Công nghệ winmax và kỹ thuật mino

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN THỊ HẢO CÔNG NGHỆ WINMAX VÀ KỸ THUẬT MINO LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Chuyên ngành : Điện tử viễn thông NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : NGUYỄN VŨ THẮNG Hà Nội – 2007 i MỤC LỤC MỤC LỤC i THUẬT NGỮ VIẾT TẮT iv KÝ HIỆU vii DANH MỤC CÁC BẢNG viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ix LỜI NÓI ĐẦU xii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ WIMAX .1 1.1 Nguồn gốc đời chuẩn WiMAX 1.1.1 Tổ chức WiMAX Forum 1.1.2 Lịch sử WIMAX 1.1.3 Khái niệm WIMAX 1.2 Mô tả lớp vật lý 1.2.1 Truyền lan LOS NLOS 1.2.2 Chế độ truyền dẫn 1.2.3 Sơ đồ khối trình truyền - nhận tin 1.2.4 OFDM Symbol .12 1.2.5 Điều chế mã hóa thích ứng 13 1.2.6 Cấu trúc khung lớp vật lí 15 1.3 Mô tả lớp MAC 16 1.3.1 Mơ hình tham chiếu 16 1.3.1.1 Lớp hội tụ dịch vụ riêng SSCS .17 1.3.1.2 Lớp MAC CPS 20 b Quá trình xây dựng MAC PDU 802.16 24 1.3.1.3 Lớp bảo mật (Subsercurity layer) 25 1.3.2 Cơ chế cấp phát yêu cầu băng thông 26 1.3.3 Quá trình thiết lập kết nối 27 1.3.4 Chất lượng dịch vụ 802.16 .29 1.4 Kiến trúc mạng WiMAX 32 ii 1.4.1 Mạng dịch vụ truy nhập ASN .37 1.4.2 Mạng dịch vụ kết nối CSN .37 1.4.3 Cấu hình mạng 38 1.4.4 Cấu hình điểm – đa điểm PMP 38 1.4.5 Cấu hình mắt lưới MESH 39 1.4.6 Quá trình vào mạng 40 2.1 Giới thiệu chung .43 2.2 Ưu điểm hệ thống MIMO 43 2.3 Mơ hình hệ thống MIMO 44 2.4 Dung lượng kênh MIMO 46 2.5 Kênh phía phát .47 2.6 Kênh biết phía phát 48 2.7 Kênh xác định (các phần tử H định trước) 49 2.7.1 Hệ thống SIMO 49 2.7.2 Hệ thống MISO 50 2.8 Kênh ngẫu nhiên 51 2.8.1 Dung lượng Ergodic 51 2.8.2 Dung lượng outage 53 2.9 So sánh hiệu hệ thống MIMO với hệ thống không MIMO 55 2.10 Ảnh hưởng tham số vật lí lên dung lượng kênh MIMO .57 2.10.1 Ảnh hưởng tương quan fading 57 2.10.2 Ảnh hưởng đường truyền trực tiếp LOS 59 CHƯƠNG KỸ THUẬT MIMO SỬ DỤNG TRONG WIMAX 62 3.1 Giới thiệu chung .62 3.2 Anten thích ứng (Adapter Anten System) 62 3.3 So sánh MIMO AAS WiMAX 64 3.4 Mã hóa khơng gian thời gian MIMO 67 3.4.1 Mã hóa khơng gian thời gian Alamouti 68 3.4.1.1 Kết hợp tỷ lệ cực đại (MRC) 68 iii 3.4.1.2 Sơ đồ Alamouti anten phát anten thu 71 3.4.1.3 Sơ đồ Alamouti hai anten phát với nr anten thu .74 3.4.1.4 Hiệu sơ đồ Alamouti 76 3.4.2 Mã khối không gian thời gian (STBC) .80 3.4.2.1 Mã hóa STBC với tín hiệu thực 81 3.4.2.2 Mã hóa STBC với tín hiệu phức 83 3.4.2.3 Hiệu STBC .85 3.5 Ghép kênh không gian .87 3.5.1 Kỹ thuật phân chia giá trị đơn 88 3.5.2 Dung lượng kênh SVD MIMO 91 3.5.3 Các phát LST: loại mã hóa 94 3.5.4 Các thu ghép kênh không gian: 98 3.5.5 So sánh thu 104 3.6 Lựa chọn chế độ MIMO thích ứng 106 3.7 Xu hướng phát triển 108 KẾT LUẬN .110 TÀI LIỆU THAM KHẢO .111 iv THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Từ viết Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt tắt AAA Authentication authorization &Account Nhận thực, cấp phép lập tài khoản AAS Adaptive Antenna System Hệ thống anten thích ứng ACI Adjacent Cell Interference Nhiễu lân cận ASN Access Service Network Mạng dịch vụ truy nhập AM Adaptive Modulation Điều chế thích ứng AOA Angle Of Arrival Góc tới AOD Angle Of Departure Góc xuất phát AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gauss trắng cộng BE Best Effort Dịch vụ nỗ lực tốt BER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bít BLAST Bell Labs Layered Space-time Kiến trúc không gian thời gian phân architecture lớp phịng thí nghiệm Bell BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân BS Base Station Trạm gốc BTC Block Turbo Code Mã Turbo khối CCI Co channel Interference Nhiễu đồng kênh CDF Cumulative Distribution Function Hàm phân bố tích lũy 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 Premises Equipment Thiết bị truyền thông cá nhân CPS Common Part Sublayer Lớp phần chung CRC Cyclic Redundancy Check Kiểm tra độ dư vịng tuần hồn CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh CTC Concatenated Turbo Code Mã Turbo xoắn DCD Downlink Channet Descriptor Miêu tả kênh đường xuống DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc DHCP Dynamic Host Configuration Protocol Giao thức cấu hình Host động DL Downlink Đường xuống v DLFP Downlink Frame Preamble Tiền tố khung đường xuống DPS Delay Power Spectrum Phổ công suất trễ FDD Frequence Division Mutiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số FEC Forward Error Correct Hiệu chỉnh lỗi trước FFT Fast Fourier Transform Chuyển đổi Fourier nhanh HCS Header Check Sequence Thứ tự kiểm tra tiêu đề HT Header Type Loại tiêu đề ICI Inter Carrier Interference Nhiễu sóng mang IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh đảo ISI Inter Symbol Interference Nhiễu ký hiệu LOS Line of Sight Tầm nhìn thẳng LSB Least Significant Bit Bit ý nghĩa MA Multiple Access Đa truy nhập MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập phương tiện MAN Metropolitan Area Network Mạng vùng thành thị MIMO Multiple Input Multiple Output Nhiều đầu nhiều đầu MISO Multiple Input Single Output Nhiều đầu vào đầu ML Maximum Likelihood Khả giống cực đại MMSE Minimum Mean Square Error Sai lỗi bình phương trung bình cực tiểu MQAM Multilevel-QAM QAM nhiều mức MS Mobile Station Trạm di động MSB Most Significant Bit Bít nhiều ý nghĩa NLOS Non Light of Sight Tầm nhìn khơng thẳng NNI Network Network Interface Giao diện mạng – mạng NRP Normalized Received Power Cơng suất thu chuẩn hóa OFDM Orthogonal Frequence Division Ghép kênh phân chia theo tần số trực Multiplexing giao OFDMA Orthogonal Frequence Division Đa truy nhập phân chia theo tần số Multiple Access trực giao PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất PDP Power Delay Profile Lý lịch trễ công suất PDU Protocol Data Unit Đơn vị liệu giao thức PEP Pairwise Error Probability Xác suất lỗi cặp vi PKM Privacy Key Management Quản lí khóa bảo mật PMP Point to Multipoint Điểm đa điểm PS Physical Slot Khe vật lý QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phương QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa chuyển pha cầu phương RDS Root mean square Delay Spread Trải trễ trung bình quân phương rms Root mean square Trung bình quân phương RTG Receive Transition Gap Khoảng trống chuyển giao đầu thu SAP Service Access Point Điểm truy nhập dịch vụ SE Spectrum Efficiency Hiệu suất phổ tần SER Symbol Error Rate Tỷ lệ lỗi ký hiệu SFID Service Flow Identifier Nhận dạng luồng dịch vụ SIMO Single Input Multiple