Ứng dụng kỹ thuật OFDM trong wimax

giáo dục đào tạo trờng đại học bách khoa hà nội Phạm văn ứng dụng Kỹ thuật ofdm wimax Chuyên ngành : điện tử viễn thông luận văn thạc sĩ khoa học Ngời hớng dÉn khoa häc pgs.ts ngun qc trung Hµ Néi - 2009 Môc lôc Môc lôc .I Danh sách hình vẽ VI Danh sách bảng IX danh sách từ viết tắt X Lời nói đầu Ch−¬ng - Kü thuËt OFDM 1.1 Giíi thiÖu kü thuËt OFDM .3 1.1.1 Lịch sử phát triển 1.1.2 Các u nhợc điểm kỹ thuật OFDM 1.2 Tõ ®iỊu chế đơn sóng mang đến điều chế trực giao OFDM 1.2.1 Phơng pháp điều chế đơn sãng mang 1.2.2 Phơng pháp điều chế đa sóng mang FDM 1.2.3 Phơng pháp điều chế trùc giao OFDM .7 1.3 Kh¸i niƯm vỊ OFDM 1.3.1 Kh¸i niƯm 1.3.2 Các đặc điểm kỹ thuật OFDM 11 1.4 Nguyên lý điều chế OFDM .11 1.4.1 Sù trùc giao cña hai tÝn hiÖu 11 1.4.2 Sơ đồ điều chế OFDM 12 1.4.3 Chuỗi bảo vệ hệ thống OFDM 14 1.4.4 PhÐp nh©n víi xung c¬ së (Basic impulse) .16 1.4.5 Thực điều chế OFDM thuật toán IFFT .16 1.5 Nguyên lý giải điều chÕ OFDM 18 1.5.1 Kênh truyền dẫn phân tập đa đờng 18 1.5.2 Bé gi¶i ®iÒu chÕ OFDM 18 1.5.2.1 Tách khoảng bảo vệ 19 1.5.2.2 TÝn hiệu sau giải điều chế 20 – II – 1.5.3 Thùc hiÖn giải điều chế thông qua phép biến đổi nhanh FFT 22 1.6 Sơ đồ hệ thống OFDM 23 1.6.1 Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDM 23 1.6.2 Nguyên tắc chèn mẫu tin dẫn đờng miền tần số miền thời gian .24 1.7 Dung lợng kênh truyền OFDM 26 1.7.1 Giíi thiÖu 26 1.7.2 Tính toán dung lợng kênh cđa hƯ thèng OFDM .26 1.8 ảnh hởng fading đa đờng lên tín hiệu thu OFDM 28 1.8.1 ¶nh h−ëng cđa fading ®a ®−êng .28 1.8.2 Nhiễu liên ký hiệu ISI nhiễu sãng mang ICI 28 1.9 B¶o vƯ chống lại ảnh hởng fading đa đờng 29 1.9.1 Chèn tiếp đầu tuần hoàn (Cyclic Prefix) vµo tÝn hiƯu OFDM 29 1.9.2 Bảo vệ chống lại dịch thời gian 31 1.9.3 Bảo vệ chống lại ISI 31 1.9.4 Mào đầu khoảng bảo vệ khoảng cách tải phụ 33 1.10 KÕt luËn 34 CHƯƠNG công nghÖ WiMAX 36 2.1 Giíi thiƯu chung vỊ WiMAX 36 2.1.1 Sù ph¸t triển chuẩn truy nhập vô tuyến băng rộng 36 2.1.2 Lịch sử phát triển WiMax 37 2.1.3 WiMax Công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng 38 2.2 CÊu tróc WiMAX 39 2.2.1 CÊu tróc ph©n líp 39 2.2.2 Các đặc tính cđa líp vËt lý 40 2.2.3 Các đặc tính lớp truy nhËp MAC 42 2.3 Mô hình hệ thống WiMAX .42 2.3.1 Mô hình mạng 42 2.3.2 M«i tr−êng trun sãng cđa WiMAX .44 2.4 Các vấn đề kỹ thuËt cña WiMAX 46 2.4.1 §iỊu chÕ OFDM 46 – III – 2.4.2 §a truy nhËp OFDMA 46 2.4.3 Kênh hoá 49 2.4.4 Anten định hớng .50 2.4.5 Ph©n tËp thu ph¸t .50 2.4.6 §iỊu chÕ thÝch nghi 50 2.4.7 C¸c kỹ thuật mà hoá sửa lỗi trớc 51 2.4.8 Điều khiển công suất 51 2.5 Các mô hình ứng dụng Wimax 51 2.5.1 M« hình truyền thông WiMAX 51 2.5.2 Mô hình ứng dụng cố định (Fixed WiMAX) 52 2.5.3 M« hình ứng dụng di động (Mobile WiMAX) 54 2.6 C¸c chn cđa WiMAX 54 2.6.1 ChuÈn IEEE 802.16- 2001 55 2.6.2 ChuÈn IEEE 802.16a - 2003 .56 2.6.3 ChuÈn IEEE 802.16c - 2002 .57 2.6.4 ChuÈn IEEE 802.16 - 2004 .57 2.6.5 ChuÈn IEEE 802.16e - 2005 .58 2.6.6 So sánh tóm tắt chuẩn IEEE 802.16 58 2.7 Băng tần cho WiMAX .59 2.7.1 Các dải tần cÊp phÐp 11-66 GHz .59 2.7.2 Các dải tần cấp phép dới 11 GHz 59 2.7.3 Các dải tần đợc miễn cấp phép dới 11 GHz (chủ yếu từ 5-6 GHz) .59 2.8 Đặc điểm WiMAX 60 2.8.1 Ưu điểm 60 2.8.2 Nh−ỵc ®iÓm .62 2.9 Nh÷ng øng dơng cđa WiMAX 63 2.9.1 Những loại hình ứng dụng WiMAX 63 2.9.2 Những ứng dụng tiềm cña WiMAX .65 2.10 So sánh WiMAX với công nghệ truy cập không dây băng rộng 66 2.10.1 Hệ thống di động tế bµo 3G 66 – IV – 2.10.2 HÖ thèng Wi-Fi 68 2.10.3 So sánh WiMAX với 3G Wi-Fi .69 2.10.4 So s¸nh víi c¸c hƯ thèng kh¸c .72 2.11 Tình hình triển khai triển vọng phát triển cđa WiMAX 73 2.11.1 TriĨn khai WiMAX trªn thÕ giíi 73 2.11.2 øng dơng triĨn khai WiMAX t¹i ViƯt Nam 74 2.11.2.1 Những tiền đề thn lỵi 74 2.11.2.2 Những trở ngại thách thức 75 2.11.2.3 T×nh h×nh triĨn khai thư nghiƯm WiMAX t¹i ViƯt Nam 76 2.11.3 Tiềm triển vọng phát triển WiMAX 77 2.12 KÕt luËn 80 Ch−¬ng - LíP VËT Lý CđA WIMAX 81 3.1 Giíi thiÖu 81 3.2 M· hãa kªnh 83 3.2.1 Mà chập (Mà vòng xoắn) 84 3.2.2 M· turbo 86 3.2.3 M· turbo khèi vµ m· LDPC .89 3.3 ARQ lai - HARQ 89 3.4 Xen kÏ (Cµi xen) 90 3.5 ánh xạ ký tự 92 3.6 CÊu tróc ký hiƯu OFDM 92 3.7 Hoán vị kênh sóng mang 95 3.7.1 Sư dơng toµn đờng xuống sóng mang - DL FUSC .96 3.7.2 Sử dụng phần đờng xuống c¸c sãng mang - DL PUSC 98 3.7.3 Sư dụng phần đờng lên sóng mang - UL PUSC 100 3.7.4 ViƯc sư dơng Khèi cđa c¸c sãng mang - TUSC 102 3.7.5 Điều chế mà hóa thích nghi băng (Band AMC) .102 3.8 CÊu tróc khe vµ khung 103 3.9 Phân tập tần số MIMO 106 3.9.1 Phân tập phát mà hóa không gian thời gian .107 –V– 3.9.2 M· ph©n tập nhảy tần 111 3.10 MIMO lặp đóng (Closed-Loop MIMO) 111 3.10.1 Chän lùa anten 113 3.10.2 Nhãm anten .114 3.10.3 Håi tiÕp dùa trªn Codebook 114 3.10.4 Hồi tiếp kênh lợng tử hóa 115 3.10.5 Dò kênh (Channel Sounding) 115 3.11 Định tầm 116 3.12 Điều khiển công suất 118 Chơng - mô 120 4.1 Giíi thiƯu 120 4.2 M« pháng líp vËt lý cđa hÖ thèng WiMAX b»ng simulink 120 4.3 Nội dung chơng trình mô 123 4.4 KÕt luËn .128 KÕt luËn 129 Tµi liƯu tham