OFDM và ứng dụng trong hệ thống WiMAX di động

OFDM và ứng dụng trong hệ thống WiMAX di động OFDM và ứng dụng trong hệ thống WiMAX di động OFDM và ứng dụng trong hệ thống WiMAX di động luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

Bộ giáo dục đào tạo Trường đại học bách khoa hà nội Luận văn thạc sĩ khoa học Ngành: Kĩ thuật điện tử OFDM ứng dụng hệ thống wiMax di động Trần Việt Phương Hà NộI 2006 -2- Luận văn thạc sỹ khoa học LờI CAM ĐOAN Tôi tên Trần Việt Phương, học viên cao học Điện tử - Viễn thông khóa 2004-2006, đà hoàn thành luận văn cao học với đề tài : OFDM ứng dụng hệ thống WiMAX di động xin cam đoan toàn nội dung luận văn công sức tự nghiên cứu, học hỏi thân Tuyệt đối không chép từ công trình đề tài Những sách, tài liệu tham khảo với báo khoa học ghi rõ phần Tài liệu tham khảo Hà Nội ngày 25 tháng 12 năm 2006 Học viên Trần Việt Phương -3- Luận văn thạc sỹ khoa học LờI CảM ƠN Tôi xin trân trọng gửi cảm ơn tới thầy giáo TS Nguyễn Xuân Dũng, người thầy đà hướng dẫn, bảo tận tình kiến thức khoa học mà phương pháp luận, giúp cho luận văn hoàn thành đạt chất lượng tốt Một lần cho phép bày tỏ lòng biết ơn vô hạn đến giúp quý báu thầy cô, gia đình, đồng nghiệp bạn bè đà giúp đỡ nghiên cứu thành công luận văn -4- Luận văn thạc sỹ khoa học Mục lục Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục Danh mục chữ viết tắt Danh mục đồ thị bảng Mở đầu 10 Chương HƯ thèng WiMAX di ®éng Giíi thiƯu chung vỊ WiMAX 11 1.1 Giíi thiƯu vỊ WiMAX di ®éng 12 1.2 Líp vËt lÝ 15 1.2.1 Kü thuËt OFDMA 15 1.2.2 Cấu trúc symbol OFDM phân kênh 16 1.2.3 Scalable OFDMA 21 1.2.4 CÊu tróc khung TDD 23 1.2.5 Các đặc điểm khác lớp vật lý 26 1.3 Líp ®iỊu khiĨn truy nhËp MAC 29 1.3.1 Hỗ trợ quản lí chất lượng (QoS) 29 1.3.2 Khả chia sẻ tài nguyên 31 lớp điều khiển truy nhập MAC 1.3.3 Quản lí di động 1.4 Các đặc điểm tiên tiến WiMAX di động 33 36 1.4.1 Công nghệ ăng-ten thông minh 36 1.4.2 Tái sử dụng tần số 39 1.4.3 Dịch vụ multicast quảng bá (MBS) 41 -5- Luận văn thạc sỹ khoa học Chương Kĩ thuật điều chế OFDM OFDMA 2.1 Nguyên lí OFDM 43 2.2 Đặc điểm phương thức OFDM 47 2.3 Tạo cửa sổ 49 2.4 Sơ đồ khối 49 2.5 Ưu điểm so với số phương pháp ghép kênh khác 51 2.6 Nhược ®iĨm cđa OFDM 52 2.7 Ph­¬ng thøc ®a truy nhËp OFDMA 55 Chương Quá trình thiết lập đồng WiMAX di động 3.1 Giới thiệu 59 3.2 Quá trình thiết lập đồng 60 3.3 Tính toán độ lệch thời gian 61 3.4 Tính toán độ lệch tần số công suất 65 3.5 Một số kết 66 3.6 Tính toán tải xử lý 68 Chương Kết mô tác động nhiễu ảnh hưởng đa đường lên tín hiệu OFDM 4.1 Mô hình hệ thống OFDM 71 4.2 Một số kết mô tín hiệu OFDM 72 4.2.1 Khả chống chịu trải trƠ ®a ®­êng 72 4.2.2 XÐn ®Ønh tÝn hiƯu 73 4.2.3 Khả chịu nhiễu Gaussian 74 4.2.4 Yêu cầu thời điểm bắt đầu kí tự OFDM 75 4.3 Kết mô với tham số chuẩn 802.16e 76 Kết luận 80 Tài liệu tham khảo 81 Phụ lục -6- Luận văn thạc sỹ khoa học Danh mục chữ viết tắt AAS Adaptive Antenna System ACK Acknowledge AMC Adaptive Modulation and Coding ARQ Automatic Repeat reQuest CDMA Code Division Multiple Access CINR Carrier to Interference + Noise Ratio CP Cyclic Prefix CQI Channel Quality Indicator DL Downlink FBSS Fast Base Station Switching FCH Frame Control Header FDD Frequency Division Duplex FFT Fast