Kỹ thuật OFDM và ứng dụng OFDM trong wimax

giáo dục đào tạo trường đại học bách khoa hà nội  - Lê cao cường Kỹ thuật ofdm ứng dụng Ofdm ứng dụng wimax luận văn thạc sĩ kỹ thuật ngành : điện tử – viễn thông Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn quốc trung Hà NộI - 2012 Mục lục Lời nói đầu Danh sách từ viết tắt Danh sách hình vẽ Danh sách bảng Chương 1: TổNG QUAN Về Sự PHáT TRIểN CáC Hệ THốNG KHÔNG DÂY BĂNG RộNG 1.1 Tiến trình phát triển băng rộng khơng dây 1.1.1 Hệ thống lặp nội không dây băng hẹp (Narrowband WLL) 1.1.2 Hệ thống băng rộng hệ thứ 1.1.3 Hệ thống băng rộng hệ thứ hai 1.1.4 Sự xuất Công nghệ dựa tiêu chuẩn (Standards-Based Technology) ………………………………… 1.2 Hệ thống băng rộng cố định: Các thị trường ứng dụng 1.3 Băng rộng khơng dây di động: Các thị trường ứng dụng 1.4 Wimax công nghệ không dây khác ……… 1.4.1 Hệ thống di động tế bào 3G 10 12 13 15 16 17 20 20 23 26 28 1.4.2 Hệ thống Wi-Fi …………………………………………… 29 31 1.4.3 So sánh WiMAX với 3G Wi-Fi ………………………… 32 Chương 2: đặc điểm pha đinh đa đường ……………… 2.1 Giới thiệu ……………………………………………………… 36 36 2.2 Kênh pha đinh Ricean Rayleigh …………………………… 37 2.3 Dạng trễ đa đường (Profile trễ đa đường) ……………………… 2.4 Kênh pha đinh lựa chọn tần số không lựa chọn tần số 41 2.5 Hàm tương quan thời gian khơng gian ………………………… 42 44 2.6 Ví dụ kênh pha đinh đa đường ………………………… 45 Chương 3: Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM 3.1 Nguyên lý OFDM ………………………………………… 3.1.1 Giới thiệu ………………………………………………… 3.1.2 Nguồn gốc OFDM …………………………………… 3.1.3 Tác dụng phép biến đổi Fourier rời rạc (DFT) 3.1.4 chèn tiền tố tuần hoàn cho OFDM 3.2 Các đặc tính OFDM 3.2.1 Giới thiệu ………………………………………………… 3.2.2 Mơ hình kênh vơ tuyến …………………………………… 3.2.3 Tỷ lệ lỗi bit kênh AWGN …………………………… 3.2.4 Tỷ lệ lỗi bit hệ thống OFDM CPSK kênh pha đinh Rayleigh 3.2.5 Tối ưu hóa số lượng sóng mang độ dài khoảng bảo vệ 3.2.6 Tăng cường sức mạnh chống lại pha đinh lựa chọn tần số 3.2.7 Tăng cường sức mạnh chống lại tạp âm nhân tạo ……… 3.2.7.1 Kênh tạp âm thử phát (Generalized Shot Noise Channel) ……………………………………………………… 3.2.7.2 Tốc độ lỗi bit SCM kênh GSN …………… 49 49 49 49 52 54 58 58 58 59 62 63 66 67 67 68 Chương 4: LớP VậT Lý CủA WIMAX 4.1 Mã hóa kênh …………………………………………………… 70 72 4.1.1 Mã chập (Mã vòng xoắn) ………………………………… 73 4.1.2 Mã turbo …………………………………………………… 4.1.3 Mã turbo khối mã LDPC 4.2 ARQ lai – HARQ 4.3 Xen kẽ (Cài xen) 75 4.4 ánh xạ ký hiệu ………………………………………………… 4.5 Cấu trúc kí hiệu OFDM 4.6 Hốn vị kênh sóng mang ……………………………… 77 78 79 80 81 84 4.6.1 Sử dụng tồn đường xuống sóng mang – DL FUSC ………………………………………………………… 4.6.2 Sử dụng phần đường xuống sóng mang – DL PUSC 4.6.3 Sử dụng phần đường lên sóng mang – UL PUSC 86 88 90 4.6.4 Việc sử dụng Khối sóng mang – TUSC …… 92 4.6.5 Điều chế mã hóa thích nghi băng (Band AMC) ……… 93 4.7 Cấu trúc khe khung ………………………………………… 4.8 Phân tập tần số MIMO …………………………………… 94 97 4.8.1 Phân tập phát mã hóa khơng gian thời gian …………… 97 4.8.2 Mã phân tập nhảy tần ……………………………………… 101 4.9 MIMO lặp đóng (Closed-Loop MIMO) ………………………… 102 4.9.1 Chọn lựa anten …………………………………………… 4.9.2 Nhóm anten ……………………………………………… 104 105 4.9.3 Hồi tiếp dựa Codebook ……………………………… 4.9.4 Hồi tiếp kênh lượng tử hóa 4.9.5 Dò kênh (Channel Sounding) 4.10 Định tầm 4.11 Điều khiển công suất Kết luận Tài liệu tham khảo 105 106 106 107 109 111 112 Kü tht OFDM vµ øng dơng – OFDM øng dơng WiMAX Lời nói đầu Chúng ta sống kỷ nguyên - kỷ nguyên thông tin Các thành tựu khoa học công nghệ tác động trực tiếp đến nhiều lĩnh vực sống xã hội Một lĩnh vực chịu ảnh hưởng lớn thành tựu khoa học công nghệ lĩnh vực điện tử - viễn thơng nói chung thơng tin di động nói riêng Ngày nay, thơng tin liên lạc đóng vai trị quan