Ứng dụng OFDMA và tìm hiểu về các chuẩn của WiMAX

Việc nghiên cứu kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) được biết đến từ những năm 70 của thế kỷ trước, với những ưu điểm chính như: cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao được truyền song song với tốc độ thấp trên các băng hẹp, khả năng cho hiệu suất phổ cao, khả năng chống lại fading chọn lọc tần số, đơn giản và hiệu quả trong điều chế và giải điều chế tín hiệu nhờ sử dụng thuật toán IFFT, FFT. Chính vì thế, OFDM ngày càng được phát triển trong các dịch vụ viễn thông tốc độ cao như Internet không dây. Do đó OFDM đang trở thành công nghệ được chấp nhận một cách rộng rãi và các chuẩn truyền thông không dây di động sẽ được sử dụng nhiều hơn trong tương lai. Nhưng thuận lợi của việc sử dụng OFDM là khả năng vươn xa hơn cũng như tính phổ biến của các hệ thống OFDM. Hiện nay, OFDM và OFDMA đang được nghiên cứu và ứng dụng rất triển vọng trong công nghệ truy cập băng rộng không dây Wimax. Với những vấn đề như trên BÀI TẬP LỚN của em với chủ đề“ Ứng dụng OFDMA và tìm hiểu về các chuẩn của WiMAX”

Ứng dụng OFDMA tìm hiểu chuẩn WiMAX LỜI MỞ ĐẦU Việc nghiên cứu kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) biết đến từ năm 70 kỷ trước, với ưu điểm như: cho phép truyền liệu tốc độ cao truyền song song với tốc độ thấp băng hẹp, khả cho hiệu suất phổ cao, khả chống lại fading chọn lọc tần số, đơn giản hiệu điều chế giải điều chế tín hiệu nhờ sử dụng thuật toán IFFT, FFT Chính thế, OFDM ngày phát triển dịch vụ viễn thông tốc độ cao Internet không dây Do OFDM trở thành công nghệ chấp nhận cách rộng rãi chuẩn truyền thông không dây di động sử dụng nhiều tương lai Nhưng thuận lợi việc sử dụng OFDM khả vươn xa tính phổ biến hệ thống OFDM Hiện nay, OFDM OFDMA nghiên cứu ứng dụng triển vọng công nghệ truy cập băng rộng không dây Wimax Với vấn đề BÀI TẬP LỚN em với chủ đề“ Ứng dụng OFDMA tìm hiểu chuẩn WiMAX” Nội dung em chia làm chương : CHƯƠNG 1: KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ OFDMA CỦA WIMAX CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VỀ CÁC CHUẨN CỦA WIMAX Để hoàn thành tập lớn em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ tận tình thầy Dương Hữu Ái Khoa để em hoàn thành tốt đồ án Đồ án nhiều thiếu sót, mong thầy cô bạn nhiệt tình góp ý để đồ án hoàn thiện SVTH: NGÔ TIẾN TRUNG Page i Ứng dụng OFDMA tìm hiểu chuẩn WiMAX MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU .i MỤC LỤC ii DANH MỤC HÌNH ẢNH v CHƯƠNG 1: KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM 1.1 Giới thiệu kỹ thuật điều chế OFDM .1 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Các ưu nhược điểm kĩ thuật OFDM 1.2 Nguyên lí điều chế giải điều chế OFDM .2 1.2.1 Sơ đồ điều chế .2 1.2.2 Nguyên tắc giải điều chế CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ OFDMA CỦA WIMAX .5 2.1 Khái niệm 2.2 Đặc điểm 2.3 OFDMA nhảy tần .5 2.4 Hệ thống OFDMA 2.4.1 Chèn chuỗi dẫn đường miền tần số miền thời gian 2.4.2 Điều chế thích nghi: 2.5 Điều khiển công suất .11 2.6 Ước lượng kênh hệ thống .11 2.6.1 Ước lượng kênh 12 2.6.2 Ước lượng kênh miền thời gian: 14 2.6.3 Thuật toán nội suy 15 CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VỀ CÁC CHUẨN CỦA WIMAX 15 3.1 Giới thiệu chuẩn Wimax 16 3.2 Mô hình lớp vật lý Wimax 802.16a 19 3.3 Các đặc trưng lớp MAC IEEE 802.16a 20 3.3.1 Lớp hội tụ dịch vụ đặc trưng (CS) 20 3.3.2 Lớp phần chung (MAC CP) 20 KẾT LUẬN .25 TÀI LIỆU THAM KHẢO .27 SVTH: NGÔ TIẾN TRUNG Page ii Ứng dụng OFDMA tìm hiểu chuẩn WiMAX DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BS BW BWA CDMA CA CP CPE CPS CRC CS DES FEC ETSI KEK LAN LMDS Base station Bandwidth Broadband wireless access code division multiple access Certification authority Cyclic Prefix Customer Premise Equipment Common part sublayer Cyclic redundancy check Convergence sublayer Data encryption standard Forward Error Correction European Telecommunications Standard Institute Fast Base Station Switching Half-duplex FDD Hard Handoff Information element Internet Engineering Task Force Inverse Discrete Fourier Transform Inversion Fast Fourier