Kỹ thuật OFDM trong wimax

Kỹ thuật OFDM WiMAX LỜI CẢM ƠN Trong suốt năm tháng học tập trường đại học Bách khoa Hà Nội, em giúp đỡ tận tình thầy cơ, động viên gia đình ủng hộ bạn đồng nghiệp Và với kiến thức chuyên môn học với hướng dẫn tận tình thầy cơ, nỗ lực thân em thực thành công đồ án Trước hết em xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến bố mẹ, vợ bên cạnh ủng hộ, động viên vật chất lẫn tinh thần giúp em có điều kiện tốt để hoàn thành đề tài Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy ĐÀO NGỌC CHIẾN người hết lòng hướng dẫn ủng hộ tinh thần cho em thời gian thực đề tài, ln dẫn tận tình, giúp em thực có hướng đắn Em chân thành cảm ơn quý thầy cô khoa ĐTVT Viện Sau đại học trang bị kiến thức chuyên môn quý báu làm sở để em thực tốt đề tài này, toàn thể thầy trường tận tình dạy để em có kiến thức ngày hơm Xin cảm ơn bạn lớp đồng nghiệp nhiệt tình giúp đỡ nhiều tài liệu kiến thức để em hoàn thành tốt đề tài Trần Văn Thành CH2010A Trang i Kỹ thuật OFDM WiMAX LỜI NÓI ĐẦU Ngày nhu cầu truyền thông đa phương tiện di động có bước phát triển vượt bậc Sự phát triển nhanh chóng video, thoại thơng tin liệu internet, điện thoại di động có mặt khắp nơi Sự hoạt động hệ thống vơ tuyến phụ thuộc nhiều vào đặc tính kênh thông tin vô tuyến như: fading lựa chọn tần số, độ rộng băng thông bị giới hạn, điều kiện đường truyền thay đổi cách nhanh chóng tác động qua lại tín hiệu 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 vơ tuyến mạng internet tồn 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 thơng cách đáng kể Hệ thống WiMAX cịn 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 thơng tin vơ tuyến nói chung internet nói riêng đáp ứng đầy đủ dịch vụ băng thơng rộng cho hệ thống giải trí, quảng cáo Hệ thống WiMAX cung cấp tín hiệu cho thiết bị di động, cho thiết bị văn phòng cho vùng có địa hiểm trở mà đường truyền ADSL khơng đáp ứng Ngồi 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 Trần Văn Thành CH2010A Trang ii Kỹ thuật OFDM WiMAX đáp ứng nhu cầu ngày cao người, hệ thống WiMAX đóng vai trị quan trọng phát triển thơng tin Từ ưu điểm vai trò quan trọng hệ thống WiMAX tương lai, Đề tài: “Kỹ thuật OFDM WiMAX” em đề cập đến phân tích vấn đề sau: Chương trình bày khái niệm bản, cấu trúc, băng tần sử dụng, ứng dụng thực tế ưu nhược điểm công nghệ WiMAX Chương trình bày khái niệm bản, ưu nhược điểm, nguyên lý điều chế giải điều chế kỹ thuật điều chế OFDM, ứng dụng kỹ thuật Chương trình bày khái niệm bản, đặc điểm tính chất bật kỹ thuật đa truy nhập phân tần trực giao OFDMA Qua thấy ưu điểm kỹ thuật việc xử lý