Fourier Transform FUSC Fully Used Sub-Carrier HARQ Hybrid Automatic Repeat reQuest HHO Hard Hand-Off ISI Inter-Symbol Interference LOS Line of Sight MAC Media Access Control MAN Metropolitan Area Network MBS Multicast and Broadcast Service MDHO Macro Diversity Hand Over MIMO Multiple Input Multiple Output MS Mobile Station NACK Not Acknowledge -7- Luận văn thạc sü khoa häc NLOS Non Line-of-Sight nrtPS Non-Real-Time Polling Service OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplex OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access PER Packet Error Rate QAM Quadrature Amplitude Modulation QoS Quality of Service QPSK Quadrature Phase Shift Keying RRI Reverse Rate Indicator SINR Signal to Interference + Noise Ratio SM Spatial Multiplexing SNR Signal to Noise Ratio S-OFDMA Scalable Orthogonal Frequency Division Multiple Access SS Subscriber Station TDD Time Division Duplex UL Uplink VoIP Voice over Internet Protocol WAP Wireless Application Protocol WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access -8- LuËn văn thạc sỹ khoa học Danh mục hình vẽ bảng Hình 1.1: Hệ thống WiMAX di động 13 Hình 1.2: Cấu trúc hệ thống OFDM 15 Hình 1.3: Mào đầu tuần hoàn (CP) chèn vào trước phần liệu 16 Hình 1.4: Cấu trúc sóng mang OFDM 17 Hình 1.5 Nhóm sóng mang phân bố 18 Hình 1.6 Nhóm sóng mang liền kề 19 Hình 1.7: Kênh phân tập tần số đường xuống 20 Hình 1.8: Cấu trúc tile PUSC đường lên 20 Hình 1.9: Cấu trúc khung OFDMA WiMAX di động 24 Hình 1.10 Vị trí DL MAP 25 Hình 1.11: Hỗ trợ QoS WiMAX di động 30 Hình 1.12: Chuyển mạch thích nghi với ăng-ten thông minh 38 Hình 1.13: Cấu trúc khung đa vùng 40 Hình 1.14: Tái sử dụng tần số phần 41 Hình 1.15: MBS hỗ trợ với WiMAX di động vùng MBS 42 Hình 2.1 Các sóng mang thành phần tín hiệu OFDM 44 Hình 2.2 Phổ tín hiệu OFDM miền tần số 45 Hình 2.3 Khoảng bảo vệ tín hiệu OFDM 48 Hình 2.4 Sơ đồ khối hệ thống OFDM 50 Hình 3.1: Cấu trúc symbol thiết lập đồng 62 Hình 3.2: Quá trình tìm cực đại tương ứng với độ lệch thời gian 63 Hình 3.3 Tương quan miền tần số 64 Hình 3.4 Tương quan miền thời gian sử dụng IFFT 65 Hình 3.5 So sánh kĩ thuật lấy tương quan khác thuê bao di 67 động thiết lập đồng (dữ liệu phát 64 kênh con) -9- Luận văn thạc sỹ khoa học Hình 3.6 So sánh kĩ thuật lấy tương quan khác thuê bao di 68 động thiết lập đồng (dữ liệu phát 32 kênh con) Hình 3.7: Tương quan chéo thực phép nhân liệu 69 thu mà CDMA Hình 4.1 Sơ đồ khối hệ thống OFDM mô 71 Hình 4.2 Khả chịu trải trễ OFDM 72 Hình 4.3 ảnh hưởng xén đỉnh tín hiệu OFDM 73 Hình 4.4 ảnh hưởng tạp âm trắng Gaussian 74 Hình 4.5 ảnh hưởng sai lệch thời điểm đồng 76 Hình 4.6 ảnh gốc trước phát 77 Hình 4.7 Kết với FFT 1024 77 Hình 4.8 Kết với FFT 512 78 Hình 4.9 Kết với FFT 128 78 Hình 4.10 Kết với FFT 128 khoảng bảo vệ 5.72 às 79 Bảng 1.1: Các tham số S-OFDMA 22 Bảng 1.2: Các phương thức mà hóa điều chế hỗ trợ 26 WiMAX di động Bảng 1.3: Tốc ®é d÷ liƯu líp vËt lý PHY 28 WiMAX di động với kênh PUSC Bảng 1.4: Các ứng dụng QoS WiMAX di động 31 Bảng 1.5: Các lựa chọn ăng-ten tiên tiến 37 Bảng 1.6: Tốc độ liệu với cấu hình SIMO/MIMO 39 Bảng 2.1 So sánh đặc điểm cách phân kênh 57 Bảng 3.1 Tổng kết số phép tính cần thực với việc thiết lập đồng 70 -10- Luận văn thạc sỹ khoa học