transform Internet Protocol International Telecommunications Union Key encryption key Local area network Local multipoint distriution service LOS MAC Line of sight Medium access control layer MAN MDHO MIMO MMDS MPEG Metropolitan area network Macro Diversity Handover Multi input Multi output Multichannel multipoint distribution service Moving Picture Experts Group NCFG NLOS nrtPS Network configuration Non line of sight Non-real-time polling service FBSS H-FDD HHO IE IETF IDFT IFFT IP ITU SVTH: NGÔ TIẾN TRUNG Trạm gốc Băng thông Truy nhập không dây băng rộng Đa truy nhập chia mã Quyền Chứng thực Tiền tố Tuần hoàn Thiết bị đầu cuối thuê bao Lớp phần chung Kiểm tra vòng dư Lớp hội tụ Tiêu chuẩn mật mã liệu Mã hóa sử lỗi trước Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu Chuyển đổi trạm gốc nhanh FDD bán song công Chuyển vùng cứng Phần tử thông tin Tổ chức kỹ sư thiết kế Internet Biến đổi Fourier rời rạc ngược Biến đổi Fourier ngược nhanh Thủ tục Internet Hiệp hội viễn thông Quốc tế Khoá Mật mã Khoá Mạng nội Dịch vụ phân phối đa điểm nội hạt Tia trực xạ Lớp điều khiển truy nhập môi trường Mạng khu vực thành phố Chuyển giao đa dạng riêng Đa đường vào đa đường Dịch vụ phân phối đa điểm đa kênh Nhóm chuyên gia nghiên cứu ảnh động Cấu hình mạng Tia không trực xạ Dịch vụ thăm dò không thời gian thực Page iii Ứng dụng OFDMA tìm hiểu chuẩn WiMAX OFDM OFDMA PARP PCMCIA PDA PDH PDU PER PHY PKM PMP PPP QAM TDD TDM TDMA Orthogonal frequency division multiplexing Orthogonal frequency division multiple access Peak-to Average Power Ratio Personal Computer Memory Card International Association Personal Digital Assistant Plesiochronous digital hierarchy Protocol data unit Packet Error Rate Physical layer Privacy key management Point - to – multipoint Point-to-Point Protocol Quadrature amplitude modulation Time division duplex Time division multiplex Time division multiple access SVTH: NGÔ TIẾN TRUNG Ghép kênh chia tần số trực giao Đa truy nhập chia tần số trực giao Công suất tương đối cực đại Hiệp hội quốc tế mạch nhớ máy tính cá nhân Thiết bị vụ số cá nhân Phân cấp số cận đồng Đơn vị liệu thủ tục Tỷ lệ lỗi gói Lớp vật lý Quản lý khoá riêng Điểm đa điểm Thủ tục điểm-điểm Điều chế biên độ cầu phương Song công chia thời gian Ghép kênh chia thời gian Đa truy nhập phân chia thời gian Page iv Ứng dụng OFDMA tìm hiểu chuẩn WiMAX DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: So sánh FDMA OFDM Hình 1.2 Bộ điều chế OFDM .2 Hình 1.3 : Bộ thu tín hiệu OFDM .3 Hình 1.4: Tách chuỗi bảo vệ Hình 2.1 Tổng quan hệ thống sử dụng OFDM Hình 2.2 Mẫu tín hiệu dẫn đường OFDMA Hình 2.3 Chèn chuỗi dẫn đường miền tần số thời gian Hình 2.4 Điều chế thích nghi 10 Hình 2.5 Lựa chọn kênh thích hợp cho người dùng .11 Hình 3.1 Các hệ thống vô tuyến .16 Hình 3.2 Mô hình băng tần sở lớp vật lý OFDM-PHY 802.16a .19 SVTH: NGÔ TIẾN TRUNG Page v Ứng dụng OFDMA tìm hiểu chuẩn WiMAX CHƯƠNG 1: KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM 1.1 Giới thiệu kỹ thuật điều chế OFDM 1.1.1 Khái niệm Kỹ thuật điều chế OFDM, bản, trường hợp đặc biệt phương pháp điều chế FDM, chia luồng liệu thành nhiều đường truyền băng hẹp vùng tần số sử dụng, sóng mang (hay sóng mang phụ, sub-carrier) trực giao với Do vậy, phổ tín hiệu sóng mang phụ phép chồng lấn lên mà phía đầu thu khôi phục lại tín hiệu ban đầu Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn nhiều so với kĩ thuật điều chế thông thường Hình 1.1: So sánh FDMA OFDM 1.1.2 Các ưu nhược điểm kĩ thuật OFDM Ngoài ưu điểm tiết kiệm băng thông kênh truyền kể trên, OFDM có số ưu điểm sau : • Hệ thống OFDM loại bỏ tượng nhiễu xuyên độ dài chuỗi bảo vệ lớn độ trễ truyền dẫn lớn kênh truyền • OFDM phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng • Cấu trúc máy thu đơn giản Tuy nhiên, bên cạnh đó, OFDM có số nhược điểm sau : • Việc sử dụng chuỗi bảo vệ giúp giảm tượng ISI phân tập đa đường chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích, chiếm phần băng thông đường truyền làm giảm hiệu suất đường truyền SVTH: NGÔ TIẾN TRUNG Page Ứng dụng OFDMA tìm hiểu chuẩn WiMAX • Do yêu cầu tính trực giao