truyền nhận tín hiệu nói chung ứng dụng cơng nghệ WiMAX nói riêng Chương trình bày số mơ hình cơng hệ thống vơ tuyến, trình bày giao thức quản lý khóa PKM, đồng thay đổi khóa hệ thống WiMAX nhằm đảm bảo liệu truyền liên tục không bị xâm nhập Để hiểu vấn đề lý thuyết trình bày chương trước Chương trình bày chương trình mơ q trình xử lý tín hiệu WiMAX dựa kỹ thuật điều chế OFDM Đây chương trình viết Matlab có sử dụng phương thức phân tập phát MISO, chương trình bao gồm sơ đồ khối mô phát thu OFDM, mô kênh truyền, tính BER, sơ đồ khối mơ hệ thống OFDM simulink chương trình Matlab Trong phần cuối, em trình bày kết luận có qua trình tìm hiểu thực đề tài, đồng thời đưa kiến nghị để phát triển đề tài tốt Trong thời gian làm đồ án, em cố gắng nhiều song kiến thức hạn chế, thời gian nghiên cứu đề tài có hạn nguồn tài liệu chủ yếu chuẩn báo tiếng anh mạng nên đồ án nhiều sai sót q trình dịch Trần Văn Thành CH2010A Trang iii Kỹ thuật OFDM WiMAX thuật Kính mong nhận phê bình, ý kiến đóng góp quý thầy cô bạn để đồ án hoàn thiện Trần Văn Thành CH2010A Trang iv Kỹ thuật OFDM WiMAX MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX 1.1 Giới thiệu WiMAX 1.2 Băng tần cho WiMAX 1.2.1 Băng 3400-3600MHz (băng 3.5GHz) 1.2.2 Băng 3600-3800MHz (băng 3.7GHz) 1.2.3 Băng 3300-3400MHz (băng 3.3 GHz) 1.2.4 Băng 2500-2690MHz (băng 2.5 GHz) 1.2.5 Băng 2300-2400MHz (băng 2.3 GHz) 1.2.6 Băng 5725-5850MHz (băng 5.8 GHz) 1.2.7 Băng 1GHz 1.3 Mơ hình hệ thống 1.4 Các ưu nhược điểm WiMAX 1.4.1 Ưu điểm 1.4.2 Nhược điểm 1.5 Cấu trúc WiMAX 1.5.1 Các đặc tính lớp vật lý 10 1.5.2 Các đặc tính lớp truy nhập (MAC) 12 1.6 So sánh WiMAX với WiFi 12 1.7 Ứng dụng WiMAX 13 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM 15 2.1 Giới thiệu chương 15 2.2 Nguyên lý OFDM 16 2.3 Nguyên lý điều chế 17 2.3.1 Sơ đồ điều chế 17 2.3.2 Tính trực giao 19 2.3.3 Tính trực giao miền tần số 19 Trần Văn Thành CH2010A Trang v Kỹ thuật OFDM WiMAX 2.3.4 Ứng dụng kỹ thuật IFFT kỹ thuật OFDM 21 2.3.4.1 Phép biến đổi DFT 22 2.3.4.2 Kỹ thuật IFFT OFDM 23 2.3.5 Phép nhân với xung 24 2.4 Tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix) 25 2.5 Nguyên lý giải điều chế OFDM 26 2.5.1 Truyền dẫn phân tập đa đường 26 2.5.2 Nguyên tắc giải điều chế 27 2.5.2.1 Sơ đồ 27 2.5.2.2 Tách khoảng bảo vệ 28 2.5.2.3 Thực giải điều chế thuật toán FFT 29 2.6 Đặc tính kênh truyền vơ tuyến hệ thống OFDM 30 2.6.1 Sự suy giảm tín hiệu 29 2.6.2 Hiệu ứng đa đường 300 2.6.3 Dịch tần Doppler 333 2.6.4 Nhiễu AWGN 333 2.6.5 Nhiễu liên ký tự ISI 344 2.6.6 Nhiễu liên sóng mang ICI 344 2.7 Tỷ số công suất đỉnh cơng suất trung