trọng khơng thể thiếu Nó định nhiều mặt hoạt động xã hội, giúp người nắm bắt nhanh chóng thơng tin có giá trị văn hoá, kinh tế, khoa học kỹ thuật đa dạng phong phú Sự phát triển thông tin di động toàn cầu phần đáp ứng nhu cầu thông tin người sử dụng Trong hai thập kỷ vừa qua, ưu điểm truyền thông định hình lại sống thường ngày Truyền thơng khơng dây tăng từ vị trí người biết đến, trở thành cơng nghệ có mặt khắp nơi phục vụ gần nửa dân số giới Dù có biết đến hay khơng, máy tính điện tử ngày có ảnh hưởng lớn hoạt động hàng ngày chúng ta, Internet hoàn toàn định hình lại cách làm việc, giao tiếp, vui chơi học tập người Mặc dù có thay đổi lớn lao lối sống vài năm vừa qua, việc hội tụ Khơng dây (wireless) với Internet với mục đích theo đuổi thay đổi lớn lao wireless thâm nhập trở lên rộng khắp giới giống giấy bút bắt gặp hàng ngày WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) mang đến cách mạng Internet Wireless cho thiết bị xách tay phạm vi toàn cầu WiMAX sẵn sàng mang Internet đến khắp nơi giới thay đổi sống cách sâu sắc Trong vài năm tới, WiMAX cung cấp tính Internet mà khơng cần kết nối có dây truyền thống tới phịng khách, máy tính xách tay, điện thoại thiết bị cầm tay khác Trong lĩnh vực viễn thông rộng lớn, với đồ án mang tên “Kỹ thuật OFDM ứng dụng – OFDM ứng dụng WiMAX” Tác giả trình bày Lª Cao C-êng – Líp cao häc §TVT 2010-2012 Kü tht OFDM vµ øng dơng – OFDM øng dơng WiMAX kỹ thuật hoàn thiện để ứng dụng ngày hiệu thực tiễn - kỹ thuật OFDM, ứng dụng điển hình nó, WiMAX Khn khổ đồ án chia thành chương: Chương Tổng quan phát triển hệ thống không dây băng rộng: Nêu lên tiến trình mạng băng rộng không dây qua giai đoạn phát triển, thị trường ứng dụng So sánh WiMAX với công nghệ không dây khác Chương Đặc điểm pha đinh đa đường: Giới thiệu pha đinh đa đường đặc điểm nó, yếu tố quan trọng tác động đến việc truyền tín hiệu kênh vô tuyến Chương Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM: Là dạng kỹ thuật đa sóng mang, hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích ngành viễn thơng nói chung thơng tin băng rộng nói riêng Phần trình bày nguyên lý OFDM, đặc tính OFDM, việc sử dụng phép biến đổi DFT xử lý tín hiệu OFDM, Tỷ lệ lỗi bit (BER) hệ thống OFDM… Chương Lớp vật lý WiMAX: Trình bày khái quát lớp vật lý WiMAX nhờ sử dụng kỹ thuật OFDM kỹ thuật đa anten MIMO Nêu lên bước cấu thành tín hiệu OFDM Mã hóa kênh, Cài xen, ánh xạ ký hiệu… Do hạn chế nhiều mặt nên Luận văn chắn khơng tránh khỏi thiếu xót, Rất mong đóng góp ý kiến Thầy, Cơ bạn để Luận văn hồn thiện Em xin trân trọng cảm ơn thầy giáo, PGS.TS Nguyễn Quốc Trung tận tình hướng dẫn giúp đỡ em suốt q trình hồn thành Luận văn Học viên: Lê Cao Cường Lª Cao C-êng – Líp cao học ĐTVT 2010-2012 Kỹ thuật OFDM ứng dông – OFDM øng dông WiMAX danh sách từ viết tắt 1xEV-DO 1x evolution—data optimized 1x evolution—data and 1x tối ưu tiến trình số liệu thoại Thế hệ thứ Dự án cộng tác hệ thứ AAS ACK ADC voice Third generation Third-generation partnership project Advanced antenna systems Acknowledgement Analog to digital converter AM Amplitude modulation AMC AWGN Adaptive modulation and coding Automatic repeat request Asynchronous transfer mode Additive White Gaussian Nhiễu Gaussian trắng cộng BER BF Noise Bit error ratio Beamforming Tỷ lệ lỗi bit Tạo luồng BLER BPSK BS Block error ratio Binary Phase Shift Keying Base station Tỷ lệ lỗi khối Khóa dịch pha nhị phân Trạm gốc BSN CC Block sequence number Convolutional coding Số chuỗi khối Mã chập (Mã vòng xoắn) CCDF CDF Complementary cumulative distribution function Cumulative distribution Hàm phân phối tích lũy bổ xung Hàm phân phối tích lũy CDM CDMA function Code Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo mã Code division multiplex Đa truy nhập phân chia theo 1xEV-DV 3G 3GPP ARQ ATM 1x cho tiến trình số liệu Hệ thống anten tiên tiến Bản tin ACK Bộ chuyển đổi tương tự sang số Điều chế biên độ Điều chế mó húa thớch nghi Yờu cầu lặp tự động Chế độ truyền không đồng Lê Cao C-ờng Lớp cao học ĐTVT 2010-2012 Kü tht OFDM vµ øng dơng – OFDM øng dơng WiMAX CID CQI CPE access Connection Identifier Channel quality indicator Customer premise mã Bộ nhận dạng kết nối Bộ thị chất lượng kênh Thiết bị đầu cuối khách hàng CRC CS CSI CSMA equipment Cyclic redundancy check Convergence sublayer Channel state information Carrier sense multiple Kiểm tra dư thừa vịng Lớp hội tụ Thơng tin trạng thái kênh Đa truy nhập dị sóng mang CTC DAC DC DCD DECT access Convolutional turbo code Digital to analog converter Direct current Downlink channel description Mã khối vịng xốn Bộ chuyển đổi số – tương tự Dịng chiều Mơ tả kênh đường xuống Digital Enhanced Cordless Technology Dynamic Frequency Selection Dicrete Fourier transform Điện thoại có dây mở rộng chức số Lựa chọn tần số động DL Dynamic Host Configuration Protocol Downlink Giao thức cấu hình máy chủ động Đường xuống DSC DSD DSL Dynamic service change Dynamic service delete Digital subscriber line Thay đổi dịch vụ động Hủy dịch vụ động Đường dây thuê bao số EDGE Enhanced Data for GSM Environment Tăng cường số liệu cho GSM E-GPRS ETSI Enhanced GPRS European Telecommunications Standards Institute Electronics and GPRS tăng cường Viện chuẩn viễn thông Châu âu Telecommunications viễn thông DFS DFT DHCP ETRI Biến đổi Fourier rời rạc Viện nghiên cứu điện tử Lª Cao C-êng – Líp cao häc §TVT 2010-2012 Kü tht OFDM vµ øng dơng – OFDM øng dơng WiMAX Research Institute Fast base station switching Federal Communications Commission Chuyển mạch BS nhanh ủy ban thông tin quốc gia Forward Error Correction Frame control header Frequency division duplexing Frequency Division Sửa lỗi trước Mào đầu điều khiển khung Song công phân chia theo tần số Ghép kênh phân chia theo tần Multiplexing Frequency division multiple access Frequency Domain Pilot Frequency domain equalization số Đa truy nhập phân chia theo tần số Pilot miền tần số Cân miền tần số Biến đổi Fourier nhanh Nhảy tần Mã phân tập nhảy tần FIR FM Fast Fourier transform Frequency Hopping Frequency-hopping diversity code Finite impulse response Frequency Modulation Đáp ứng xung giới hạn Điều tần FSK FTP FUSC Frequency shift Keying File transfer protocol Full usage of subcarriers Khóa dịch tần Giao thức truyền file Sử dụng tồn sóng mang FBSS FCC FEC FCH FDD FDM FDMA FDP FEQ FFT FH FHDC H-FDD HARQ HIPERLAN HIPERMAN HMAC Half frequency division duplexing Hybrid ARQ High Performance Local Area Network High-performance MAN Hash – based message authentication code Bán song công phân chia theo tần số ARQ lai Mạng LAN hiệu suất cao Mạng MAN hiệu suất cao Mã nhận thực tin Hash Lª Cao C-êng – Líp cao häc §TVT 2010-2012 Kü tht OFDM vµ øng dơng – OFDM øng dông WiMAX HPA HSDPA High power amplifier High speed downlink packet access High-speed packet access Bộ khuếch đại cơng suất cao Truy nhập gói đường xuống tốc độ cao Truy nhập gói tốc độ cao HSUPA High-speed uplink packet access IBO IDFT Input backoff Inverse Descreat Fourier Transform Truy nhập gói đường lên tốc độ cao Đầu vào chờ truyền Biến đổi Fourier rời rạc ngược ICI i.d.d IEEE Inter – carrier interference Nhiễu liên sóng mang Independent and Identically Phân bố xác định độc lập Distributed Institute of Electrical and Viện kỹ sư điện điện tử IFFT Electronics Engineers Invert FFT Biến đổi FFT ngược IP ISI GPS Internet Protocol Inter – symbol interference Global Position System Giao thức Intenet Nhiễu liên ký tự Hệ thống định