sóng mang phụ nên hệ thống OFDM nhạy cảm với hiệu ứng Dopler, dịch tần dịch thời sai số đồng • Đường bao biên độ tín hiệu phía phát không phẳng, gây méo phi tuyến khuếch đại công suất đầu phát đầu thu 1.2 Nguyên lí điều chế giải điều chế OFDM 1.2.1 Sơ đồ điều chế , + L d k ,+ L Xung sở X ejL ω s t ,n d k ,n { al } , − L d k ,− L Xung sở m,(t) X m(t) ejn ω s t Xung sở X e- jL ω s t Hình 1.2 Bộ điều chế OFDM Giả sử băng thông hệ thống B chia thành Nc kênh con, với số kênh n, n ∈ { − L,− L + 1, ,−1,0,1, , L − 1, L} , nên NFFT=2L+1 Dòng liệu đầu vào { al } chia thành NFFT dòng song song với tốc độ liệu giảm N FFT lần thông qua chia nối tiếp/song song Dòng bit luồng song song { al } lại điều chế thành mẫu tín hiệu phức đa mức d k ,n , n số song mang phụ, i số khe thời gian tương ứng với Nc bit song song sau qua S/P, k số khe thời gian ứng với Nc mẫu tín hiệu phức.Các mẫu tín hiệu phát d k ,n nhân với xung sở để giới hạn phổ sóng mang, sau dịch tần lên đến kênh tương ứng việc nhân với hàm phức ejL ω s t , làm tín hiệu sóng mang trực giao Tín hiệu sau nhân với xung sở dịch tần cộng lại qua tổng cuối biểu diễn sau: SVTH: NGÔ TIẾN TRUNG Page Ứng dụng OFDMA tìm hiểu chuẩn WiMAX +L ∑d ’ m k(t)= m=− L k ,n S ' (t − kT )e jωs t (1.1) Tín hiệu gọi mẫu tín hiệu OFDM thứ k, biễu diễn tổng quát tín hiệu OFDM ∞ m(t)= ∑m k = −∞ ' k (t ) = ∞ +L ∑ ∑d k = −∞ m=− L k ,n S ' (t − kT )e jωs t (1.2) trước phát tín hiệu OFDM chèn thêm chuỗi bảo vệ để chống nhiễu xuyên kí hiệu ISI Phép điều chế OFDM thực thông qua phép biến đổi IDFT phép giải điều chế OFDM thực phép biến đổi DFT Thay sử dụng IDFT người ta sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT cho điều chế OFDM, sử dụng FFT cho giải điều chế OFDM Điều chế OFDM phương pháp biến đổi ngược Fourrier nhanh cho phép số lượng lớn sóng mang với độ phức tạp thấp 1.2.2 Nguyên tắc giải điều chế ^ Giải điều chế X ^ d k ,L a i,L ^ ^ e- jL ω s t d k ,n Giải điều chế u(t) X ejn ω s t ^ Giải điều chế X d k ,− L a i ,n ^  a l    ^ a i,− L ejL ω s t Hình 1.3 : Bộ thu tín hiệu OFDM Các bước thực ngược lại so với phía máy phát Tín hiệu thu tách chuỗi bảo vệ, giải điều chế để khôi phục băng tần gốc, giải điều chế SVTH: NGÔ TIẾN TRUNG Page Ứng dụng OFDMA tìm hiểu chuẩn WiMAX sóng mang con, chuyển đổi mẫu tín hiệu phức thành dòng bít (tín hiệu số) chuyển đổi song song sang nối tiếp (k-1)T (k-1)TS kT t kTS Hình 1.4: Tách chuỗi bảo vệ Sau tách chuỗi bảo vệ khỏi luồng tín hiệu u(t), luồng tín hiệu nhận là: u’(kTS+t)=u(kT+t) SVTH: NGÔ TIẾN TRUNG (1.6) Page Ứng dụng OFDMA tìm hiểu chuẩn WiMAX CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ OFDMA CỦA WIMAX 2.1 Khái niệm OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access- Đa truy nhập phân tần trực giao ) công nghệ đa sóng mang phát triển dựa kĩ thuật OFDM Trong OFDMA, số sóng mang con, không thiết phải nằm kề nhau, gộp lại thành kênh người sử dụng truy cập vào tài nguyên cấp cho hay nhiều kênh để truyền nhận tùy theo nhu cầu lưu luợng cụ thể 2.2 Đặc điểm OFDMA có số ưu điểm tăng khả linh hoạt, thông lượng tính ổn định đươc cải thiện Việc ấn định kênh cho thuê bao cụ thể, việc truyền nhận từ số thuê bao xảy đồng thời mà không cần can thiệp nào, giảm thiểu tác động nhiễu đa truy xuất 2.3 OFDMA nhảy tần Trong OFDMA, người sử dụng có đặt cố định cho sóng mang Có thể dễ dàng cho phép nhảy sóng mang phụ theo khe thời gian Việc cho phép nhảy với mẫu nhảy khác cho người dùng làm biến đổi thực hệ thống OFDM hệ thống CDMA nhảy tần Điều có lợi tính phân tập theo tần số tăng lên người dùng ,dùng toàn băng thông có sẵn có lợi xuyên nhiễu trung bình, điều phổ biến biến thể CDMA Bằng cách sử dụng mã sửa lỗi hướng bước nhảy, hệ thống sửa cho sóng mang phụ bị fading sâu hay sóng mang bị xuyên nhiễu người dùng khác Do đặc tính xuyên nhiễu fading thay đổi với bước nhảy, hệ thống phụ thuộc vào lượng tín hiệu nhận trung bình phụ thuộc vào người dùng lượng nhiễu trường hợp xấu Ưu điểm hệ thống OFDMA nhảy tần hẳn hệ thống DSCDMA MC-CDMA tương đối dễ dàng loại bỏ xuyên nhiễu tế bào cách sử dụng mẫu nhảy trực giao tế bào SVTH: NGÔ TIẾN TRUNG Page Ứng dụng OFDMA tìm