kh¶o 130 VI Danh sách hình vẽ Hình 1: Mật độ phổ lợng hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang .5 Hình 2: Mật độ phổ lợng hệ thống đa sãng mang H×nh 3: Mật độ phổ lợng tín hiệu điều chế ®a sãng mang OFDM H×nh 4: Phỉ tín hiệu cuả hệ thống kênh con: (a) Phổ tÝn hiƯu cđa hƯ thèng kªnh con; (b) Phỉ tÝn hiƯu cđa hƯ thèng kªnh Hình 1.5: Hiệu sử dơng phỉ cđa OFDM 10 Hình 1.6: Sơ đồ điều chế OFDM 12 Hình 1.7: Mô tả chuỗi bảo vệ 14 H×nh 8: Mô tả ứng dụng chuỗi bảo vệ chèng nhiƠu ISI 15 H×nh 9: Xung c¬ së .16 Hình 10: Sơ đồ bé ®iỊu chÕ OFDM sư dơng IFFT 17 Hình 11: Mô hình kênh truyÒn 18 Hình 12: Sơ đồ giải điều chế OFDM 19 H×nh 1.13: Mô tả tách chuỗi bảo vệ giải điều chế OFDM 20 Hình 14: Sơ đồ khối giải điều chế OFDM sử dụng thuật toán FFT 23 Hình 15: Sơ đồ tổng quan hệ thống OFDM 24 H×nh 1.16: ChÌn tÝn hiƯu dẫn đờng miền tần số thời gian .25 Hình 1.17: Tín hiệu OFDM nhiễu .28 H×nh 18: Các sóng mang trực giao miền tần số 29 Hình 1.19: Mô tả khái niệm chuỗi bảo vệ 29 Hình 1.20: Chức khoảng bảo vệ chống lại ISI multipath 32 Hình 1.21: Chức khoảng bảo vệ chống lại ISI có multipath 32 Hình 1.22: Sự loại bỏ nhiễu thêm tiếp đầu tuần hoàn (CP) .33 Hình 1.23: OFDM truyền kênh fading đa đờng với tiếp đầu tuần hoàn 34 Hình 2.1: Các chuẩn mạng truy nhập vô tuyến băng réng 36 H×nh 2.2: CÊu tróc ph©n líp cđa WiMAX .40 Hình 2.3: Mô hình truyền thông WiMAX 43 H×nh 2.4: M«i tr−êng trun sãng 45 – VII – H×nh 5: Kü thuËt OFDMA 47 Hình 6: Kênh hóa ®−êng lªn WiMAX 47 Hình 2.7: Mô hình truyền thông mạng .52 Hình 2.8: Mô hình ứng dụng cố định (Fixed WiMAX) 53 Hình 2.9: Mô hình ứng dụng di ®éng (Mobile WiMAX) 54 H×nh 2.10: Mô hình ứng dụng WiMAX .64 H×nh 2.11: KiÕn tróc øng dơng cđa WiMAX 66 Hình 3.1: Các khối chức lớp vật lý cđa WiMAX 82 H×nh 3.2: Phân đoạn khối mà hóa .84 H×nh 3.3: Bé m· hãa chËp víi tailbiting IEEE 802.16e - 2005 .85 H×nh 3.4: Bé m· hãa turbo IEEE 802.16e - 2005 88 H×nh 3.5: Cài xen khối 89 H×nh 3.6: Quy tr×nh HARQ với D thừa gia tăng 91 Hình 3.7: Sơ đồ chòm ký hiệu điều chế QPSK, 16 QAM QAM .93 H×nh 3.8 : Ký hiƯu OFDM miỊn tÇn sè 95 Hình 3.9: Phơng thức hoán vị sóng mang FUSC 98 Hình 3.10: Phơng thức hoán vị sóng mang DL PUSC 100 Hình 3.11: Cơ chế hoán vị sóng mang UL PUSC 101 Hình 3.12: Cơ chế hoán vị sóng mang UL PUSC tèi −u 102 H×nh 3.13: Hoán vị sóng mang Band AMC 103 H×nh 3.14: CÊu tróc khung TDD .105 Hình 3.15: Phân tập phát sử dụng mà hóa không gian/ thời gian 107 Hình 3.16: Sơ ®å m· hãa kh«ng gian/ thêi gian: (a) m· hãa theo chiÒu ngang cho anten; (b) m· hãa