vụ toàn cầu LAN LDPC LLR Local Area Network Low density parity codes Log likelihood ratio Mạng máy tính cục Mã parity mật đọ thấp Tỷ số Likelihood log LMDS Local multipoint distribution systems Line of sight Least significant bit Media access control Hệ thống phân bố đa điểm nội hạt Tầm nhìn thẳng Bit có trọng số nhỏ Điều khiển truy nhập đa MAN MC-CDMA MCM MDHO MF Metropolitan area network Multi – carrier CDMA Multicarrier Modulation Macro – diversity handover Maximum fairness phương tiện Mạng khu vực thị CDMA đa sóng mang Điều chế đa sóng mang Chuyển giao phân tập lớn Thuật toán cân lớn MIMO Multiple input multiple Đa đầu vào, đa dầu HSPA LOS LSB MAC Lê Cao C-ờng Lớp cao học ĐTVT 2010-2012 Kü tht OFDM vµ øng dơng – OFDM øng dơng WiMAX Hình 4.16: (a) mã hóa theo chiều ngang cho anten; (b) mã hóa theo chiều dọc cho anten Khi đa anten sử dụng với hoán vị sóng mang FUSC, sóng mang ký hiệu chia cho anten Trong trường hợp anten pilot phân chia theo kiểu sau: - Ký hiệu (Symbol 0): Anten sử dụng tập khả dụng tập cố định 0, anten sử dụng tập khả dụng tập cố định - Ký hiệu (Symbol 1): Anten sử dụng sử dụng tập khả dụng tập cố định 1, Anten sử dụng tập khả dụng tập cố định Tương tự với trường hợp anten sử dụng cho hoán vị sóng mang FUSC, pilot chia cho anten theo cách sau: - Ký hiệu 0: Anten sử dụng tập khả dụng tập cố định 0, anten sử dụng tập khả dụng tập cố định - Ký hiệu 1: Anten sử dụng tập khả dụng tập cố định 0, anten sử dụng tập khả dụng tập cố định Lª Cao C-êng – Líp cao học ĐTVT 2010-2012 103 Kỹ thuật OFDM ứng dụng – OFDM øng dông WiMAX - Ký hiệu 2: Anten sử dụng tập khả dụng tập cố định 1, anten sử dụng tập khả dụng tập cố định - Ký hiệu 3: Anten sử dụng tập khả dụng tập cố định 1, anten sử dụng tập khả dụng tập cố định Với hốn vị sóng mang PUSC, cấu trúc cluster riêng biệt (hình 4.17) thực đa anten sử dụng Hình 4.17: Cluster PUSC cho (a) hai anten phát; (b) bốn anten phát 4.8.2 Mã phân tập nhảy tần Trong trường hợp mã hóa khơng gian/ thời gian sử dụng đa anten, ký hiệu OFDM hoàn chỉnh điều khiển ma trận mã hóa khơng gian/ thời gian thấy hình 4.15 IEEE 802.16e-2005 định nghĩa chế độ phân tập phát lựa chọn biết đến mã phân tập nhảy tần (FHDC – Frequency-hopping diversity code) sử dụng anten mã hóa miền tần số khơng gian (như thấy hình 4.18) sử dụng mã hóa Lª Cao C-êng – Líp cao häc §TVT 2010-2012 104 Kü tht OFDM vµ øng dơng – OFDM øng dơng WiMAX miền không gian thời gian Trong FHDC, anten phát ký hiệu OFDM mà khơng cần mã hóa, giống việc phát anten đơn anten phát thứ phát ký hiệu OFDM cách mã hóa thông qua kênh liền nhờ sử dụng ma trận mã hóa Alamouti 2x2 (hình 4.18) Hình 4.18: Mã phân tập nhảy tần Tín hiệu nhận kênh thứ n (n+1) viết: (4.8) Mặc dù cơng thức 4.8 cho thấy tín hiệu nhận kênh n (n+1) việc nhận thực sóng mang Khi sóng mang tương ứng với kênh thứ n (n+1) khơng có quan hệ với băng thơng tương quan kênh mã hóa khơng gian/ thời gian không trực giao tách maximum-likelihood khơng tuyến tính 4.9 MIMO lặp đóng (Closed-Loop MIMO) Các chế ghép kênh phần phân tập phát IEEE 802.16e2005 mô tả phần trước không yêu cầu bên phát phải biết CSI để bên thu giải mã Các chế phân tập MIMO đạt lợi ích đáng kể CSI biết trước bên phát Thông tin CSI bên phát sử dụng để chọn lựa chế độ MIMO phù hợp – số lượng antenna phát, số luồng đồng thời, ma trận mã hóa khơng/ thời gian – để tính tốn ma trận tiền mã hóa tối ưu, ma trận dùng để tối đa dung lượng hệ thống Lª Cao C-êng – Líp cao häc §TVT 2010-2012 105 Kü tht OFDM vµ øng dơng – OFDM øng dơng WiMAX CSI biết bên phát nhờ vào tính thuận nghịch kênh trường hợp TDD, kênh hồi tiếp trường hợp FDD Băng thông đường lên dùng để cung cấp CSI đầy đủ cho phát – ma trận kênh MIMO cho sóng mang hệ thống