hiểu chuẩn WiMAX Ta có hàm ước lượng kênh: Xe( k) = Y(k) k = 0,1, , N − He ( k ) Pilot cho ước lượng: có dạng phân bố pilot ước lượng kênh: • Dạng xen kẽ: (comb type): sóng mang chứa nhiều pilot cho kí hiệu OFDM Do đó, việc truyền lại thực nhanh dạng khối, dễ theo dõi với kênh truyền động Nhưng dạng lại nhạy cảm với fading lựa chọn tần số, tức khoảng cách pilot phải nhỏ băng thông phụ thụôc kênh nhiều, ngược lại thực nội suy phức tạp • Dạng khối: ngược lại với dạng xen kẽ, pilot chèn cố định vào symbol OFDM miền thời gian, phù hợp với kênh truyền tĩnh; khối chứa pilot nên không cần nội suy kênh miền tần số, dạng bị ảnh hưởng fading lựa chọn tần số Ước lượng kênh thực miền tần số miền thời gian Thuật toán thự trogn miền thời gian, đáp ứng xung kênh truyền CIR (Channel Impulse Response) đạt nhờ IFFT đáp ứng kênh miền tần số chuỗi dẫn đường Số lượng pilot phải lớn trễ lớn kênh: Np > τ max TS (2.4) Các kĩ thuật khác áp dụng vào CIR để làm giảm nhiễu alising(chồng phổ): lỗi bình phương bé (Minumum Mean Squared Error-MMSE) CIR trogn miền thời gian chuyển sang hệ số suy hao kênh truyền miền tần số taị sóng mang FFT Nội suy miền tần số thực nội suy đáp ứng kênh chuỗi dẫn đường để thực việc ước lượng sóng mang Trong trường hợp này, sóng mang pilot lấy mẫu vượt mức so với đáp ứng tần kênh, khoảng hay hai lần Np > τ max TS (2.5) Thuật toán ước lượng kênh miền thời gian giúp cải thiện hiệu suất phổ có trở ngại trễ lớn phức tạp Thuật toán miền tần số đơn giản hiệu truyền thấp tốc độ pilot lớn SVTH: NGÔ TIẾN TRUNG Page 13 Ứng dụng OFDMA tìm hiểu chuẩn WiMAX Thuật toán ước lượng: Phương pháp ước lượng pilot xoắn, ước lượng chuỗi dẫn đường cách dùng phương bình phương bé nhất: ^ ^ ^ ^ h p = [h p (0), h p (1), h p ( N p − 1)]T  z ( D f 0) z ( D f 1) z ( D f ( N p − 1))  = , ,  a ( D 0) a ( D 1) a( D f ( N p − 1))  f f  T (2.6) ^ h : vector ước lượng z: vector kí hiệu thu sau FFT a: vector kí hiệu liệu truyền Df: khoảng cách pilot Phép thực đơn giản dễ bị ICI nhiễu Gausse Bộ ước lượng kênh dạng pilot xen kẽ giảm thiểu AWGN, ICI với fading nhanh,chậm cho giá trị BER tốt Để đơn giản nhựng phức tạp thuật toán MSSE, người ta dùng ước lượng Linear MSSE(LMSSE) với xấp xỉ thấp cách phân tích giá trị đơn 2.6.2 Ước lượng kênh miền thời gian: Ước lượng kênh miền thời gian cho hiệu suất phổ lớn hơn, dùng sóng mang dẫn đường so với phép nội suy miền tần số Bộ ước lượng kênh truyền đơn giản hình vẽ sau: Tập pilot phải có Np(chiều dài tổng số pilot)=Ng( chiều dài chuỗi bảo vệ) symbol Khoảng cách pilot số nguyên D f=NFFT/Np Phương pháp không cần liên hệ với phép nội suy thời gian, ước lượng kênh tính toán symbol OFDM độc lập, không cần tính dựa symbol trước Dữ liệu thu sau biến đổi FFT thực ước lược miền tần số, vector tín hiệu thu z=[NFFT x 1] Kí hiệu thu gồm Np pilots, thực ước lượng ^ LS sóng mang dẫn đường thu h , vector chuyển thành đáp ứng xung kênh trogn miền thời gian biến đổi IFFT N p điểm bảo đảm nhỏ Ng, đáp ứng miền thời gian chuyển sang miền tần số tương ứng tất sóng mang biến đổi FFT N S điểm Điều phù hợp với nội suy miền tần số yêu cầu đáp ứng kênh cho sóng mang SVTH: NGÔ TIẾN TRUNG Page 14 Ứng dụng OFDMA tìm hiểu chuẩn WiMAX 2.6.3 Thuật toán nội suy Một số kĩ thuật nội suy thông dụng dùng hàm tuyến tính, nội suy sử dụng hàm Si(x)= sinx/x hay hàm đa thức Phép nội suy tuyến tính, hàm truyền vị trí mẫu tin có ích nội suy thông qua hai điểm kế cận hai mẫu tin dẫn đường Phép nội suy đa thức, hàm truyền mẫu tin có ích nội suy thông qua nhiều điểm khác có chất lượng tốt độ phức tạp cao Phép nội suy Si thực chất sử dụng lọc thông thấp miền tần số, miền thời gian biểu diễn thông qua hàm Si Mô hình đơn giản sử dụng ước lượng kênh Bảng 2.1 Điều kiện ước lượng kênh Thông số Giá trị FFT 64 điểm Số sóng mang 64 Tỉ lệ chuỗi dẫn đường 1/16 Chiều dài chuỗi bảo vệ 16 Tốc độ liệu OFDM 1Mbps/sóng mang Điều chế 16QAM CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VỀ CÁC CHUẨN CỦA WIMAX SVTH: NGÔ TIẾN TRUNG Page 15 Ứng dụng OFDMA tìm hiểu chuẩn WiMAX 3.1 Giới thiệu chuẩn Wimax Trong thông tin đại, khách hàng ngày đòi hỏi dịch vụ phải đa dạng Ngoài dịch