Output Một đầu vào nhiều đầu SIR Signal to Interference Ratio Tỷ số tín hiệu nhiễu SINR Signal to Interference plus Noise Ratio Tỷ số tín hiệu nhiễu cộng tạp âm SISO Single Input Single Output Một đầu vào đầu SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiêu tạp âm SS Subscriber Station Trạm thuê bao SSCS Specify Services Convergence Sublayer Lớp hội tụ dịch vụ riêng STBC Space Time Block Code Mã khối không gian thời gian STC Space Time Code Mã không gian thời gian SVD Singular Value Decomposition Phân chia giá trị đơn TDD Time Division Duplex Song công phân chia TTG Transmit Transition Gap Khoảng trống chuyển giao đầu phát UCD Uplink Channet Descriptor Miêu tả kênh đường lên UGS Unsolicited Grant Service Dịch vụ cấp phát không kết hợp UL Uplink Đường lên UNI User Network Interface Giao diện người sử dụng – mạng WAN Wide Area Mạng diện rộng WLAN Wireless LAN Mạng LAN không dây WMAN Wireless MAN Mạng MAN không dây XOR Exclusive Hàm cộng modul ZF Zero Forcing Cưỡng không vii KÝ HIỆU |a| Độ lớn a A+ Ma trận giả đảo Moore – Penrose A AF Chuẩn Frobenius ma trận A AH Ma trận chuyển vị phức A AT Ma trận chuyển vị A C Dung lượng ES Năng lượng ký hiệu thu δ ( x) Hàm Dirac Det(A) Định thức ma trận A Diag(a1, a2, …an) Ma trận đường chéo nxn ∈ Hoạt động mong muốn f(x) Hàm phân phối xác suất biến ngẫu nhiên x F(x) Hàm phân phối tích lũy x Im Ma trận phân kích thước mxm K Thừa số K kênh Rice Pe Xác suất lỗi r(A) Hạng ma trận A R Trường số thực Tr(A) Dò theo A (x)+ Được định nghĩa là: ⎨ Z Trường số nguyên ⎧ x if x ≥ 0, x ∈ R ⎩0 if x i j= i (3.67) Thuật tốn V-BLAST ZF mơ tả sau: Khởi đầu: G1=H+ : Tìm ma trận khả đảo H (3.68a) i=1 Hồi quy: k i = arg (Gi )j : Tìm tín hiệu tốt để tách (3.68b) w ki = (G i )k i : Tìm ma trận nulling (3.68c) y ki = w Tki ri : Nulling giao thoa (3.68d) aˆ ki = Q (y ki ) : Ước tính tín hiệu (3.68e) jÏ {k1 ki- } ri+ = ri - aˆ ki (H)ki (3.63g) : Loại bỏ thành phần tách khỏi vector tín hiệu thu 103 Gi+ = H±ki : Cập nhật ma trận khả đảo i=i+1 (3.68f) (3.68g) H+ ký hiệu cho giả đảo Moore-Pensore H, (Gi)j hàng thứ j Gi, Q(.) lượng tử đến điểm tín hiệu gần nhất, (H)ki ký hiệu cho cột thứ ki H, Hk_ ký hiệu cho ma trận nhận cách xóa khơng cột k1, k2,…,ki i H+k ký hiệu cho giả đảo H i g Bộ thu V-BLAST MMSE (OSUC MMSE) OSUC kết hợp với thuật toán MMSE để đạt hiệu tốt so với phương pháp kết hợp ZF OSUC Bộ thu MMSE khử nhiễu giao thoa tạp âm, trái với thu ZF loại bỏ thành phần giao thoa Điều lỗi trung bình bình phương kí hiệu phát ước tính phía thu tối thiểu Bởi vậy, thu MMSE đạt hiệu tốt thu ZF có mặt tạp âm Thuật tốn V-BLAST MMSE mô tả sau: Khởi đầu: i←1 r1=r ( G1 = H H H + σ I nt k1 = arg j ( Gi ) j ) −1 HH Hồi quy: w k1 = ( Gi )k i yki = w r T ki i ( ) aˆki = Q yki ri +1 = ri − aˆki ( H )k i ( Gi +1 = H H i + σ I nt H i ) −1 ( Gi +1 ) j j∉{k , , k } ki +1 = arg i = i +1 i H iH 104 Với σ2 phương sai tạp âm ngẫu nhiên Gausse phức với trung bình khơng Thứ tự tách sóng dựa theo tỉ số SINR 3.5.5 So sánh thu Từ kết trên, ta có kết tóm tắt đặc điểm hiệu thu cho ghép kênh không gian khác Điều thể qua bảng 3.6 sau: Bảng 6: Các đặc điểm hiệu thu cho sơ đồ SM [6] Bộ thu Bậc phân tập Sự tổn hại SNR ZF nr-nt+1 Cao MMSE ≈ nr-nt+1 Thấp SUC ≈ nr-nt+1 Thấp OSUC > nr-nt+1,