bình (PAPR) 355 2.8 Ưu điểm hạn chế kĩ thuật OFDM 366 2.8.1 Ưu điểm 366 2.8.2 Nhược điểm 377 CHƯƠNG KỸ THUẬT OFDM TRONG WIMAX 388 3.1 Giới thiệu chương 389 3.2 Đặc điểm 389 3.3 Hệ thống OFDMA 40 3.3.1 Chèn chuỗi dẫn đường miền tần số miền thời gian 41 3.3.2 Điều chế thích nghi 42 3.4 Điều khiển công suất 43 Trần Văn Thành CH2010A Trang vi Kỹ thuật OFDM WiMAX CHƯƠNG BẢO MẬT TRONG WIMAX 44 4.1 Những mơ hình công hệ thống vô tuyến 44 4.1.1 Tấn công bị động 44 4.1.2 Tấn công chủ động 45 4.1.3 Tấn công Man-in-the-Middle 46 4.1.4 Tấn công từ chối dịch vụ DoS 47 4.1.5 Tấn công mạng Ad-hoc 48 4.1.6 Giả mạo Wireless 48 4.1.6.1 Giả mạo IP 49 4.1.6.2 Giả mạo MAC 49 4.1.6.3 Giả mạo ARP 50 4.2 Bảo mật WiMAX 51 4.2.1 Mơ hình tham chiếu OSI 51 4.2.2 Giao thức quản lí khóa PKM chuẩn 802.16 52 4.2.2.1 Cơ PKM 53 4.2.2.2 Quá trình thiết lập khóa cấp quyền AK 55 4.2.2.3 Pha trao đổi khóa mã hóa lưu lượng TEK 58 4.2.2.4 Đồng thay đổi khóa 59 4.2.2.4.1 Thay đổi khóa AK 59 4.2.2.4.2 Thay đổi TEK 60 CHƯƠNG MÔ PHỎNG HỆ THỐNG WIMAX 62 5.1 Giới hạn chương trình mơ 62 5.2 Sơ đồ khối hệ thống WiMAX 62 5.2.1 Sơ đồ khối bên phát 62 5.2.2 Sơ đồ khối bên thu 63 5.3 Thiết kế khối 64 5.3.1 Khối tạo liệu ngẫu nhiên 64 5.3.2 Khối điều chế FEC điều chế 64 5.3.2.1 Khối mã hóa Reed solomon 65 Trần Văn Thành CH2010A Trang vii Kỹ thuật OFDM WiMAX 5.3.2.2 Khối mã hóa xoắn 67 5.3.2.3 Khối phân chia 68 5.3.2.4 Khối chèn 69 5.3.2.5 Khối điều chế giải điều chế 60 5.3.3 Khối tạo gói liệu 70 5.3.4 Khối mã hóa khơng gian thời gian 70 5.3.5 Khối điều chế giải điều chế OFDM 71 5.3.5.1 Khối điều chế 72 5.3.5.2 Khối giải điều chế 72 5.3.6 Kênh truyền 72 5.3.7 Khối giải điều chế kết hợp không gian -thời gian 73 5.3.8 Giản đồ hiển thị điểm chòm 73 5.3.9 Khối giải điều chế FEC 74 5.3.10 5.4 Khối Rate ID 75 Kết mô 75 5.4.1 Sơ đồ chịm tín hiệu sau điều chế bên phát 75 5.4.2 Sơ đồ chịm tín hiệu trước giải điều chế bên thu 76 5.4.3 Phổ tín hiệu anten phát thứ anten thứ hai 77 5.4.4 Phổ tín hiệu OFDM nhận bên phía thu 78 5.4.5 Tỷ số BER hệ thống 78 PHẦN KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 82 Kết luận 82 Hướng phát triển 83 PHỤ LỤC VÀ TÀI LIỆU THAM KHẢO 84 PHỤ LỤC A: SƠ ĐỒ KHỐI BÊN PHÁT 84 PHỤ LỤC B: SƠ ĐỒ KHỐI BÊN THU 88 TÀI LIỆU THAM KHẢO 92 Trần Văn Thành CH2010A Trang viii Kỹ thuật OFDM WiMAX LIỆT KÊ HÌNH Hình 1.1: Mơ hình hệ thống WiMAX Hình 1.2: Kết nối WiMAX tịa nhà Hình 1.3: Miền Fresnel thứ Hình 1.4: Sự phản xạ tín hiệu từ nơi phát đến nơi thu Hình 1.5: Mơ hình kỹ thuật điều chế Hình 1.6: Mơ hình phân lớp hệ thống WiMAX so với OSI 10 Hình 2.1: Phương thức điều chế FDM OFDM 