vụ thoại truyền thông dịch vụ đa phương tiện truy nhập Internet tốc độ cao cần phải phát triển để đáp ứng nhu cầu khách hàng Để đáp ứng dịch vụ hệ thống cần phải có băng thông rộng phải đảm bảo chất lượng dịch vụ Ban đầu dịch vụ triển khai đường dây cố định công nghệ đường dây thuê bao số bất đối xứng (ADSL) Giai đoạn phát triển hệ thống truy nhập vô tuyến băng rộng để cung cấp ưu điểm sẵn có mà công nghệ vô tuyến mang lại Hình 3.1 giới thiệu số mạng vô tuyến tiêu chuẩn áp dụng Hình 3.1 Các hệ thống vô tuyến Chuẩn IEEE 802.16 đời vào tháng 10 năm 2001, IEEE 802.16 WIMAX hoạt động băng tần số từ 2-66GHz, với ứng dụng khác nhau, WIMAX sử dụng băng tần số khác để tránh giao thoa, ứng dụng di động 802.16e dùng băng tần từ 2-11GHz, Châu Âu sử dụng băng tần 3.5GHz cho WIMAX di động, băng tần từ 10-66GHz cho WIMAX cố định Chuẩn 802.16 ban đầu tạo với mục đích tạo giao diện vô tuyến , dựa nghi thức điều khiển truy nhập đa phương tiện chung MAC Kiến trúc mạng 802.16 bao gồm trạm phát trạm thuê bao đầu cuối Trong vùng phủ sóng, trạm BS điều khiển toàn truyền dự liệu đến SS, điều có nghĩa trao đổi truyền thông trực tiếp SVTH: NGÔ TIẾN TRUNG Page 16 Ứng dụng OFDMA tìm hiểu chuẩn WiMAX hai thiết bị đầu cuối trạm thuê bao SS với Đường kết nối BS SS gồm kênh hướng lên kênh hướng xuống Kênh hướng lên chia sẻ băng thông cho nhiều MS kênh hướng xuống có đặc điểm cung cấp thông tin quảng bá Trong trường hợp vật cản MS BS, thông tin trao đổi băng tần cao Ngược lại, thông tin truyền băng tần thấp để chống nhiễu Tuy nhiên từ BWA đời trở thành ứng dụng hữu áp dụng cách truyền LOS trở thành không khả thi chịu ảnh hưởng cối địa Ngoài giao thoa ảnh hưởng đa đường trầm trọng giá thành anten trời cao Điều đòi hỏi bổ sung cho chuẩn 802.16 hữu Vì vậy, cải tiến chuẩn IEEE 802.16 để bổ sung ứng dụng hệ thống WIMAX là: 802.16a: Chuẩn sử dụng băng tầng có quyền từ – 11 Ghz Đây băng tần sóng vô tuyến vượt chướng ngại cối nhà cao tầng đường truyền sóng 802.16a thích ứng cho việc triển khai mạng truyền sóng dạng lưới (Mesh), thiết bị cuối (terminal) liên lạc với BS thông qua trạm BS khác Với đặc tính này, vùng phủ sóng 802.16a mở rộng 802.16b: Chuẩn hoạt động băng tầng từ – Ghz với mục đích cung ứng chuẩn 802.16a 802.16c: Chuẩn định nghĩa thêm nội dung cho dãi băng tần từ 10-66GHz với mục đích cải tiến ứng dụng 802.16d: Có số cải tiến nhỏ so với dịnh vụ với chất lượng cao (QoS), ưu tiên truyền thông tin ứng dụng video, thoại, thời gian thực thông qua lớp dịch vụ khác Chuẩn sau kết hợp vào chuẩn 802.16a Chuẩn chuẩn hóa năm 2004 Các thiết bị hệ trước WIMAX có thị trường dựa chuẩn 802.16e: Đang giai đoạn hoàn thiện chuẩn hóa Dựa vào bổ sung 802.16a, nhóm làm việc 802.16 làm việc với bổ sung 802.16e, bao trùm “các lớp điều khiển truy nhập thiết bị vật lý để kết hợp hoạt động cố định di động băng tần cấp phép” Trong thay đổi này, tính di động thêm vào trạm mà chủ yếu hỗ trợ mạng vô tuyến cố định dải SVTH: NGÔ TIẾN TRUNG Page 17 Ứng dụng OFDMA tìm hiểu chuẩn WiMAX tần từ 2-6GHz Đặc điểm bật chuẩn khả cung cấp dịch vụ di động (vận tốc di chuyển lớn mà dùng tốt dịch vụ 100km/h) 802.16-2004(trước 802.16 REVd) IEEE đưa tháng năm 2004 Tiêu chuẩn sử dụng phương thức điều chế OFDM cung cấp dịch vụ cố định, người sử dụng di chuyển cố định lúc kết nối, truyền sóng theo tầm nhìn thẳng (LOS) không theo tầm nhìn thẳng (NLOS) Chuẩn 802.16-2005 (hay 802.16e) IEEE thông qua tháng 12/2005 Tiêu chuẩn sử dụng phương thức điều chế SOFDMA (Scalable Orthogonal Frequency Division Multiplexing), cho phép thực chức chuyển vùng chuyển mạng, cung cấp đồng thời dịch vụ cố định, mạng máy tính xách tay, người sử dụng di chuyển với tốc độ bộ, di động hạn chế Hai chế độ song công áp dụng cho WIMAX song công phân chia theo thời gian TDD (Time Division Duplexing) song công phân chia theo tần số (Frequency Division Duplexing) FDD cần có kênh, đường lên, đường xuống Với TDD cần kênh tần số, lưu lượng đường lên đường xuống phân chia theo khe thời gian Bảng 3.1 Sự cải tiến chuẩn để tối ưu hóa dung lượng chất lượng hệ thống Phổ tần 802.16 8-2002 10-66 GHz 802.16a 4-2003 2-11 GHz 802.16e 2005 2-6 GHz