Ứng dụng công nghệ OFDMA trong wimax

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HOÀNG CÔNG ANH - KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ OFDMA HOÀNG CÔNG ANH TRONG WIMAX LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ KHOÁ 2008 - 2010 Hà Nội – 2011 Hoàng Công Anh Ứng dụng công nghệ OFDMA WiMAX LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu kết nghiên cứu luận văn kết nghiên cứu trung thực chưa sử dụng để bảo vệ học vị Tôi xin cam đoan rằng, giúp đỡ cho việc thực luận văn cảm ơn thông tin trích dẫn luận văn ghi rõ nguồn gốc Tác giả luận văn Khoa Điện tử Viễn thông Hoàng Công Anh Ứng dụng công nghệ OFDMA WiMAX MỤC LỤC Lời cam đoan Danh sách từ viết tắt Danh sách bảng biểu 14 Danh sách hình vẽ 15 Lời nói đầu 17 CHƯƠNG I KỸ THUẬT OFDMA 19 Mở đầu 19 1.1 Tổng quan kỹ thuật OFDM – sở kỹ thuật OFDMA 19 1.1.1 Khái niệm OFDM 19 1.1.2 Điều chế giải điều chế phân chia theo tần số trực giao OFDM 20 1.1.2.1 Điều chế 21 1.1.2.2 Giải điều chế 22 1.1.3 Truyền dẫn đa sóng mang OFDM 24 1.1.4 Ưu điểm nhược điểm OFDM 27 1.1.4.1 Ưu điểm 27 1.1.4.2 Nhược điểm 28 1.2 Tổng quan kỹ thuật OFDMA 28 1.2.1 Khái niệm OFMDA 28 1.2.2 Kênh hóa (sub-channelization) 29 1.2.3 Khả mở rộng quy mô - Scalable OFDMA (S-OFDMA) 33 1.2.4 So sánh OFDM, OFDMA, S-OFDMA 34 1.2.4.1 Sự khác OFDMA OFDM 34 1.2.4.2 Sự khác OFDMA S-OFDMA 35 1.2.5 Điều chế đa truy nhập song công 35 1.2.5.1 Phương thức đa truy nhập 35 1.2.5.2 Phương thức song công 37 1.2.5.3 Cấu trúc khung PMP 38 Khoa Điện tử Viễn thông Hoàng Công Anh Ứng dụng công nghệ OFDMA WiMAX CHƯƠNG II LỚP MAC TRONG MẠNG WIMAX 42 Mở đầu 42 2.1 Mô hình tham chiếu lớp MAC 43 2.2 Nén tiêu đề gói 44 2.3 Truyền dẫn cấu trúc liệu lớp MAC 47 2.4 Yêu cầu cấp phát băng thông 52 2.5 Chất lượng dịch vụ QoS 54 2.5.1 Các dịch vụ lập lịch (Scheduling Services) 54 2.5.2 Sự hoạt động luồng dịch vụ QoS 56 2.6 Khởi tạo truy nhập mạng 58 2.6.1 Quét đồng kênh đường xuống 58 2.6.2 Thu thập tham số đường lên 59 2.6.3 Thực Ranging 59 2.6.4 Đàm phán chức 61 2.6.5 Đăng ký thiết lập kết nối IP 63 2.6.6 Thiết lập luồng dịch vụ 64 2.6.7 Quản lý tính di động 65 2.6.7.1 Quản lý nguồn 65 2.6.7.2 Chuyển giao 66 CHƯƠNG III ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ OFDMA CẤP PHÁT ĐỘNG SÓNG MANG CON CHO MẠNG TẾ BÀO VÀ MẠNG ADHOC 68 Mở đầu 68 3.1 Giới thiệu 68 3.2 Điểm qua vài phương pháp cấp phát sóng mang truyền thống 70 3.2.1 Cấp phát OFDM/FDMA cố định 70 3.2.2 Cấp phát OFDM/FDMA ngẫu nhiên 70 3.3 Đề xuất thuật toán DSA 71 3.3.1 Khởi động liên kết 75 3.3.2 Mô sóng mang tích cực …… 77 Khoa Điện tử Viễn thông Hoàng Công Anh Ứng dụng công nghệ OFDMA WiMAX 3.4 Chọn ngưỡng 80 3.5 Thiết lập kịch kết mô cho mạng tế bào 82 3.5.1 Mô hình mạng tế bào 82 3.5.2 Mô hình kênh 83 3.5.3 Mô hình Pathloss 84 3.5.4 Các thông số hệ thống OFDM 84 3.5.5 Mô hình lưu lượng 84 3.5.6 Kết mô 86 3.5.6.1 Tối ưu hóa ngưỡng 86 3.5.6.2 So với kĩ thuật phân bố ngẫu nhiên truyền thống OFDM-FDMA 89 3.6 Thiết lập kịch kết mô cho mạng Adhoc 90 CHƯƠNG IV KẾT LUẬN 94 Tài liệu tham khảo……………………………………………………………… 95 Khoa Điện tử Viễn thông Ứng dụng công