OFDM – MIMO FDD đa người dùng lớn không thực tế hệ thống MIMO FDD lặp đóng Với hệ thống thực tế, sử dụng vài dạng thông tin lượng tử hóa đường lên Cấu trúc khung cho MIMO lặp đóng IEEE 802.16e – 2005 đuợc cho hình 4.19, bao gồm xác định trạng thái mã hóa không gian/ thời gian hệ thống MIMO lặp mở trạng thái tiền mã hóa MIMO Ma trận tiền mã hóa MIMO nói chung ma trận phức, với số hàng với số anten phát số cột với đầu khối mã hóa khơng/ thời gian Ma trận tiền mã hóa tuyến tính trộn lẫn mặt khơng gian luồng song song nằm số anten khác nhau, với điều chỉnh cường độ pha phù hợp Để xác định biên độ pha phù hợp với trọng số khác nhau, phát yêu cầu vài thông tin hồi tiếp từ MS Trong trường hợp MIMO lặp đóng, hồi tiếp đa phần có loại: Hồi tiếp dài hạn (Long-term feedback) Hồi tiếp ngắn hạn (Short-term feedback) Hồi tiếp dài hạn cung cấp thông tin liên quan đến số lượng lớn luồng song song: bậc ma trận tiền mã hóa sử dụng đường xuống (DL) Hồi tiếp ngắn hạn cung cấp thông tin trọng số ma trận tiền mã hóa sử dụng Lª Cao C-êng – Líp cao học ĐTVT 2010-2012 106 Kỹ thuật OFDM ứng dụng – OFDM øng dơng WiMAX Hình 4.19: Cấu trúc MIMO lặp đóng IEEE 802.16e-2005 Chuẩn IEEE 802.16e – 2005 định nghĩa chế mà nhờ BS ước lượng ma trận tiền mã hóa tối ưu cho hoạt động MIMO lặp đóng: - Chọn lựa anten: MS cho BS đâu anten sử dụng q trình truyền dẫn để cực đại hóa dung lượng kênh và/ cải thiện độ tin cậy kết nối - Nhóm anten: MS cho BS hoán vị tối ưu anten khác mà chúng sử dụng cho ma trận mã hóa khơng gian/ thời gian - Hồi tiếp sở codebook: MS cho BS ma trận tiền mã hóa tối ưu sử dụng, sở đầu vào codebook định nghĩa trước - Hồi tiếp kênh lượng tử hóa: MS lượng tử hóa kênh MIMO gửi thơng tin cho BS, sử dụng tin MIMO_FEEDBACK BS sử dụng kênh MIMO lượng tử hóa để tính tốn ma trận tiền mã hóa tối ưu - Dị kênh: BS trì thơng tin xác CSI MS cách sử dụng tín hiệu tiền định tín hiệu chun dụng để dị kênh (Channel sounding) 4.9.1 Chọn lựa anten Khi số anten truyền Nt lớn số luồng song song NS – bậc ma trận tiền mã hóa sở hồi tiếp dài hạn– hồi tiếp chọn lựa anten thông báo cho BS đâu anten tối ưu cho việc truyền đường xuống MS thường tính tốn dung lượng kênh MIMO cho khả kết hợp anten sử dụng, lựa chọn kết hợp tối đa hóa dung lượng kênh Tiếp đến MS anten đươc lựa chọn, nhờ sử dụng kênh hồi tiếp nhanh thứ cấp (Fast-feedback Channel) Các kênh hồi tiếp nhanh thứ cấp phân bổ cho MS riêng biệt, nơi mà MS sử dụng phương thức truyền đơn (unicast) để gửi tin FAST-FEEDBACK Mỗi kênh hồi tiếp nhanh bao gồm khe OFDMA MS sử dụng 48 sóng mang kênh PUSC để mang tải tin bit Mặt khác kờnh Lê Cao C-ờng Lớp cao học ĐTVT 2010-2012 107 Kü tht OFDM vµ øng dơng – OFDM øng dông WiMAX hồi tiếp nhanh thứ cấp sử dụng 24 sóng mang hoa tiêu kênh PUSC để mang tải bit Tùy thuộc vào độ cao dư thừa, việc nhận tin hồi tiếp nhanh sơ cấp thứ cấp BS lỗi Chọn lựa anten chế hồi tiếp băng thông hiệu đặc biệt hữu dụng tốc độ cao hơn, tốc độ hồi tiếp cao Chọn lựa anten có thêm điểm lợi mà không giống chế độ MIMO lặp đóng khác, số lượng chuỗi RF yêu cầu với số luồng NS Các phương thức MIMO lặp đóng khác địi hỏi tổng Nt chuỗi RF phát, mà khơng quan tâm có luồng song song phát 4.9.2 Nhóm anten Nhóm anten khái niệm cho phép BS hoán vị trật tự logic antenna phát Như biểu diễn công thức (4.9), A1 xem trật tự tự nhiên, A2 dẫn đến trật tự logic anten phát tráo đổi Tương tự vây, A3 dẫn đến trật tự logic anten tráo đổi, sau trật tự logic anten tráo đổi MS hoán vị xác số anten phát sử dụng kênh hồi tiếp nhanh sơ cấp Nhóm anten hoạt động với ma trận mã hóa khơng gian/ thời gian mô tả phần trước với 2, anten Lª Cao C-êng – Lớp cao học ĐTVT 2010-2012 108 Kỹ thuật OFDM øng dông – OFDM øng dông WiMAX (4.9) 4.9.3 Hồi tiếp