Các điều kiện kênh LOS NLOS NLOS 32-134 Mbps 70 Mbps kênh 15 Mbps kênh kênh 28MHz 20 MHz MHz 128-2048 sóng Ngày hoàn thành Tốc độ bít QPSK, Điều chế 16QAM, 64AQM Tính di động Băng tần kênh 256 sóng mang OFDM, QPSK, 16QAM, 64QAM mang OFDMA, QPSK, 16QAM, Cố định 20, 25, 28 Cố định Phạm vi từ 1,25- 64QAM Di động Giống MHz 20 MHz 802.16a với kênh đường SVTH: NGÔ TIẾN TRUNG Page 18 Ứng dụng OFDMA tìm hiểu chuẩn WiMAX xuống Bán kính tế bào thông thường 2-5 Km 7-40 Km 2-5 Km 3.2 Mô hình lớp vật lý Wimax 802.16a Hình 3.2 đưa mô hình lớp vật lý OFDM băng tần sở Wimax 802.16a Hệ thống chia thành phần phía phát, phía thu kênh Hình 3.2 Mô hình băng tần sở lớp vật lý OFDM-PHY 802.16a Phía phát lớp vật lý OFDM băng tần sở 802.16a gồm có phần sau đây: mã hoá kênh, điều chế, phát OFDM Với phía thu hoạt động theo hướng ngược lại Mã hoá kênh giao cho lớp biến đổi tín hiệu, thiết kế để cải thiện hiệu thông tin việc cho phép tín hiệu phát chống lại tốt tác động suy hao kênh khác nhau, nhiễu, pha đinh, jamming Lợi ích mã hoá kênh giảm tỉ lệ lỗi bít (BER), thực giới hạn công suất giới hạn độ rộng băng tần kênh cách thêm mã dư vòng vào liệu phát Trong chuẩn IEEE 802.16a, mã hoá kênh bao gồm ngẫu nhiên hoá (bộ trộn), sửa lỗi trước (FEC), đan xen Khối FEC bao gồm mã hoá Reed-Solomon, mã xoắn đục lỗ (được sử dụng để điều chỉnh tốc độ liệu khác nhau) Đây khối bắt buộc chuẩn Mã hoá turbo mã xoắn turbo (CTC) tuỳ chọn đan xen CTC SVTH: NGÔ TIẾN TRUNG Page 19 Ứng dụng OFDMA tìm hiểu chuẩn WiMAX Điều chế trình ánh xạ thông tin số vào dạng tương tự để phát qua kênh Với hệ thống OFDM, thay đổi pha biên độ thực tần số không thay đổi chúng có tính trực giao Điều chế sử dụng 802.16a Gray-mapped QPSK, 16-QAM, 64-QAM Phát OFDM bao gồm ba phần: tạo khung OFDM, tạo tín hiệu OFDM cách thực IFFT/FFT, thêm tiền tố tuần hoàn (khoảng bảo vệ sử dụng để loại bỏ giao thoa ký hiệu) Tại phía thu, thực ngược lại với phía phát Ngoài bổ sung thêm khối cân kênh.Trong mô hình có kiểu cân miền tần số: cân LS dựa vào hoa tiêu, cân LMMSE dựa vào hoa tiêu cân LS dựa vào mào đầu dài 3.3 Các đặc trưng lớp MAC IEEE 802.16a 3.3.1 Lớp hội tụ dịch vụ đặc trưng (CS) CS thực chức sau: • Tiếp nhận đơn vị liệu giao thức (PDU) lớp cao • Thực phân loại PDU • Xử lý (nếu cần thiết) PDU dựa vào việc phân loại • Chuyển giao PDU CS thành MAC SAP • Nhận CS PDU từ thực thể ngang hàng Hiện CS cung cấp đặc tính khả dụng: CS ATM (kiểu truyền dẫn không đồng bộ), để thích ứng lưu lượng ATM CS gói, để thích ứng lưu lượng IP Internet 3.3.2 Lớp phần chung (MAC CP) MAC CP chịu trách nhiệm vài chức quan trọng chung cho tất công nghệ khách CS Phần miêu tả chức sau: a) Xử lý kết nối Lớp MAC hướng kết nối Điều có nghĩa trước gửi thông tin người sử dụng, cần thiết lập kết nối SS BS SS SS khác, phụ thuộc vào cấu hình sử dụng Hỗ trợ multicast Mỗi kết nối có định danh kết nối (CID) 16 bit Có loại kết nối: kết nối quản lý kết nối vận chuyển liệu • Kết nối quản lý có loại: bản, sơ cấp thứ cấp Kết nối kết nối tạo cho SS đăng nhập vào mạng Kết nối dùng cho SVTH: NGÔ TIẾN TRUNG Page 20 Ứng dụng OFDMA tìm hiểu chuẩn WiMAX tin quản lý khẩn ngắn Kết nối sơ cấp tạo cho SS vào lúc gia nhập mạng, sử dụng cho tin quản lý dung sai trễ Kết nối thứ cấp sử dụng cho tin quản lý việc đóng gói IP (như DHCP, SNMP, TFP) • Kết nối vận chuyển dự phòng thiết lập tuỳ theo yêu cầu Kết nối dùng cho luồng lưu lượng người sử dụng b) MAC PDU Các MAC PDU chia làm ba phần: tiêu đề chung (6 byte); tải trọng độ dài thay đổi mã kiểm tra dư vòng (4 byte) Độ dài PDU lớn Kbyte Tải trọng sử dụng để truyền thông tin điều khiển qua tiêu đề Tải trọng rỗng đầy tiêu đề con, MAC PDU đoạn Để đàm phán băng thông, phát triển MAC PDU dành riêng PDU có tiêu đề đặc biệt, chứa thông số băng thông Có năm loại tiêu đề con: phân đoạn, gói, quản lý trợ cấp, lưới cấp phát hồi tiếp nhanh Tiêu đề phân đoạn sử dụng để điều khiển phân đoạn MAC SDU thành hai nhiều MAC PDU, tiêu đề gói sử dụng để tập hợp nhiều MAC SDU thành MAC PDU Tiêu đề quản lý trợ cấp cho phép yêu cầu băng thông mà không cần gửi PDU dành riêng Yêu cầu xác nhận với MAC PDU chung Khi cấu hình lưới sử