nghệ OFDMA WiMAX Hoàng Công Anh DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu Từ viết tắt Nghĩa 3G Third Generation Thế hệ thứ AAA Authentication, Authorization, Sự nhận thực, cấp phép and Accounting tính toán AAS Advanced Antenna System Hệ thống anten tiên tiến ABAS Adaptive Bandwidth Allocation Phối hợp cấp phát băng thông Scheme thích ứng AC Admission Control Điều khiển chấp nhận ACK Acknowledgment Xác nhận ADSL Asymmetric Digital Subscriber Mạch vòng thuê bao số không đối Loop xứng AES Advanced Encryption Standard Chuẩn mật mã tiên tiến AK Authentication Key Khoá nhận thực AM Amplitude Modulation Điều biên AMC Adaptive Modulation and Coding Điều chế mã hoá thích ứng AMR Adaptive Multi-Rate Đa tốc độ thích ứng ARQ Automatic Repeat Request Yêu cầu truyền lại tự động ASN Access Services Network Mạng dịch vụ truy nhập ASP Application Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ ứng dụng ATM Asynchronous Transfer Mode Phương thức truyền không đồng BE Best Effort Dịch vụ nỗ lực tốt BEP Bit Error Probability Xác suất lỗi bit BER Bit Error Rate Tốc độ lỗi bit BLER Block Error Rate Tốc độ lỗi khối BPSK Binary Phase Shift Keying Khoá dịch pha nhị phân BS Base Station Trạm gốc BSN Block Sequence Number Số thứ tự khối Khoa Điện tử Viễn thông Ứng dụng công nghệ OFDMA WiMAX Hoàng Công Anh BTC Block Turbo Code Mã Turbo khối BWR Bandwidth Request Yêu cầu băng thông CAC Call Admission Control Điều khiển chấp nhận gọi CBR Constant Bit Rate Tốc độ bit cố định CC Convolutional Coding Mã hoá tích chập CCI Cochannel Interference Nhiễu liên kênh CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CID Connection Identifier Nhận dạng kết nối CP Cyclic Prefix Tiền tố tuần hoàn CPE Customer Premise Equipment Thiết bị truyền thông cá nhân CPS Common Part Sublayer Lớp phần chung CRC Cyclic Redundancy Check Kiểm tra mã vòng dư CS Convergence Sublayer Lớp hội tụ CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh CSMA Carrier Sense Multiple Access Đa truy nhập cảm nhận sóng mang CSN Connectivity Services Network Mạng dịch vụ kết nối CTC Concatenated Turbo Code Mã Turbo xoắn DC Direct Current Dòng chiều DC Deficit Counter Bộ đếm dư thừa DCD Downlink Channel Descriptor Mô tả kênh đường xuống DCF Distributed Control Function Chức điều khiển phân tán DES Data Encryption Standard Chuẩn mã hoá liệu DFS Dynamic Frequency Selection Lựa chọn tần số động DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc DHCP Dynamic Host Control Protocol Giao thức cấu hình Host động DL Downlink Đường xuống DNS Domain Name System Hệ thống tên miền DRR Deficit Round Robin Thuật toán lập lịch DRR Khoa Điện tử Viễn thông Ứng dụng công nghệ OFDMA WiMAX Hoàng Công Anh DSA Dynamic Service Allocation Cấp phát dịch vụ động DSC Dynamic Service Change Thay đổi dịch vụ động DSD Dynamic Service Delete Xoá dịch vụ động DSL Digital Subscriber Line Đường dây thuê bao số EAP Extensible Authentication Giao thức nhận thực mở rộng Protocol EDF Earliest Deadline First Thuật toán lập lịch EDF EIRP Effective Isotopic Radiated Công suất xạ đẳng hướng Power hiệu dụng Extended Real-Time