Mở đầu Cùng với phát triển xà hội, nhu cầu trao đổi thông tin người nơi lúc ngày lớn Công nghệ không dây đà có bước phát triển vượt bậc năm gần Cùng với triển khai mạng di động hệ thứ 3, mục tiêu nhắm tới hệ Mạng hệ tương lai hứa hẹn đem lại tốc độ cao, chất lượng dịch vụ khả di chuyển không mạng mà mạng khác Một công nghệ đà phát triển để đáp ứng yêu cầu WiMAX WiMAX di động (được xây dựng chuẩn 802.16e) hứa hẹn đem lại truy nhập băng rộng di chuyển với tốc độ cao WiMAX di động thực dựa kỹ thuật OFDMA với nhiều ưu điểm thông lượng, hiệu suất phổ hỗ trợ công nghệ ăng-ten tiên tiến WiMAX di động nghiên cứu triển khai WiMAX FORUM, tổ chức hỗ trợ bở công ty hàng đầu Intel, Fujitsu, Samsung, AT&T Alvarion Chính vậy, việc nghiên cứu vấn đề kỹ thuật OFDM, OFDMA ứng dụng WiMAX di động vấn đề cã ý nghÜa khoa häc cËp nhËt vµ tÝnh thùc tiễn Mục đích đề tài nhằm: Nắm vấn đề kỹ thuật OFDM, OFDMA; thực mô Matlab để làm rõ khả chống nhiễu OFDM; hiểu ứng dụng OFDMA chuẩn 802.16e, số vấn đề WiMAX di động Do thời gian nghiên cứu trình độ nhiều hạn chế nên luận văn không tránh khỏi có thiếu sót Tôi mong góp ý luận văn để có bổ sung hướng phát triển -1- Luận văn thạc sỹ khoa học Phụ lục Chương trình mô tín hiệu OFDM Matlab Đoạn chương trình tạo tín hiệu OFDM viết file imagetx.m Trước hết liệu nguồn cần truyền đọc ra, xếp vào mảng theo dạng thông tin thích hợp Việc thực hàm rddatatx: if DataType == 1, %Tạo tín hiệu ngẫu nhiªn DataIn = genrand(1,OutWordSize,NoRandData,RandSeed); disp(['Transmitting : ', num2str(NoRandData),' Random data words']); % Định dạng liệu Định dạng truyền sang phía thu %là điều kiện để tái tạo lại liệu ban đầu Với liệu %phát ngẫu nhiên truyền file nhị phân, liệu truyền %thành dòng byte nèi tiÕp, v× vËy chiỊu cao h = chiều rộng %w = số lượng byte gửi h = 1; w = NoRandData; elseif DataType == 2, %Truyền file ảnh bitmap đen trắng [DataIn,h,w] = rdimage(infile,PictureComp); disp(['Image Dimensions are : ',num2str(h),'x',num2str(w)]); %Víi ¶nh bmp, kÝch th­íc ảnh xác định chiều cao chiều rộng %của liệu truyền if OutWordSize ~= 8, disp('Warning, OutWordSize is not bit thus the image wont be decoded properly'); end elseif DataType == 3, %TruyÒn mét file nhị phân fid = fopen(infile,'r'); if fid ~= -1, DataIn = fread(fid)'; else error('Error opening the input data file, check file name'); -2- Luận văn thạc sỹ khoa học end fclose(fid); %Với việc truyền file nhị phân, liệu truyền thành dòng %byte nối tiếp, chiều cao h = vµ chiỊu réng w = sè lượng %byte gửi h = 1; w = length(DataIn); if OutWordSize ~= 8, disp('Warning, OutWordSize is not bit thus the image wont be decoded properly'); end elseif DataType == 4, %Trun file ©m wav [DataIn fs Nbits] = wavread(infile); if Nbits == DataIn = round((DataIn*128+128).'); else DataIn = round(DataIn.'