dụng, tiêu đề lưới chứa ID node, sử dụng địa node lân cận với IEEE 802.16 TM-2004 41 tin quản lý phát vào tải trọng MAC PDU qua kết nối quản lý Các MAC PDU xếp khung lớp vật lý C) Phân kênh Không TDD (song công phân chia theo thời gian) mà FDD (song công phân chia theo tần số) hỗ trợ Trong FDD hai phía phát đồng thời với tần số khác nhau, TDD tần số sử dụng chia sẻ dựa vào thời gian Khung TDD có hai phần: khung đường xuống khung đường lên Mỗi khung phân chia thành khe vật lý (PL) giao diện vô tuyến đơn sóng mang thành cụm giao diện vô tuyến OFDM Các MAC PDU chèn PL cụm theo giao diện vô tuyến triển khai Với FDD, mô hình song công bán song công cho phép D) Sắp xếp SVTH: NGÔ TIẾN TRUNG Page 21 Ứng dụng OFDMA tìm hiểu chuẩn WiMAX Sắp xếp triển khai để cấp phát băng thông cho kết nối Đối với giao diện không gian đơn sóng mang, BS gửi khung đường xuống xếp đường lên (UL-MAP) xếp đường xuống (DL-MAP) UL-MAP chứa PL mà SS sử dụng để phát đường lên DL-MAP chứa khe thời gian mà SS phải nghe đường xuống Khung đường xuống bắt đầu với xếp này, gửi qua giao diện không gian tới tất SS Vì vậy, UL-MAP DLMAP xác định băng thông cấp phát cho kết nối (qua số PL khả dụng), PL trạm phải phát nhận hồ sơ cụm sử dụng Với giao diện vô tuyến OFDM, xếp thực sử dụng ký hiệu thay PL Với giao diện không gian OFDMA, ký hiệu OFDM kênh sử dụng IEEE 802.16TM-2004 mô tả trình xếp cho giao diện vô tuyến, chúng khác e) Lập lịch, yêu cầu cấp phát băng thông Lập lịch triển khai để xác định quyền ưu tiên truyền dẫn MAC SDU qua kết nối MAC tồn Với kết nối kết hợp với loại lập lịch xác định trước Mỗi loại có tập thông số xác định yêu cầu chất lượng dịch vụ (QoS) Có bốn loại định nghĩa: dịch vụ cấp phát tự nguyện (UGS), dịch vụ thăm dò thời gian thực (rtPS), dịch vụ thăm dò phi thời gian thực (nrtPS) nỗ lực tốt (BE: best effort) UGS định nghĩa cho lưu lượng tốc độ bít không đổi thời gian thực rtPS định nghĩa cho lưu lượng tốc độ bít thay đổi thời gian thực lưu lượng video nrtPS liên quan tới lưu lượng tốc độ bít thay đổi phi thời gian thực dung sai trễ Đối với lưu lượng liệu tốc độ bit thay đổi, định nghĩa lớp nỗ lực tốt (BE) Đối với kết nối UGS, BS cấp phát cách định kỳ lượng băng thông cố định, mà đàm phán thiết lập kết nối Các loại khác phải yêu cầu định kỳ băng thông, cấp phát tự động suốt thời gian truyền dẫn Băng thông yêu cầu yêu cầu riêng lẻ (BW yêu cầu MAC PDU) yêu cầu xác nhận (tiêu đề MAC PDU) Các yêu cầu tăng lên kết hợp lại Các yêu cầu kết hợp thay kết nối trước yêu cầu băng thông, yêu cầu tăng cải thiện băng thông số lượng yêu cầu Các SS phải yêu cầu băng thông theo chu kì kết nối BE, rtPS, nrtPS, vìvậy giảm sử dụng băng thông Chu kì cập nhật phụ thuộc loại lập lịch chất lượng liên kết Thêm vào yêu cầu riêng lẻ, BS cấp phát khoảng thời gian yêu SVTH: NGÔ TIẾN TRUNG Page 22 Ứng dụng OFDMA tìm hiểu chuẩn WiMAX cầu, nhiều SS gửi tin yêu cầu băng thông Quá trình gọi thăm dò Thăm dò thực theo hai cách: thăm dò đơn hướng thăm dò dựa vào tranh chấp Trong thăm dò đơn hướng, BS cấp phát băng thông lắng nghe yêu cầu SS, thăm dò dựa vào tranh chấp, BS cấp phát băng thông lắng nghe yêu cầu nhóm đa hướng SS tất SS Băng thông trợ cấp kết nối (GPC) SS (GPSS) Trong hai trường hợp, yêu cầu băng thông thông tin kết nối, cải thiện cấp phát băng thông BS Tuy nhiên, GPC băng thông cấp phát cho kết nối đặc biệt, GPSS cấp phát cho SS f) Giải tranh chấp Mặc dù BS điều khiển cấp phát băng thông đường lên, xuất xung đột khoảng thiết lập khoảng thời gian yêu cầu băng thông Thuật toán backoff mũ nhị phân rút gọn triển khai để giải tình xung đột g) ARQ ARQ trình phát lại MAC PDU bị sai lạc Theo IEEE 802.16TM-2004, kỹ thuật ARQ dựa vào số chuỗi phân đoạn tiêu đề phân đoạn gói Hỗ trợ ARQ tuỳ chọn lựa chọn cho kết nối Lựa chọn thực khoảng thiết lập kết nối ARQ không sử dụng với giao diện không gian sóng mang đơn Khi ARQ cho phép, MAC PDU phân đoạn khối ARQ Xác nhận ARQ gửi tin MAC riêng lẻ qua kết nối quản lý mang MAC PDU qua kết nối liệu tồn H) Mô tả thích ứng cụm Để thích ứng thay đổi điều kiện liên kết vô tuyến, IEEE 802.16 TM-2004 triển khai kỹ thuật tiến để mã hoá, điều chế, xếp