô hình hệ thống:

Mô hình phủ sóng mạng WiMAX tương tự như một mạng điện thoại di động :

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 thểphủ 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 cácmainboard của máy tính như WLAN

Các trạm phát được kết nối tới mạng Internet thông qua các đuờng truyền Internet tốc độ caohay kết nối tới các trạm khác như là trạm trung chuyển theo đường truyền trực xạ (line of sight) nênWiMAX 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.Trongtrường hợp truyền thẳng LOS, các anten được đặt cố định tại các điểm trên cao, tín hiệu trongtrường hợp này ổn định và đạt tốc độ truyền tối đa Băng tần sử dụng có thể ở tần số cao, khoảng66GHz, vì ở tần số này ít bị giao thoa với các kênh tín hiệu khác và băng thông sử dụng lớn Mộtđường truyền LOS yêu cầu phải có đặc tính là toàn bộ miền Fresnel thứ nhất không hề có chướngngại vật, nếu đặc tính này không được bảo đảm thì cường độ tín hiệu sẽ suy giảm đáng kể Khônggian miền Fresnel phụ thuộc vào tần số hoạt động và khoảng cách giữa trạm phát và trạm thu

Trong trường hợp truyền NLOS, hệ thống sử dụng băng tần thấp hơn 2- 11GHz, tương tự nhưWLAN, 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 trựctiếp, các đường phản xạ, năng lượng tán xạ và các thành phần nhiễu xạ Những tín hiệu này cónhững khoảng trễ, sự suy giảm, sự phân cực và trạng thái ổn định liên quan tới đường truyền trựctiếp là khác nhau.

Hình 1.3 Truyền sóng trong trường hợp NLOS

Hiện tượng truyền sóng đa đường cũng là nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi phân cực tín hiệu

Do đó sử dụng phân cực cũng như tái sử dụng tần số mà được thực hiện bình thường trong triểnkhai LOS lại khó khăn trong các ứng dụng NLOS Nếu chỉ đơn thuần tăng công suất phát để “vượtqua” các chướng ngại vật không phải là công nghệ NLOS Điều kiện phủ sóng của cả LOS vàNLOS bị chi phối bởi các đặc tính truyền sóng của môi trường, tổn hao trên đường truyền (pathloss) và quỹ công suất của đường truyền vô tuyến

1.3 Ưu điểm và nhược điểm của công nghệ wimax

 Ưu điểm:

 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 trongmôi truờng NLOS nên độ bao phủ rộng hơn, do đó khoảng cách giữa trạm thu và trạm phát có thểlên đến 50km

Cũng nhờ kĩ thuật OFDM, phổ các sóng mang con có thể chồng lấn lên nhau nên sẽ tiết kiệm,

sử dụng hiệu quả băng thông và cho phép truyền dữ liệu với tốc độ cao: phổ tín hiệu 10MHz hoạtđộng ở chế độ TDD (song công phân thời) với tỉ số đường xuống/đường lên (downlink-to-uplinkratio) là 3:1 thì tốc độ đỉnh tương ứng sẽ là 25Mbps và 6.7Mbps

 Hệ thống WiMAX có công suất cao

Trong WiMAX hướng truyền tin chia thành hai đường : hướng lên( uplink) và hướng xuống

(downlink), hướng lên có tần số thấp hơn hướng xuống và đều sử dụng kĩ thuật OFDM OFDM sửdụng tối đa 2048 sóng mang, trong đó 1536 sóng mang dành cho thông tin được chia thành 32 kênhcon, mỗi kênh con tương đương 48 sóng mang WiMAX còn sử dụng thêm điều chế nhiều mứcthích ứng từ BPSK, QPSK đến 256 - QAM kết hợp các phương pháp sửa lỗi như ngẫu nhiên hoá,

mã hoá sửa lỗi Reed Solomon,mã xoắn tỉ lệ mã từ 1/2 đến 7/8, làm tăng độ tin cậy kết nối với hoạtđộng phân loại sóng mang và tăng công suất qua khoảng cách xa hơn

Ngoài ra WiMAX còn cho phép sử dụng công nghệ TDD và FDD cho việc phân chia truyềndẫn hướng lên và hướng xuống

 Lớp MAC dựa trên nền OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access- truy

nhập OFDM)

Độ rộng băng tần của WiMAX từ 5MHZ đến trên 20MHz được chia nhỏ thành nhiều băng con1.75Mhz, mỗi băng con này được chia nhỏ hơn nhờ kĩ thuật OFDM, cho phép nhiều thuê bao truycập đồng thời một hay nhiều kênh một cách linh hoạt, đảm bảo hiệu quả sử dụng băngthông.OFDMA cho phép thay đổi tốc độ dữ liệu để phù hợp với băng thông tương ứng nhờ thay đổi

số mức FFT ở lớp vật lí; ví dụ một hệ thống WiMAX dùng biến đổi FFT lần lượt là: 128 bit, 512bit, 1048 bit tương ứng với băng thông kênh truyền là: 1.25MHz, 5MHz, 10MHz; nhờ vậy sẽ dễdàng hơn cho user kết nối giữa các mạng có băng thông kênh truyền khác nhau.