*32768); end h = 1; w = length(DataIn); else error('DataType is not valid, it must be from 1-4'); end Sau đó, liệu mảng DataIn chuyển đổi từ dạng thông thường (một từ có bit) thành dạng phù hợp với yêu cầu truyền dẫn (mét tõ m· gåm bit víi ®iỊu chÕ BPSK, bit với điều chế QPSK) nhờ hàm convbase Datatx = convbase(DataIn,OutWordSize,wordsize); Thông tin truyền tổ chức thành khung Mỗi khung bắt đầu dÃy bit có chiều dài xác định trước biến FrameGuard FrameSig = zeros(1,FrameGuard); %Tạo khoảng trắng trước khung TimeSignal = []; %M¶ng chøa tÝn hiƯu OFDM miỊn %thêi gian tạo if SymbPerFrame ~= 0, %==================================== -3- Luận văn thạc sỹ khoa học %Tạo tập hợp tín hiệu để phát trước sau truyền th«ng %tin f = 0.25; %Frequency 0.5 = nyquist rate N = (ifftsize+guardtime)*8; Header = sin(0:f*2*pi:f*2*pi*(N-1)); f = 0.117; Header = Header + sin(0:f*2*pi:f*2*pi*(N-1)); %==================================== TimeSignal = []; NumCarr = length(carriers); NoDataWords = length(Datatx)*DataAvg; numbsymb = ceil(NoDataWords/NumCarr); %KiÓm tra sè kÝ tù xÕp võa mét khung hay nhiÒu khung if numbsymb > SymbPerFrame, %========================= %T¹o nhiỊu khung %========================= Dataleft = Datatx; while length(Dataleft) > 1, %Tách liệu cần phát thành nhiều khung AmountData = min(SymbPerFrame*NumCarr/ DataAvg,length(Dataleft)); FrameData = Dataleft(1:AmountData); Dataleft = Dataleft(AmountData+1:length(Dataleft)); %T¹o khung tÝn hiƯu OFDM từ liệu mảng %FrameData BaseSignal = transmit(FrameData,ifftsize,carriers, wordsize,guardtype,guardtime,windowtype,DataAvg); %Ghép khung tín hiệu vừa tạo với phần mào đầu %khung khung đà có TimeSignal = [TimeSignal FrameSig BaseSignal]; end %tÝnh c«ng st tÝn hiƯu để điều chỉnh công suất phần mào %đầu thích hợp SigPow = std(BaseSignal); TimeSignal = [SigPow*Header TimeSignal FrameSig SigPow*Header]; -4- Luận văn thạc sỹ khoa học else %========================= %Tạo mét khung BaseSignal = transmit(Datatx,ifftsize,carriers, wordsize,guardtype,guardtime,windowtype,DataAvg); SigPow = std(BaseSignal); Header = SigPow*Header; TimeSignal = [Header FrameSig BaseSignal FrameSig Header]; end else %========================================= %Tạo khung phát nhiều lần %========================================= %Khi SymbPerFrame == NoFrames lớn tất liệu %được ghép vào khung phát nhiều lần BaseSignal = transmit(Datatx,ifftsize,carriers, wordsize,guardtype,guardtime,windowtype,DataAvg); for k = 1:NoFrames, TimeSignal = [TimeSignal BaseSignal FrameSig]; end end %======================== %Tạo lại biên độ tín hiệu theo tỉ lệ %======================== %Tìm cực đại tín hiệu OFDM (không tìm phần mào đầu) MaxSig = max(abs(TimeSignal(N:length(TimeSignal)-N))); RMSSig = std(TimeSignal(N:length(TimeSignal)-N)); if (FullScaleFlag==1) TimeSignal = TimeSignal*FullScale/MaxSig; RMSSig = RMSSig/MaxSig*FullScale; MaxSig = FullScale; else TimeSignal = TimeSignal*sqrt(TxSignalPow)/RMSSig; %XÐn tÝn hiÖu để có biên độ khoảng -1 đến ind = find(abs(TimeSignal)>0.9999); TimeSignal(ind) = ones(size(ind)).*sign(TimeSignal(ind))*0.9999; %Tính toán lại mức cực đại RMS tín hiệu -5- Luận văn th¹c sü khoa häc MaxSig = max(abs(TimeSignal(N:length(TimeSignal)-N))); RMSSig = std(TimeSignal(N:length(TimeSignal)-N)); end %========================= %Ghi l¹i tÝn hiƯu d­íi d¹ng file wav %========================= wavwrite(TimeSignal,Fs,res,txwavfile); Tín hiệu OFDM tạo từ mảng liệu Datatx hàm transmit function BaseSignal = transmit(Datatx,ifftsize,carriers, wordsize,guardtype,guardtime,windowtype,DataAvg) %Lặp lại liệu cần phát sóng mang để tăng khả %khôi phục liệu xác DataOut = zerohold(Datatx,DataAvg); %=============== % Chèn