17 Hình 2.2: Bộ điều chế OFDM 17 Hình 2.3: Các sóng mang trực giao OFDM 19 Hình 2.4: Mơ hình trực giao 20 Hình 2.5: Đáp ứng tần số sóng mang phụ 21 Hình 2.6: Sơ đồ điều chế OFDM sử dụng điều chế IFFT 23 Hình 2.7: Phổ tín hiệu OFDM 24 Hình 2.8: Xung sở 24 Hình 2.9: Tiền tố lặp CP OFDM 25 Hình 2.10: Mơ hình kênh truyền 26 Hình 2.11: Bộ thu tín hiệu OFDM 27 Hình 2.12: Tách chuỗi bảo vệ 28 Hình 2.13: Sơ đồ khối giải điều chế OFDM sử dụng thuật tốn FFT 29 Hình 2.14: Ảnh hưởng môi trường vô tuyến 29 Hình 2.15: Tín hiệu đa đường 30 Hình 2.16: Fading Rayleigh thiết bị di động di chuyển 30 Hình 2.17: Trải trễ đa đường 32 Hình 2.18: Lỗi dịch tần số gây nhiễu ICI OFDM 35 Hình 2.19: Sự xuất đỉnh cao sóng mang 36 Hình 3.1: ODFM OFDMA 38 Hình 3.2: Ví dụ biểu đồ tần số, thời gian với OFDMA 39 Trần Văn Thành CH2010A Trang ix Kỹ thuật OFDM WiMAX Hình 3.3: Cấu trúc sóng mang 39 Hình 3.4: Ký hiệu OFDMA WiMAX 40 Hình 3.5: Tổng quan hệ thống sử dụng OFDMA 40 Hình 3.6: Mẫu tín hiệu dẫn đường OFDMA 41 Hình 3.7: Điều chế thích nghi 42 Hình 4.1: Mơ hình công bị động 44 Hình 4.2: Mơ hình cơng man-in-the middle 47 Hình 4.3: Mơ hình cơng DoS 47 Hình 4.4: Mạng ad-hoc 48 Hình 4.5: Các lớp giao thức 802.16 52 Hình 4.6: Các luồng giao thức PKM 55 Hình 5.1: Sơ đồ khối hệ thống WiMAX 62 Hình 5.2: Sơ đồ khối bên phát 62 Hình 5.3: Sơ đồ khối bên phía thu 63 Hình 5.4: Khối tạo liệu ngẫu nhiên 64 Hình 5.5: Khối điều chế sửa lỗi 64 Hình 5.6: Khối điều chế sửa lỗi QPSK ½ 65 Hình 5.7: Khối mã hóa RS 65 Hình 5.8: Mã hóa xoắn với tốc độ 1/2 68 Hình 5.9: Khối chèn 69 Hình 5.10: Khối tạo gói liệu 70 Hình 5.11: Sơ đồ khối mã hóa theo khơng gian thời gian 70 Hình 5.12: Các symbol phát thu theo mã hóa khơng gian- thời gian 71 Hình 5.13: Khối điều chế OFDM 71 Hình 5.14: Khối giải điều chế OFDM 72 Hình 5.15: Khối giải điều chế kết hợp không gian-thời gian 72 Hình 5.16: Khối hiển thị chịm 73 Hình 5.17: Sơ đồ khối giải điều chế FEC 73 Hình 5.18: Khối giải mã FEC sử dụng QPSK 74 Trần Văn Thành CH2010A Trang x ... Trần Văn Thành CH2010A Trang v Kỹ thuật OFDM WiMAX 2.3.4 Ứng dụng kỹ thuật IFFT kỹ thuật OFDM 21 2.3.4.1 Phép biến đổi DFT 22 2.3.4.2 Kỹ thuật IFFT OFDM 23 2.3.5 Phép nhân... điều chế kỹ thuật điều chế OFDM, ứng dụng kỹ thuật WiMAX - Trình bày khái niệm bản, đặc điểm tính chất bật kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần trực giao OFDMA Qua thấy ưu điểm kỹ thuật việc... chọn kỹ thuật Trần Văn Thành CH2010A Trang 74 Chương Mô hệ thống WiMAX Kỹ thuật OFDM WiMAX điều chế có tốc độ bit thấp Điều phù hợp với đặc tính linh hoạt hệ thống WiMAX trình bày chương Các kỹ thuật