 Chuẩn cho truy cập vô tuyến cố định và di động tương lai

• WiMAX do diễn đàn WiMAX đề xuất và phát triển dựa trên nền 802.16, tập chuẩn về hệthống truy nhập vô tuyến băng rộng cho di động và cố định của IEEE, nên các sản phẩm, thiết

bị phần cứng sẽ do diễn đàn WiMAX chứng nhận phù hợp, tương thích ngược với HiperLANcủa ETSI cũng như Wi-Fi

• Hỗ trợ các kĩ thuật anten: phân tập thu phát, mã hoá không gian, mã hoá thời gian

• Hỗ trợ kĩ thuật hạ tầng mạng trên nền IP : QoS (trong các dịch vụ đa phương tiện, thoại),ARQ (giúp bảo đảm độ tin cậy kết nối), …

• CPE vô tuyến cố định có thể sử dụng cùng loại chipset modem được sử dụng trong máy tính

cá nhân (PC) và PDA, vì ở khoảng cách gần các modem có thể tự lắp đặt trong nhà CPE sẽtương tự như cáp, DSL và các trạm gốc có thể sử dụng cùng loại chipset chung được thiết kếcho các điểm truy cập WiMAX chi phí thấp và cuối cùng là số lượng tăng cũng thỏa mãn choviệc đầu tư vào việc tích hợp mức độ cao hơn các chipset tần số vô tuyến (RF), làm chi phígiảm hơn nữa

 Nhược điểm:

 Dải tần WiMAX sử dụng không tương thích tại nhiều quốc gia, làm hạn chế sự phổ biến côngnghệ 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 dụnggần 10 chuẩn công nghệ khác nhau Theo diễn dàn WiMAX chỉ mới có khoảng 12 hãng pháttriển chuẩn WiMAX được chứng nhận bao gồm : Alvarion, Selex Communication, Airspan,Proxim Wilreless, Redline, Sequnas, Siemens, SR Telecom, Telsim, Wavesat, Aperto,Axxcelera

 Về giá thành: Dù các hãng, tập đoàn sản xuất thiết bị đầu cuối (như Intel, Alcatel, Alvarion,Motorola…) tham gia nghiên cứu phát triển nhưng giá thành vẫn còn rất cao

 Công nghệ này khởi xướng từ nước Mỹ, nhưng thực sự chưa có thông tin chính thức nào đềcập đến việc Mỹ sử dụng WiMAX như thế nào, khắc phục hậu quả sự cố ra sao Ngay cả ởViệt Nam,VNPT ( với nhà thầu nước ngoài là Motorola, Alvarion) cũng đã triển khai ở một

số tỉnh miền núi phía Bắc, cụ thể là ở Lào Cai nhưng cũng chỉ giới hạn là các điểm truy cậpInternet tại Bưu điện tỉnh, huyện chứ chưa có những kết luận chính thức về tính hiệu quảđáng kể của hệ thống

1.4 Cấu trúc của wimax

Về cấu trúc phân lớp, hệ thống WiMAX được phân chia thành 4 lớp:

• Lớp con tiếp ứng (convergence) làm giữ vai trò giao diện giữa lớp đa truy nhập và các lớpbên trên

• Lớp đa truy nhập ( MAC layer)

• Lớp truyền dẫn (transmission)

• Lớp vật lý (physical layer)

Các lớp này tương đương với 2 lớp dưới cùng cùng của mô hình OSI,được tiêu chuẩn hoá để giao tiếp với nhiều ứng dụng lớp trên

1.5 So 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 được thiết kế và tối ưu cho các mạng thành phố (MAN)

WiMAX có một số ưu điểm so với WiFi:

• Sai số tín hiệu truyền nhận ít hơn

• Khả năng vượt qua vật cản tốt hơn

• Số thiết bị sử dụng kết nối lớn hơn hàng trăm so với hàng chục trong WiFi

1.6 Ứng dụng của wimax

Đối với các doanh nghiệp, WiMAX cho phép truy cập băng rộng với chi phí hợp lý Vì phần

lớn các doanh nghiệp sẽ không được chia thành khu vực để có đường cáp, lựa chọn duy nhất của họ đối với dịch vụ băng rộng là từ các nhà cung cấp viễn thông địa phương Điều này dẫn tới sự độc quyền Các doanh nghiệp sẽ được hưởng lợi từ việc triển khai các hệ thống WiMAX, nhờ tạo ra sự cạnh tranh mới trên thị trường,giảm giá và cho phép các doanh nghiệp thiết lập mạng riêng của mình Điều này đặc biệt phù hợp đối với các ngành như khí đốt, mỏ, nông nghiệp, vận tải, xây dựng

và các ngành khác nằm ở những vị trí xa xôi, hẻo lánh

Đối với người sử dụng là hộ gia đình ở những vùng nông thôn (nơi dịch vụ DSL và cáp chưathể vươn tới), WiMAX mang lại khả năng truy cập băng rộng Điều này đặc biệt phù hợp ở cácnước đang phát triển nơi mà hạ tầng viễn thông truyền thống vẫn chưa thể tiếp cận