thêm liệu %=============== %Định dạng dòng liệu đầu vào thành kí tự %Chèn thêm liệu để phù hỵp víi sè sãng mang numsymb = ceil(length(DataOut)/NumCarr); %NÕu chiều dài liệu số nguyên lần số sóng mang %chèn thêm vào liệu giá trị if length(DataOut)/NumCarr ~= numsymb, DataPad = zeros(1,numsymb*NumCarr); DataPad(1:length(DataOut)) = DataOut; DataOut = DataPad; end clear DataPad; %============================== % Định dạng lại liệu thành kí tù %============================== DataOut = reshape(DataOut,NumCarr,numsymb)'; numsymb = size(DataOut,1)+1; %tÝnh tæng số kí tự truyền kể kí %tự xác định pha ban đầu %============================================= === % Chuyển thành dạng DPSK thêm kí tự xác định pha ban đầu -6- Luận văn thạc sỹ khoa học %========================================== PhaseRef = round(rand(1,NumCarr)*(2^wordsize)+0.5); %tạo pha ban đầu %ngẫu nhiên DPSKdata = zeros(size(DataOut,1)+1,size(DataOut,2)); DPSKdata(1,:) = PhaseRef; for k = 1:numsymb-1 DPSKdata(k+1,:)=rem((DataOut(k,:)+DPSKdata(k,:)-1), (2^wordsize))+1; end %===================================== %Xác định yêu cầu phổ tín hiệu %===================================== [X,Y] = pol2cart(DPSKdata*(2*pi/(2^wordsize)),ones(size(DPSKdata))); CarrCmplx = X+i*Y; NegCarriers = ifftsize-carriers+2; TxSpectrums = zeros(numsymb,ifftsize); for k = 1:numsymb %Đặt sóng mang sử dụng vào phổ đầy đủ TxSpectrums(k,carriers) = CarrCmplx(k,:); TxSpectrums(k,NegCarriers) = conj(CarrCmplx(k,:)); end clear NegCarriers; %================================== %Xác định dạng sóng miÒn thêi gian b»ng IFFT %================================== BaseSignal = real(ifft(TxSpectrums')); clear TxSpectrums; %================================= %Thùc hiƯn hµm cưa sỉ víi tÝn hiƯu %================================= if windowtype==1 window = hamming(ifftsize); %T¹o cưa sỉ window2 = zeros(ifftsize,numsymb); for k = 1:numsymb-1 window2(:,k) = window; end -7- Luận văn thạc sỹ khoa học BaseSignal = window2.*BaseSignal; clear window2; clear window; end %================ %ChÌn kho¶ng b¶o vƯ %================ if guardtype~=0 if guardtype == %kho¶ng b¶o vƯ dÃy BaseSignal=[zeros(guardtime,numsymb);BaseSignal]; elseif guardtype == %khoảng bảo vệ chứa tiền tố tuần hoàn EndSignal = size(BaseSignal,1); BaseSignal=[BaseSignal((EndSignal-guardtime+1):EndSignal,:); BaseSignal]; elseif guardtype == EndSignal = size(BaseSignal,1); BaseSignal=[zeros(guardtime/2,numsymb);BaseSignal ((EndSignal-guardtime/2+1):EndSignal,:); BaseSignal]; end end %Chun ®ỉi tÝn hiƯu song song (dạng mảng chiều) thành nối tiếp BaseSignal=reshape(BaseSignal,1, size(BaseSignal,1)*size(BaseSignal,2)); Sau tín hiệu OFDM tạo ra, chương trình mô ảnh hưởng môi trường truyền sóng lên tín hiệu Tín hiệu chịu tác động tạp âm, bị xén đỉnh ảnh hưởng phading Các tham số môi trường đặt file chanwav.m tác động vào tín hiệu qua hàm channel function OutSignal = channel(TimeSignal,clipcompress,SNR,Multipath) %================================ %Xén đỉnh tín hiÖu %================================ if clipcompress ~= 0, MaxAmp = (10^(0-(clipcompress/20)))*max(TimeSignal); TimeSignal(find(TimeSignal>=MaxAmp))=ones (1,length(find(TimeSignal>=MaxAmp)))*MaxAmp; TimeSignal(find(TimeSignal