OFDM và ứng dụng trong wimax

NGUYỄN TIẾN DŨNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN TIẾN DŨNG ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG WIMAX LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỬ VIỄN THƠNG KHỐ 20082010 Hà Nội–2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN TIẾN DŨNG OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG WIMAX LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Chuyên ngành: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS Nguyễn Quốc Trung Hà Nội– 2011 MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ v MỞ ĐẦU NỘI DUNG Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WiMAX 1.1 Giới thiệu wimax 1.2 Mơ hình hệ thống 1.3 Các ưu nhược điểm công nghệ WiMAX 1.3.1 Một số ưu điểm cơng nghệ WiMAX 1.3.1.1 Lớp vật lí WiMAX dựa kĩ thuật OFDM (ghép kênh phân tần trực giao) 1.3.1.2 Hệ thống WiMAX có công suất cao 1.3.1.3 Lớp MAC dựa OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Accesstruy nhập OFDM) 1.3.1.4 Chuẩn cho truy cập vô tuyến cố định di động tương lai 1.3.1.5 Chi phí thấp 1.3.2 Một số nhược điểm công nghệ WiMAX 1.4 Cấu trúc WiMAX 1.4.1 Các đặc tính lớp vật lý ( PHY) 1.4.2 Các đặc tính lớp truy nhập (MAC) 12 1.5 So sánh WiMAX với WiFi 13 1.6 Các dải tần áp dụng 14 1.6.1 Các dải tần cấp phép 11-66 GHz 14 1.6.2 Các dải tần cấp phép 11 GHz 14 1.6.3 Các dải tần miễn cấp phép 11 GHz (chủ yếu từ 5-6 GHz) 15 1.7 Ứng dụng WiMAX 15 1.7.1 Các mạng riêng 16 1.7.1.1 Chuyển nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến 16 1.7.1.2 Các mạng giáo dục 17 1.7.1.3 An ninh công cộng 18 1.7.1.4 Các phương tiện liên lạc xa bờ 19 1.7.2 Các mạng công cộng 20 1.7.2.1 Nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến truy cập mạng 21 1.7.2.2 Kết nối nông thôn 22 Chương 2: KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM 24 2.1 Giới thiệu kỹ thuật điều chế OFDM 24 2.1.1 Khái niệm 24 2.1.2 Lịch sử phát triển 26 2.1.3 Các ưu nhược điểm kĩ thuật OFDM 26 2.2 Nguyên lý điều chế OFDM 27 2.2.1 Sự trực giao hai tín hiệu 27 2.2.2 Sơ đồ điều chế 28 i 2.2.3 Thực điều chế thuật toán IFFT 29 2.2.4 Chuỗi bảo vệ hệ thống OFDM 30 2.2.5 Phép nhân với xung 32 2.3 Nguyên lý giải điều chế OFDM 33 2.3.1 Truyền dẫn phân tập đa đường 33 2.3.2 Nguyên tắc giải điều chế 34 2.3.2.1 Sơ đồ 34 2.3.2.2 Thực giải điều chế thuật toán FFT 35 2.4 Ứng dụng hướng phát triển kỹ thuật điều chế OFDM 36 2.4.1 Hệ thống DRM 37 2.4.2 Các hệ thống DVB 38 2.4.2.1 DVB-T 38 2.4.2.2 DVB-H : Điện thoại di động truyền hình 39 Chương 3: KỸ THUẬT OFDM TRONG WIMAX 44 3.1 Giới thiệu kỹ thuật OFDMA 44 3.2 Đặc điểm 44 3.3 OFDMA nhảy tần 46 3.4 Hệ thống OFDMA 47 3.4.1 Chèn chuỗi dẫn đường miền tần số miền thời gian 51 3.4.2 Điều chế thích nghi 52 3.4.3 Các kĩ thuật sửa lỗi 53 3.4.3.1 Mã hóa LDPC (Low-Density-Parity-Check) 54 3.4.3.2 Mã hoá Reed-Solomon 57 3.5 Điều khiển công suất 59 Chương 4: CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG HỆ THỐNG OFDM 61 4.1 Mô hệ thống OFDM simulink 61 4.2 Một số lưu đồ thuật tốn chương trình 65 4.2.1 Lưu đồ mô kênh truyền 65 4.2.2 Lưu đồ mơ thu phát tín hiệu OFDM 66 4.2.3 Lưu đồ mơ thu phát tín hiệu QAM 67 4.2.4 Lưu đồ mơ thuật tốn tính BER 69 4.3 So sánh tín hiệu QAM OFDM 70 Chương 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT ADSL Asymmetric Digital Subcriber Line AWGN Addictive White Gausse Noise BER Bit error Rate BCH Bose-Chaudhuri-Hocquenghem BPSK Binary phase shift keying BWA Broadband Wireless Access BS Base Station CIR Channel Impulse Response CTR Channel Transfer Function CP Cyclic Prefix CDMA Code Division Multiple Access DRM Digital Radio Mondiale DVB-H Digital Video Brocasting-Handheld DVB-T Digital Video Broadcasting-Terrestrial DSL Digital Subcriber Line FFT fast fourrier transform FDD Frequency Division Deplex GI Guard Interval ISI Inter symbol Interfearence ICI Inter Channel Interfearence IFFT Inverse fast fourrier transform LOS Line of sight LDPC Low-Density-Parity-Check MIMO Multiple Input Multiple Output NLOS Non line of sight iii `OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access QPSK Quadrature phase shift keying QAM Quadrature Amplitude Modulation QoS Quality of Service S-OFDMA Scalable Orthogonal Frequency Division Multiplex access SER Symbol Error Rate SC Single Carrier Tc Channel coherence time TDD Time Division Duplex WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access WLAN Wireless Local Area Network WMAN Wireless Metropolitan Area Network BTS (Base Transceiver Station) iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Mơ hình hệ thống WiMAX Error! Bookmark not defined Hình 1.2 Miền Fresnel trường hợp LOS Error! Bookmark not defined Hình 1.3 Truyền sóng trường hợp NLOS Error! Bookmark not defined Hình 1.5 Minh hoạ chuyển nhà cung cấp dịch vụ Error! Bookmark not defined Hình 1.6 Minh hoạ mạng giáo dục Error! Bookmark not defined Hình 1.7 Minh hoạ mạng an ninh công cộng Error! Bookmark not defined Hình 1.8 Minh hoạ mạng liên lạc xa bờ Error! Bookmark not defined Hình 1.9 Minh hoạ mạng WiMAX nhà cung cấp dịch vụ Error! Bookmark not defined Hình 1.10 Minh hoạ mạng WiMAX cho kết nối vùng nông thôn Error! Bookmark not defined Hình 2.1: So sánh FDMA OFDM Error! Bookmark not defined Hình 2.4 Bộ điều chế OFDM Error! Bookmark not defined Hình 2.5 Chuỗi bảo vệ GI Error! Bookmark not defined Hình 2.6 Tác dụng chuỗi bảo vệ Error! Bookmark not defined Hình 2.7 Xung Error! Bookmark not defined Hình 2.8 Mơ hình kênh truyền Error! Bookmark not defined Hình 2.9 Bộ thu tín hiệu OFDM Error! Bookmark not defined Hình 2.10 Tách chuỗi bảo vệ Error! Bookmark not defined Hình 2.11 Hệ thống DRM Error! Bookmark not defined Hình 2.12 Sơ đồ khối DVB-T Error! Bookmark not defined Hình 3.1 ODFM OFDMA Error! Bookmark not defined Hình 3.2 Ví dụ biểu đồ tần số, thời gian với OFDMA Error! Bookmark not defined Hình 3.3 Biểu đồ tần số thời gian với người dùng nhảy tần a, b, c có bước nhảy với khe thời gian Error! Bookmark not defined Hình 3.4 mẫu nhảy tần trực giao với tần số nhảy khác Error! Bookmark not defined Hình 3.5: Tổng quan hệ thống sử dụng OFDMA Error! Bookmark not defined Hình 3.6 Mẫu tín hiệu dẫn đường OFDMA Error! Bookmark not defined Hình 3.7 OFDMA downlink Error! Bookmark not defined Hình 3.8 Cấu trúc cụm OFDMA downlink Error! Bookmark not defined Hình 3.9 OFDMA uplink Error! Bookmark not defined Hình 3.10 Cấu trúc cụm OFDMA uplink Error! Bookmark not defined Hình 3.11 Chèn chuỗi dẫn đường miền tần số thời gian Error! Bookmark not defined Hình 3.12 Điều chế thích nghi Error! Bookmark