Công nghệ WiMAX cách mạng hoá phương pháp truyền thông Nó cung cấp hoàn toàn tự docho những người thường xuyên di chuyển, cho phép họ lưu lại kết nối thoại, dữ liệu và các dịch vụhình ảnh WiMAX cho phép ta đi từ nhà ra xe, sau đó đi đến công sở hoặc bất cứ nơi nào trên thếgiới, hoàn toàn không có đường nối Để minh hoạ khả năng của WiMAX cho các ứng dụng đượcphân cấp trong phần trước, một vài mô hình sử dụng tiêu biểu được nhóm thành hai loại lớn: cácmạng công cộng và riêng

CHƯƠNG II: KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM

2.1 Giới thiệu kỹ thuật điều chế OFDM

OFDM nằm trong kĩ thuật điều chế đa sóng mang trong thông tin vô tuyến.Kỹ thuật điều chếOFDM về cơ bản là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế FDM( nhiều tín hiệu đượctruyền đồng thời nên 1 tín hiệu được điều chế trên một tần số sóng mang ) , chia luồng dữ liệuthành nhiều đường truyền băng hẹp trong vùng tần số sử dụng, trong đó các sóng mang con (haysóng mang phụ, sub-carrier) trực giao với nhau Do vậy, phổ tín hiệu của các sóng mang phụ nàyđược phép chồng lấn lên nhau mà phía đầu thu vẫn khôi phục lại được tín hiệu ban đầu Sự chồnglấn phổ tín hiệu này làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với các kĩthuật điều chế thông thường

8Hình 2.1: So sánh giữa FDMA và OFDM

Số lượng các sóng mang con phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ rộng kênh và mức độ nhiễu.Con số này tương ứng với kích thước FFT(20Mhz được chia thành 2048 sóng mang con) Chuẩngiao tiếp vô tuyến 802.16d (2004) xác định 256 sóng mang con tương ứng FFT 256 điểm, hìnhthành chuẩn Fixed WiMAX, với độ rộng kênh cố định.Chuẩn giao tiếp 802.16e (2005) cho phépkích cỡ FFT từ 512 đến 2048 phù hợp với độ rộng kênh 5MHz đến 20MHz, hình thành chuẩnMobile WiMAX (Scalable OFDMA ), để duy trì tương đối khoảng thời gian không đổi của các kíhiệu và khoảng dãn cách giữa các sóng mang với độ rộng kênh

a) Tín hiệu OFDM

b) Phổ OFDM

Hình 2.2 Tín hiệu và phổ OFDM

2.2 Lịch sử phát triển

Dù thuật ngữ OFDM mới phổ biến rộng rãi gần đây nhưng kĩ thuật này đã được xuất hiện cáchnay hơn 40 năm:

• Năm 1966, R.W Chang đã phát minh ra kĩ thuật OFDM ở Mỹ

• Năm 1971, một công trình khoa học của Weisteins và Ebert đã chứng minh rằng phương phápđiều chế và giải điều chế OFDM có thể được thực hiện thông qua phép biến đổi IDFT (biếnđổi Fourier rời rạc ngược) và DFT ( biến đổi Fourier rời rạc) Sau đó, cùng với sự phát triểncủa kĩ thuật số, người ta sử dụng phép biến đổi IFFT và FFT cho bộ điều chế OFDM

• Năm 1999, tập chuẩn IEEE 802.11 phát hành chuẩn 802.11a về hoạt động của OFDM ở băngtần 5GHz UNI

• Năm 2003,IEEE công bố chuẩn 802.11g cho OFDM hoạt động băng tần 2.4GHz và phát triểnOFDM cho hệ thống băng rộng, chứng tỏ sự hữu dụng của OFDM với các hệ thống cóSNR( tỉ số S/N) thấp

Ngày nay, kĩ thuật OFDM còn kết hợp với các phương pháp mã hóa kênh sử dụng trong thôngtin vô tuyến, gọi là Coded OFDM, nghĩa là tín hiệu trước khi điều chế sẽ được mã hóa với nhiềuloại mã khác nhau để hạn chế các lỗi xảy ra trên kênh truyền Do chất lượng kênh (độ fading và tỉ sốS/N) của mỗi sóng mang con phụ là khác nhau, người ta thực hiện điều chế tín hiệu trên mỗi sóngmang đó với các mức điều chế khác nhau, gọi là điều chế thích nghi (adaptive modulation) hiệnđang được sử dụng trong hệ thống thông tin máy tính băng rộng HiperLAN của ETSI ở Châu Âu.2.3 Các ưu nhược điểm của kỹ thuật OFDM

Ngoài ưu điểm tiết kiệm băng thông kênh truyền kể trên, OFDM còn có một số ưu điểm sau đây :

• Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hiện tượng nhiễu xuyên kí hiệu ISI (Inter-SymbolInterference) nếu độ dài chuỗi bảo vệ (guard interval) lớn hơn độ trễ truyền dẫn lớn nhất củakênh truyền

• OFDM phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng

• Cấu trúc máy thu đơn giản