dựa Codebook Hồi tiếp sở codebook cho phép MS phân biệt rõ ràng ma trận tiền mã hóa sở codebook sử dụng cho truyền dẫn đường xuống Codebook riêng rẽ định nghĩa chuẩn danh cho khả kết hợp khác số lượng luồng NS số anten phát Nt Với kết hợp NS Nt, chuẩn định nghĩa codebook: Codebook với đầu vào codebook thứ với 64 đầu vào Nếu ta chọn ma trận tiền mã hóa từ codebook đầu vào, MS báo hiệu điều cho BS cách sử dụng kênh hồi tiếp bit Mặt khác, ta chọn ma trận tiền mã hóa từ codebook với 64 đầu vào, MS cho BS thấy lựa chọn cách sử dụng kênh hồi tiếp bit Việc chọn lựa codebook cho phép hệ thống hoạt động với cân hiệu suất hiệu hồi tiếp Với hoạt động AMC băng, BS hướng dẫn MS cung cấp tiền mã hóa đơn cho toàn băng (Band) kênh đưa cung cấp tiền mã hóa khác cho N băng tốt Lª Cao C-êng – Lớp cao học ĐTVT 2010-2012 109 Kỹ thuật OFDM øng dông – OFDM øng dông WiMAX 4.9.4 Hồi tiếp kênh lượng tử hóa Hồi tiếp MIMO lượng tử hóa cho phép MS thơng báo với BS thơng tin trạng thái kênh MIMO cách rõ ràng MS lượng tử hoá thành phần thực ảo kênh MIMO Nt x Nr thành số nhị phân bit sau gửi thơng tin cho BS, sử dụng kênh hồi tiếp nhanh Rõ ràng, hồi tiếp kênh lượng tử hóa yêu cầu nhiều băng thông hồi tiếp đường lên so với phương pháp hồi tiếp dựa codebook Ví dụ, trường hợp hệ thống IEEE 802.16e – 2005 với anten phát anten thu, hồi tiếp kênh lượng tử hóa yêu cầu 16x6 bit để gửi hồi tiếp, ngược lại, phương pháp codebook yêu cầu bit Do yêu cầu băng thông cao chế độ hồi tiếp kênh lượng tử hóa, ta có th ể hình dung chế độ sử dụng hiệu điều kiện cố định với tốc độ Trong điều kiện kênh thay đổi chậm, tốc độ mà MS cần để cung cấp hồi tiếp phải giảm đáng kể, cịn lại hiệu suất băng thơng đáng kể 4.9.5 Dò kênh (Channel Sounding) Như định nghĩa tiêu chuẩn cho hoạt động TDD, chế dị kênh địi hỏi MS phát tín hiệu định trước tín hiệu sử dụng BS để ước lượng kênh đường lên từ MS Nếu kênh đường lên đường xuống điều chỉnh thích hợp BS sử dụng kênh đường lên ước lượng kênh đường xuống, điều thực nhờ có tính chất thuận nghịch kênh BS xác định MS nhờ sử dụng tin ánh xạ đường lên (UL_MAP) vùng dị tìm đường lên phân bổ cho người dùng khung cho trước Khi nhận cấu trúc này, MS gửi tín hiệu dị kênh đường lên vùng dị tìm phân bổ Các sóng mang vùng dị tìm chia thành dải tần số dị tìm khơng chồng lấn lên nhau, với dải có 18 sóng mang liên tiếp BS hướng dẫn MS thực dị tìm kênh tồn sóng mang cho phép tập hợp Ví dụ, 2048 sóng mang sử dụng, số lượng tối đa sóng mang hữu dụng 1728 Do đó, tồn băng thơng kênh chia thành 1728/18 = 96 dải tần số dị tìm Để ước lượng kênh đường xuống BS mơi trường di Lª Cao C-êng – Líp cao học ĐTVT 2010-2012 110 Kỹ thuật OFDM ứng dụng – OFDM øng dông WiMAX động, BS c ũ n g hướng dẫn MS hoạt động dị tìm kênh đường lên cách định kỳ Lựa chọn dị kênh đường lên cho hoạt động MIMO lặp đóng chế hồi tiếp kênh MIMO yêu cầu dải thơng lớn nhất, cung cấp cho BS ước lượng kênh đường xuống xác nhất, cung cấp độ lợi dung lượng lớn nhất, chế độ vòng lặp mở (open-loop) 4.10 Định tầm Trong chuẩn IEEE 802.16e – 2005, định tầm thủ tục lớp vật lý đường lên dùng để trì chất lượng độ tin cậy thông tin liên kết vô tuyến BS MS Khi BS nhận truyền định tầm từ MS, BS xử lý tín hiệu nhận để ước lượng thơng số liên kết vơ tuyến, ví dụ đáp ứng xung kênh, SINR, thời gian đến, nhờ cho phép BS xác định MS với mức công suất phát độ lệch định thời, thơng số mà MS cần thiết có liên quan đến BS Tiến trình định tầm ban đầu định tầm theo chu kỳ cho phép BS MS hoạt động đồng thời gian công suất với mong muốn BS MS hỗ trợ khởi tạo lại mạng hoạt động định kỳ Thủ tục định tầm bao gồm việc truyền chuỗi tiền định, biết đến mã định tầm (ranging code), lặp lại ký hiệu OFDM sử dụng kênh định tầm, hình 4.20 Mục