not defined Hình 3.13 Ví dụ ma trận mã LDPC Error! Bookmark not defined Hình 3.14 Sơ đồ tạo mã RS Error! Bookmark not defined Hình 3.15 Sơ đồ syndrome thu RS Error! Bookmark not defined Hình 4.8 Lưu đồ mô kênh truyền Error! Bookmark not defined v Hình 4.9 Lưu đồ mơ phát ký tự OFDM Error! Bookmark not defined Hình 4.10 Lưu đồ mơ thu Error! Bookmark not defined vi MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Sự đời chuẩn 802.16 cho mạng WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access - Khả tương tác toàn cầu với truy nhập vi ba) đánh dấu bắt đầu cho kỷ nguyên truy nhập không dây băng rộng cố định đến giai đoạn phát triển Nó mang đến thách thức lớn cho mạng hữu tuyến có chi phí thấp lắp đặt bảo trì Chuẩn áp dụng cho mạng truyền thông vô tuyến đường dài (lên tới 50km) thực tế bổ sung thay cho mạng 3G Tất đặc tính đầy hứa hẹn WiMAX mang lại thị trường lớn tương lai Xuất phát từ vấn đề nêu trên, em lựa chọn đề tài “OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG WIMAX” Mục đích nghiên cứu luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu Mục tiêu đồ án nghiên cứu đặc tính WiMAX tập trung chủ yếu vào việc phân tích lớp vật lý lớp truy nhập Mục tiêu thứ hai: Tìm hiểu kỹ thuật điều chế OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiple – Ghép kênh phân tần trực giao) kỹ thuật OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access - Đa truy nhập phân tần trực giao) sử dụng WiMAX Mục tiêu thứ ba: Thực việc mơ q trình xử lý tín hiệu WiMAX dựa kỹ thuật OFDM Tóm tắt đọng luận điểm đóng góp tác giả Nội dung đồ án gồm chương sau : Chương 1: Tổng quan công nghệ WiMAX Trong chương trình bày khái niệm bản, cấu trúc, băng tần sử dụng, ứng dụng thực tế ưu nhược điểm công nghệ WiMAX Chương 2: Kỹ thuật điều chế OFDM Trong 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 3: Kỹ thuật OFDMA WiMAX Trong 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 4: Chương trình mơ hệ thống OFDM Để hiểu vấn đề lý thuyết trình bày chương trước Trong chương cuối này, trình bày chương trình mơ q trình xử lý tín hiệu WiMAX dựa kỹ thuật điều chế OFDM Đây chương trình viết Matlab, chương trình bao gồm sơ đồ khối mô phát thu OFDM, mơ kênh truyền, tính BER so sánh tín hiệu OFDM QAM, sơ đồ khối mô hệ thống OFDM simulink Matlab Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu công nghệ WIMAX - Nghiên cứu kỹ thuật điều chế OFDM WIMAX - Nghiên cứu kỹ thuật đa truy nhập phân tần trực giao OFDMA - Xây dựng hệ thống mô Matlab, đánh giá chất lượng tín hiệu OFDM với phương pháp điều chế khác trạm gốc gửi thông tin điều khiển công suất tới CPE để ổn định mức công suất phát cho mức thu trạm gốc mức định trước Trong môi trường fading thay đổi không ngừng mức hiệu suất định trước có nghĩa CPE truyền đủ cơng suất theo yêu cầu, ngược lại mức công suất phát CPE không phù hợp Công suất phát làm giảm lượng tiêu thụ tổng CPE nhiễu tiềm ẩn từ trạm gốc lân cận.Với LOS, công suất phát CPE xấp xỉ tỉ lệ với khoảng cách tới trạm gốc, với NLOS phụ thuộc nhiều vào khoảng trống chướng ngại vật ™ Kết luận chương : Trong chương trình bày kỹ thuật OFDMA, tính chất, mã sửa lỗi sử dụng kỹ thuật Qua đó, tìm hiểu sâu kỹ thuật cách xây dựng chương trình mơ đơn gian để thấy rõ q trình xử lý truyền nhận tín hiệu cơng nghệ WiMAX 60 Chương 4: CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG HỆ THỐNG OFDM ™ Giới thiệu chương: Để hiểu vấn đề được trình bày chương trước Trong chương cuối trình bày chương trình mơ q trình xử lý tín hiệu WiMAX dựa kỹ thuật điều chế OFDM Đây chương trình viết Matlab, chương trình bao gồm sơ đồ khối mô phát thu OFDM, mơ kênh truyền, tính BER, so sánh tín hiệu OFDM QAM, sơ đồ khối mô hệ thống OFDM simulink Matlab 4.1 Mô hệ thống OFDM simulink Hình 4.1 Sơ đồ khối phát thu tín hiệu OFDM 61 Đầu tiên, phát nhị phân Bernoulli tạo chuỗi tín hiệu.Chuỗi liệu đầu vào mã hoá mã Reed-Solommon điều chế Mapping QPSK IFFT hữu ích cho OFDM phát mẫu dạng sóng có thành phần tần số thoả mãn điều kiện trực giao Dữ liệu sau biến đổi chèn thêm CP chuỗi huấn luyện để giúp cho qua trình ước lượng kênh đồng máy thu Mô kênh truyền đưa đặc trưng kênh truyền vô tuyến chung nhiễu, đa đường xén tín hiệu Dùng hai khối Matlab: Multipath Rayleigh fading, AWGN Tín hiệu thu sau loại bỏ CP chuỗi huấn luyện đưa vào IFFT để chuyển mẫu miền thời gian trở lại miền tần số Đưa vào ước lượng kênh bù kênh để giảm ảnh hưởng kênh truyền đến tín hiệu.Cuối cùng, tín hiệu giải điều chế giải mã RS Hình 4.2 Phổ tín hiệu OFDM truyền Hình 4.3 Phổ tín hiệu OFDM nhận 62 Hình 4.4 Dạng sóng tín hiệu OFDM truyền Hình 4.5 Dạng sóng tín hiệu OFDM nhận Hình 4.6 Chịm QPSK trước Hình 4.7 Chịm QPSK sau CE Hình 4.2 4.3 cho thấy tác động kênh truyền đến phổ tín hiệu OFDM Vì kênh truyền kênh fading chọn lọc tần số nên phổ tín hiệu OFDM nhận tần số khác chịu tác động khác Hình 4.4 4.5 cho thấy biên độ tín hiệu OFDM nhận nhỏ biên độ tín hiệu OFDM truyền 63 Hình 4.6 4.7 cho thấy tác dụng ước lượng bù kênh.Hình 4.6 chịm QPSK trước ước lượng kênh có biên độ pha khơng ổn định Hình 4.7 chòm QPSK sau ước lượng kênh điểm dao động nhỏ quanh vị trí cố định tức biên độ pha gần ổn định 64 4.2 Một số lưu đồ thuật toán chương trình 4.2.1 Lưu đồ mơ kênh truyền Bắt đầu Chuẩn hóa tất liệu trước sử dụng kênh để so sánh Thiết lập tính tốn hiệu ứng xén tín hiệu Thiết lập tính tốn hiệu ứng đa đường Thiết lập tính tốn nhiễu Kết thúc Hình 4.8 Lưu đồ mơ kênh truyền 65 4.2.2 Lưu đồ mơ thu phát tín hiệu OFDM Bắt đầu Bắt đầu Đọc liệu vào Chia liệu thành tập hợp song song Chuyển đổi liệu nhị phân {0,1} Thực FFT thành phân cực {-1,1} Thực IFFT Chuyển đổi liệu phân cực {1,1} thành nhị phân {0,1} Chuyển tín hiệu song song thành chuỗi nối tiếp Khơi phục dịng bit đặt liệu miền tần số thành chuỗi nối tiếp Kết thúc Ghi liệu Hình 4.9 Lưu đồ mơ phát ký tự OFDM 66 Kết thúc Hình 4.10 Lưu đồ mô thu Ký tự OFDM 4.2.3 Lưu đồ mơ thu phát tín hiệu QAM Bắt đầu Đọc liệu vào Chuyển đổi liệu nhị phân {0,1} thành phân cực {-1,1} Nhập lại Số sóng phải mang lũy thừa S Nhập số sóng mang Số sóng mang = lũy thừa Đ Chuyển liệu phân cực {-1,1} thành mức {-3,-1,1,3} Phát 16-QAM Kết thúc Hình 4.11 Lưu đồ mơ phát tín hiệu QAM 67 Bắt đầu Khởi tạo mức cho tốc độ Tăng số lượng sóng mang cho liệu gốc thời hạn tần số cao Khôi phục liệu thành dạng ố ế Sắp xếp xác mức Chuyển liệu phân cực {-1,1} thành nhị phân {0,1} Ghi liệu Kết thúc Hình 4.12 Lưu đồ mơ thu tín hiệu QAM 68 4.2.4 Lưu đồ mơ thuật tốn tính BER Bắt đầu Số lượng bit lỗi = i=1 Lỗi = | Dữ liệu vào(i) - Dữ liệu ra(i)| Lỗi>0 S Đ Số bit lỗi = số bit lỗi + i=i+1 i