Polling Dịch vụ thăm dò thời gian thực Service mở rộng FBSS Fast Base Station Switching Chuyển mạch trạm gốc nhanh FCH Frame Control Header Tiêu đề điều khiển khung FDD Frequency Division Duplexing Song công phân chia theo tần số FDMA Frequency Division Multiple Đa truy nhập phân chia theo tần số ertPS Access FEC Forward Error Correction Hiệu chỉnh lỗi trước FER Frame Error Rate Tốc độ lỗi khung FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh FIFO First In First Out Vào trước trước FM Frequency Modulation Điều tần FSH Fragmentation Subheader Tiêu đề phân mảnh FTP File Transfer Protocol Giao thức truyền tập tin FUSC Fully Used Subchannelization Phân kênh sử dụng toàn phần GMH Generic MAC Header Tiêu đề MAC chung GPC Grant Per Connection Cấp phát theo kết nối GPSS Grant Per Subscriber Station Cấp phát theo trạm thuê bao Khoa Điện tử Viễn thông Ứng dụng công nghệ OFDMA WiMAX Hoàng Công Anh GSM H-FDD Global System for Mobile Hệ thống toàn cầu cho truyền communications thông tin di động Half-duplex FDD Bán song công phân chia theo tần số HARQ Hybrid-ARQ ARQ kết hợp HO Handover Chuyển giao HTTP Hypertext Transfer Protocol Giao thức truyền siêu văn HUMAN High-speed Unlicensed Mạng khu vực đô thị sử dụng dải Metropolitan Area Network tần không cấp phép tốc độ cao ICI Intercarrier Interference Nhiễu liên sống mang IDFT Inverse Discrete Fourier Biến đổi Fourier rời rạc ngược Transform IEEE Viện kỹ thuật điện điện tử Institute of Electrical and Electronics Engineers IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh ngược IP Internet Protocol Giao thức liên mạng IP-CS IP Convergence Sublayer Lớp hội tụ IP IS Integrated Services Dịch vụ tích hợp ISDN Integrated Services Digital Mạng số dịch vụ tích hợp Network ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu liên ký tự ITU International Hiệp hội viễn thông quốc tế Telecommunications Union KEK Key Encryption Key Khoá mật mã khoá LAN Local Area Network Mạng vùng cục LDPC Low-Density Parity Codes Mã chẵn lẻ mật độ thấp LOS Line Of Sight Tầm nhìn thẳng LSB Least Significant Bit Bit quan trọng LWDF Largest Weighted Delay First Thuật toán lập lịch LWDF Khoa Điện tử Viễn thông Ứng dụng công nghệ OFDMA WiMAX Hoàng Công Anh MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập môi trường MAN Metropolitan Area Network Mạng khu vực đô thị MBS Multicast Broadcast Service Dịch vụ quảng bá đa hướng MCS Modulation and Coding Scheme Sự phối hợp điều chế mã hoá MIMO Multiple Input Multiple Output Nhiều đầu vào nhiều đầu MIP Mobile IP Giao thức liên mạng di động MN Mobile Node Nút di động MPDU MAC Protocol Data Unit Đơn vị liệu giao thức lớp MAC MPEG Motion Picture Experts Group Nhóm chuyên gia ảnh động MS Mobile Station Trạm di động MSB Most Significant Bit Bít quan trọng MSDU MAC Service Data Unit Đơn vị liệu dịch vụ lớp MAC NAI Network Access Identifier Bộ nhận dạng truy nhập mạng NAP Network Access Provider Nhà cung cấp truy nhập mạng NAS Network Access Server Máy chủ truy nhập mạng NAT Network Address Translation Thông dịch địa mạng NLOS Non Line Of Sight Tầm nhìn không thẳng nrtPS