đích việc định tầm đặc biệt quan trọng việc đảm bảo khơng có khơng liên tục (discontinuity) pha xảy ranh giới ký hiệu OFDM, chí khơng dùng cửa sổ, điều thực cách cấu trúc ký hiệu OFDM theo cách cho hình 4.20 Ký hiệu OFDM kênh định tầm tạo giống ký hiệu OFDM thơng thường: thực phép biển đổi IFFT dựa mã định tầm sau gắn thêm vào đầu ký hiệu đoạn có chiều dài Tg lấy từ cuối ký hiệu Ký hiệu OFDM thứ tạo cách thực phép IFFT với mã định tầm sau thêm vào cuối đoạn có chiều dài Tg từ đầu ký hiệu (xem hình 4.20) Lê Cao C-ờng Lớp cao học ĐTVT 2010-2012 111 Kü tht OFDM vµ øng dơng – OFDM øng dơng WiMAX Hình 4.20: Cấu trúc ký hiệu định tầm Việc tạo ký hiệu OFDM thứ kênh định tầm theo cách bảo đảm gián đoạn pha ranh giới ký hiệu liên tiếp nhâu Cấu trúc mã định tầm cho phép BS nhận yêu cầu từ MS chưa định tầm với sai lệch đồng bộ/ thời gian lớn tiền tố tuần hồn, điều phù hợp suốt q trình đạt mạng khởi tạo MS lựa chọn sử dụng mã định tầm liên tiếp phát chu kỳ ký hiệu OFDM Lựa chọn làm giảm xác xuất lỗi tăng khả định tầm để hỗ trợ số l ượng l ớn cá c MS định tầm đồng thời Định tầm ký hiệu cho phép độ lệch định thời lớn BS SS, có ích tế bào (cell) lớn Tiêu biểu là, kênh định tầm bao gồm kênh ký hiệu OFDM liên tiếp, bậc miền thời gian tần số cung cấp tin FCH Kênh định tầm khơng phân bổ cho tất khung đường lên tùy theo tin FCH Lª Cao C-êng – Líp cao häc §TVT 2010-2012 112 Kü tht OFDM vµ øng dơng – OFDM øng dơng WiMAX Để xử lý yêu cầu định tầm khởi tạo, mã định tầm lặp lại lần phát ký hiệu OFDM liên tiếp mà khơng có gián đoạn pha giữ chúng Mã định tầm IEEE 802.16e – 2005 chuỗi giả ngẫu nhiên có chiều dài 144 chọn từ tập 256 mã Với mã khả dụng N mã dành cho định tầm khởi tạo, M mã dành cho định tầm theo chu kỳ, O mã cho yêu cầu băng thông, S mã cuối cho định tầm chuyển giao Các giá trị N, M, O, S định BS truyền kênh điều khiển Trong thủ tục định tầm định, MS chọn ngẫu nhiêu chuỗi giả ngẫu nhiên cho phép BS Điều đảm bảo chí SS xung đột suốt trình định tầm chúng phát cách riêng biệt MS nhờ có chuỗi giả ngẫu nhiên ban đầu mã định tầm Chuỗi giả ngẫu nhiên chọn BPSK điều chế phát kênh con, ký hiệu OFDM phân bổ cho kênh định tầm 4.11 Điều khiển cơng suất Để trì chất lượng liên kết vô tuyến (Radio-link) MS BS, đồng thời để kiểm sốt tồn nhiễu hệ thống, chế điều khiển công suất hỗ trợ cho đường lên với thủ tục: chỉnh khởi tạo điều chỉnh theo chuỳ, mà không làm liệu BS sử dụng truyền dẫn kênh định tầm đường lên từ MS khác để ước lượng khởi tạo điều chỉnh định kỳ cho mục đích điều khiển cơng suất BS sử dụng tin quản lý MAC chuyên dụng (MAC managements message) để cho MS thấy điều chỉnh mức công suất cần thiết Các yêu cầu chế điều khiển công suất cho đây: - Điều khiển công suất phải có khả hỗ trợ biến động cơng suất vào khoảng 30 dB/s với độ rộng 10 dB - BS phải giải trình ảnh hưởng tiểu sử cụm khác khuếch đại bão hòa đưa thị điều khiển cơng suất Điều quan trọng, PAR (Peak-to-average) phụ thuộc vào tiểu sử cụm, đặc biệt trình iu ch Lê Cao C-ờng Lớp cao học ĐTVT 2010-2012 113 Kü tht OFDM vµ øng dơng – OFDM øng dơng WiMAX - MS trì mật độ công suất truyền ổn định không quan tâm đến số lượng kênh phép hoạt động Do đó, số kênh phân bổ cho MS cho trước giảm tăng, mức công suất truyền giảm tăng tương ứng mà không cần thêm tin điều khiển công suất Để truy trì mật độ phổ cơng suất SINR thu phù hợp với phương thức điều chế tỷ lệ mã sử dụng BS chỉnh mức cơng suất và/ phương thức điều chế tốc độ mã h ó a truyền b Tuy nhiên, vài trường hợp, MS tạm thời chỉnh mức công suất, phương thức điều chế tốc độ mã hóa mà không cần hướng dẫn từ BS MS thông báo cho BS công suất khả dụng tối đa công suất phát sử dụng BS cho việc phân bổ tối ưu tiểu sử cụm kênh dùng cho đường lên (Uplink) Công suất khả dụng tối đa thơng báo cho chịm QPSK, 16 QAM 64 QAM phải chịu trách nhiệm với backoff yêu cầu PAR chịm điều chế đường xuống, khơng có hỗ trợ trực tiếp cung cấp cho việc điều khiển cơng suất vịng lặp đóng, chuyển cho nhà sản xuất để thực chế điều khiển công suất, yêu cầu dựa hồi tiếp chất lượng kênh đường xuống (DL) cung cấp SS Kết luận Lê Cao C-ờng Lớp cao học ĐTVT 2010-2012 114 Kü tht OFDM vµ øng dơng – OFDM øng dơng WiMAX OFDM biết đến từ thập kỷ 60 kỷ 20, nhiên vào thời gian đầu người ta thực kỹ thuật thực tế khó khăn việc điều chỉnh xác tần số máy phát tín hiệu sóng mang cục lọc tương tự Hiện với việc phát triển mạnh mẽ kỹ thuật xử lý số tín hiệu, OFDM trở lại công nghệ đầy triển vọng Với việc sử dụng biến đổi Fourier rời rạc – DFT, tín hiệu trực giao giới hạn thời gian (OFDM) lấy mẫu phát dạng ma trận cột, bên thu sử dụng phép biến đổi DFT để khơi phục lại tín hiệu phát Nếu sử dụng cửa sổ DFT dạng chữ nhật bên thu nhiễu sóng mang loại bỏ hồn tồn Khn khổ luận văn trình bày tổng quan tiến trình phát triển mạng băng rộng khơng dây trình bày cụ thể ứng dụng OFDM WiMAX, cụ thể lớp vật lý IEEE 802.16e2005 dành cho WiMAX di động Các loại mã hóa kênh, cấu trúc khung vật lý, việc sử dụng kỹ thuật anten MIMO (Đa đầu vào, Đa đầu ra)… Trên sở có nhiều nghiên cứu tài liệu OFDM năm gần cộng với việc tìm hiểu lớp vật lý WiMAX di động, đề tài nghiên cứu sâu WiMAX hoạt động lớp MAC WiMAX Do hạn chế nhiều mặt nên đề tài không tránh khỏi thiếu xót trình bày nội dung Kính mong Thầy, Cơ bạn đồng nghiệp đóng góp ý kiến chỉnh sửa luận văn hoàn thiện Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Quốc Trung tận tình hướng dẫn Em suốt q trình hồn thành Luận văn Học viên: Lê Cao Cường Tài liệu tham khảo “Multicarier techniques for 4G mobile communications”; Shinsuke Hara & Ramjee Prasad (2003); Artech House Lª Cao C-êng – Líp cao häc §TVT 2010-2012 115 Kü tht OFDM vµ øng dơng – OFDM øng dông WiMAX “Fundamentals of WiMAX – Understanding Broadband Wireless Networking”; Jeffrey G Andrews, Arunabha Ghosh, Rias Muhamed, Prentice Hall (02/2007) “Thông tin di động hệ 3” (Tập 1, 2); TS Nguyễn Phạm Anh Dũng; Nhà xuất Bưu điện “Giáo trình truyền hình số”; Đỗ Hoàng Tiến, Vũ Đức Lý; Nhà xuất khoa học kỹ thuật “Lý thuyết truyền tin”; Trần Trung Dũng, Nguyễn Thuý Anh, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội - 2004 “Lý thuyết ứng dụng công nghệ OFDM -Tập 2”; TS Nguyễn Văn Đức, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội - 2006 “Cơ sở lý thuyết truyền tin - Tập 2”; Đặng Văn Chuyết, Nguyễn Tuấn Anh, Nhà xuất giáo dục, Hà Nội – 2000 WiMAX Forum, http://www.wimaxforum.org Website: http://www.mathworks.com/ Lª Cao C-êng – Líp cao häc §TVT 2010-2012 116 Kü tht OFDM vµ øng dơng – OFDM øng dơng WiMAX LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn "KỸ THUẬT OFDM VÀ ỨNG DỤNG - OFDM ỨNG DỤNG TRONG WIMAX" tụi tự nghiờn cứu hoàn thành hướng dẫn PGS.TS NGUYỄN QUỐC TRUNG Tụi xin chịu hoàn toàn trỏch nhiệm lời cam đoan Hà Nội, Ngày 18 thỏng 03 năm 2012 Học viờn Lờ Cao Cường Lª Cao C-êng – Líp cao häc §TVT 2010-2012 117 ... khác Trong lĩnh vực viễn thông rộng lớn, với đồ án mang tên ? ?Kỹ thuật OFDM ứng dụng – OFDM ứng dụng WiMAX? ?? Tác giả trình bày Lª Cao C-êng – Líp cao häc §TVT 2010-2012 Kü tht OFDM vµ øng dơng – OFDM. .. 2010-2012 Kü tht OFDM vµ øng dơng – OFDM øng dông WiMAX kỹ thuật hoàn thiện để ứng dụng ngày hiệu thực tiễn - kỹ thuật OFDM, ứng dụng điển hình nó, WiMAX Khn khổ đồ án chia thành chương: Chương Tổng... lý OFDM, đặc tính OFDM, việc sử dụng phép biến đổi DFT xử lý tín hiệu OFDM, Tỷ lệ lỗi bit (BER) hệ thống OFDM? ?? Chương Lớp vật lý WiMAX: Trình bày khái quát lớp vật lý WiMAX nhờ sử dụng kỹ thuật