công suất truyền dẫn động Mô tả thích ứng cụm sử dụng để thay đổi đặc tính truyền dẫn dựa vào trạng thái liên kết Mục tiêu cân sức mạnh hiệu Kỹ thuật khác đường xuống đường lên Bản tin sử dụng để thông tin trao đổi thiết bị BS không điều khiển SS mô tả cụm đường lên sử dụng UL-MAP mà SVTH: NGÔ TIẾN TRUNG Page 23 Ứng dụng OFDMA tìm hiểu chuẩn WiMAX tính toán mô tả cụm đường xuống theo chất lượng tín hiệu thu từ SS Tuy nhiên SS yêu cầu thay đổi mô tả cụm đường xuống điều kiện môi trường xấu SVTH: NGÔ TIẾN TRUNG Page 24 Ứng dụng OFDMA tìm hiểu chuẩn WiMAX KẾT LUẬN Sau thời gian tìm hiểu em hoàn thành đề tài:“Giới thiệu công nghệ OFDMA WiMAX Đi sâu tìm hiểu chuẩn WiMAX” Em tìm hiểu chuẩn WIMAX cách thức hoạt động hệ thống thông tin vô tuyến Em vào nghiên cứu sử dụng công nghệ OFDM WIMAX Công nghệ WIMAX công nghệ đáp ứng nhu cầu người dùng triển khai tốt WIMAX hạn chế nhược điểm vấn đề địa lý trình phủ sóng Qua phân tích, so sánh đánh giá thực nội dung tập lớn rút kết luận sau: - WiMAX công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng phát triển dựa họ tiêu chuẩn IEEE 802.16 với hai tiêu chuẩn chủ yếu áp dụng thông qua IEEE 802.16-2004 sở cho phiên WiMAX cố định tiêu chuẩn IEEE 802.16 e sở cho phiên WiMAX di động - Diễn đàn WiMAX tổ chức gồm công ty cung cấp thiết bị, nhà cung cấp dịch vụ, nội dung để lựa chọn tiêu chuẩn tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004 IEEE802.16e để đưa profile cho WiMAX Các profile WiMAX diễn đàn WiMAX thông qua sở cho việc sản xuất thiết bị, điều cho phép nhà sản suất có khả hợp tác để phát triển thiết bị, giảm chi phí cho nghiên cứu phát triển, giảm giá thành sản phẩm - Công nghệ OFDM với tính trội khả chống nhiễu, khả sử dụng phổ cao, cho phép truyền tin với tốc độ cao sử dụng WiMAX cố định cho phép hệ thống có khả làm việc tốt môi trường NLOS tốc độ truyền tin cao - Phiên WiMAX di động dựa tiêu chuẩn IEE802.16e bổ sung yêu cầu cho tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004 bổ sung tính mềm dẻo hiệu Việc sử dụng OFDMA phiên WiMAX di động cho phép sử dụng linh hoạt hiệu băng thông, tăng cường khả cho an ten, Ngoài với phiên hỗ trợ thêm nhiều tính khác chất lượng dịch vụ, bảo mật vv Với khả cung cấp dịch vụ truy nhập băng rộng cho cố định di động, WiMAX lựa chọn mang tính đinh cho nhà cung cấp dịch vụ SVTH: NGÔ TIẾN TRUNG Page 25 Ứng dụng OFDMA tìm hiểu chuẩn WiMAX thời gian tới nhằm chiếm lĩnh thị trường tăng khả cạnh tranh Hiểu rõ đặc điểm kỹ thuật, vận dụng vào điều kiện thực tế để triển khai hệ thống cách nhanh chóng hiệu đem lại khả hế t sức lớn cho nhà cung cấp dịch vụ người sử dụng Nhưng hạn chế vế kiến thức thân nên đề tài em nhiều điểm sai sót Em mong nhận ý kiến đóng góp , bổ sung thầy cô Em xin chân thành cảm ơn Thầy Dương Hữu Ái nhiệt tình giúp đỡ , hướng dẫn em suốt thời gian em làm đồ án Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô khoa công nghệ điện tử viễn thông dẫn, dạy bảo giúp đỡ em suốt thời gian em học tập rèn luyện vừa qua SVTH: NGÔ TIẾN TRUNG Page 26 Ứng dụng OFDMA tìm hiểu chuẩn WiMAX TÀI LIỆU THAM KHẢO 1.Thông tin vô tuyến – Vũ Văn Yêm & Nguyễn Văn Đức Đồng tần số miền số cho OFDM” -Lê văn Ninh& Nguyễn viết Kính WiMAX Forum ® WiMAX ™ Technology Forecast (2007-2012) – Wimax forum, Copyright 2008 WiMAX Forum Tạp chí IEEE Auerbach - WiMAX MobileFi Advanced Research and Technology, Dec 2007 Jean-Paul Linnart, Orthogonal Frequency Division Multiplexing, Colorado State University SVTH: NGÔ TIẾN TRUNG Page 27 ... Page 24 Ứng dụng OFDMA tìm hiểu chuẩn WiMAX KẾT LUẬN Sau thời gian tìm hiểu em hoàn thành đề tài:“Giới thiệu công nghệ OFDMA WiMAX Đi sâu tìm hiểu chuẩn WiMAX Em tìm hiểu chuẩn WIMAX cách thức... 1Mbps/sóng mang Điều chế 16QAM CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VỀ CÁC CHUẨN CỦA WIMAX SVTH: NGÔ TIẾN TRUNG Page 15 Ứng dụng OFDMA tìm hiểu chuẩn WiMAX 3.1 Giới thiệu chuẩn Wimax Trong thông tin đại, khách hàng... xuyên nhiễu tế bào cách sử dụng mẫu nhảy trực giao tế bào SVTH: NGÔ TIẾN TRUNG Page Ứng dụng OFDMA tìm hiểu chuẩn WiMAX 2.4 Hệ thống OFDMA Chuyển đổi nối tiếp/song song Dữ liệu vào nối tiếp Điều