Non Real-Time Polling Service Dịch vụ thăm dò phi thời gian thực NSP Network Services Provider Nhà cung cấp dịch vụ mạng NTP Network Timing Protocol Giao thức thời gian mạng O-DRR Opportunistic Deficit Round Kỹ thuật lập lịch O-DRR Robin OFDM Orthogonal Frequency Division Đa phân chia theo tần số trực giao Multiplexing OFDMA Orthogonal Frequency Division Đa truy nhập phân chia theo tần số Multiple Access trực giao Khoa Điện tử Viễn thông Ứng dụng công nghệ OFDMA WiMAX Hoàng Công Anh 3.5.2 Mô hình kênh Hình 3.6 Mô hình đơn giản hóa cho trình truyền thông tin liên kết xuống Xét mô hình phân tập đa đường trời (outdoor multi-path channel) với độ trễ truyền sóng cực đại µs Tần số Doppler fd,max tuyến 5Hz Do kênh trường hợp kênh thay đổi chậm theo thời gian Phân tập đa kênh với đường liên kết khác toàn độc lập theo phương pháp Monte Carlo [15], [16] h( p , t )  Nh L Nh  [ p] e p 1 Khoa Điện tử Viễn thông j ( 2f pq t  pq  (   p ) q 1 83 (3.19) Ứng dụng công nghệ OFDMA WiMAX Hoàng Công Anh Trong fp.q = fdmaxsin(2πupq), θp,q = 2πu p,q Nh gọi tần số Doppler rời rạc, pha Doppler, số hàm điều hòa Độ trễ truyền sóng  p lên quan đến tuyến kênh p-th up,q biến số ngẫu nhiêu độc lập, biến số ứng với trình phân bố đồng dải (0,1] cho tất p = 1,2 ;…, L q= 1,2,…., Nh Chúng tạo độc lập cho kết nối Số hàm điều hòa Nh chọn 40 Trong công thức (3.19), hệ số biên dạng đa đường rời rạc theo kiểu ρ[p] 3.5.3 Mô hình Pathloss Mô hình Pathloss miêu tả [17], [18] g  A  10lg d  d0 (3.20) A= 20.log10(4π d0/λ) với d0=100m λ bước sóng Số γ suy hao với   ( a  bhb  c / hb ) , h b độ cao BS = 80m Các số a, b c lựa chọn từ biên loại A [17] Phương sai phân bố theo phương pháp logarit bình thường ξ = 10dB Năng lượng truyền MS BS 30 dBm Năng lượng truyền tín hiệu bận tín hiệu hữu ích 3.5.4 Các thông số hệ thống OFDM Tiêu chuẩn WiMAX [19] cung cấp cấu cho trình khảo sát ta lựa chọn thông số hệ thống OFDM sau: - Băng tần hệ thống B=20MHz - Khoảng cách lấy mẫu ta=1/B=50ns - Chiều dài FFT NFFT=256 - Khoảng thời gian biểu tượng OFDM TS=12,8µs - Tần số sóng mang fc=1,9GHz Biểu đồ điều biến cho tất sóng mang 16-QAM Dựa kết [10], SINR tối thiểu, γreq cho trình truyền liệu sử dụng 16-QAM 16dB 3.5.5 Mô hình lưu lượng Các gói tin đến phân bố theo tiêu chuẩn Poisson Khoảng cách thời gian Ti thời gian chiếm giữ Th biến số ngẫu nhiên độc lập với phân bố hàm mũ: Khoa Điện tử Viễn thông 84 Ứng dụng công nghệ OFDMA WiMAX Hoàng Công Anh p(Ti  t )  pTi (t )  e t / v (3.21) Và p(Th  t )  pTh (t )  e  t /  (3.22) p(ξ>t) xác suất biến số ngẫu nhiêu ξ có giá trị cao t ký hiệu pξ (t) Khoảng cách thời gian trung bình υ thay đổi để đánh giá hoạt động mạng mức tải khác Thời gian chiếm giữ trung bình µ 0,15s Tải mạng định nghĩa trung bình số bít giây tế tế yêu cầu truyền phát Tương ứng với tỷ số đến 1/υ thời gian chiếm giữ trung bình µ, tải tế bào tính: L  M ary N max  N CellsTS (3.23) [bits / s / cell ] Trong Mary số bít/ký hiệu, Ts thời gian ký hiệu OFDM, Ncells số tế bào mạng Với phương thức điều chế 16-QAM tất sóng mang con, tức Mary=4 Ban đầu giả sử sóng mang Nmax gán cho người sử dụng Rõ ràng Nmax