theo chiÒu däc cho anten .109 H×nh 3.17: Cluster PUSC cho (a) hai anten phát; (b) bốn anten phFFT dựa mà định tầm sau gắn thêm vào đầu ký hiệu đoạn có chiều dài Tg lấy từ cuối ký hiệu Ký hiệu OFDM thứ đợc tạo cách thực phép IFFT với mà định tầm sau thêm vào cuối đoạn có chiều dài Tg từ đầu kí hiệu Hình 3.20: 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 Cấu trúc mà định tầm cho phép BS nhận đợc yêu cầu từ MS cha định tầm với sai lệch đồng thời gian lớn tiếp đầu tuần hoàn, điều phù hợp suốt trình đạt đợc mạng khởi tạo MS lựa chọn sử dụng mà định tầm liên tiếp chu kú kÝ hiƯu OFDM Lùa chän nµy lµm giảm xác xuất lỗi tăng khả định tầm để hỗ tr ợ m ột số l ợ n g l ớn c c MS định tầm đồng thời Định tầm ký hiệu cho phép độ lệch định thời lớn BS SS, hữu dụng tế bào lớn Điển hình, kênh định tầm bao gồm kênh ký hiệu OFDM liên tiếp, bậc miền thời gian tần số đợc cung cấp tin FCH Kênh định tầm không đợc phân bổ cho tất khung đờng lên đợc tùy theo 118 tin FCH Để xử lý yêu cầu định tầm khởi tạo, mà định tầm đợc lặp lại lần phát ký hiệu OFDM liên tiếp mà gián đoạn pha giữ chúng Mà định tầm IEEE 802.16e - 2005 chuỗi giả ngẫu nhiên có chiều dài 144 mà đợc chọn từ tập hợp 256 mà Với mà khả dụng N mà dành cho định tầm khởi tạo, M mà dành cho định tầm theo chu kì, O cho yêu cầu băng thông, S mà cuối cho định tầm chuyển giao Các giá trị N, M, O, S đợc định BS đợc truyền kênh điều khiển Trong thủ tục định tầm định, MS chọn ngẫu nhiêu chuỗi giả ngẫu nhiên đợc cho phép BS Điều đảm bảo chí SS xung đột suốt trình định tầm chúng phát đợc cách riêng biệt MS nhờ có chuỗi giả ngẫu nhiên ban đầu mà định tầm Chuỗi giả ngẫu nhiên lựa chọn đợc điều chế BPSK phát kênh kí hiệu OFDM đợc phân bổ cho kênh định tầm 3.12 Điều khiển công suất Để trì chất lợng liên kết vô tuyến (Radio-link) MS BS để điều khiển toàn nhiễu hệ thống, chế điều khiển công suất đợc hỗ trợ cho đờng lên với thủ tục: chỉnh khởi tạo điều chỉnh theo chu kì, mà không làm liệu BS sử dụng truyền dẫn kênh định tầm đờng lên từ MS khác để ớc lợng khởi tạo điều chỉnh định kì cho mục đích điều khiển công 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 đợc cho dới đây: ã Điều khiển công suất phải có khả hỗ trợ biến động động công suất vào khoảng 30 dB/s với độ sâu 10 dB ã BS phải giải trình đợc ảnh hởng mẫu nhóm khác khuếch đại bÃo hòa đa thị điều khiển công suất Điều quan trọng, PAR (Peak-to-average) phụ thuộc vào mẫu nhóm, đặc biệt trình điều chế ã MS trì mật độ công suất truyền ổn định không quan tâm đến số lợng kênh đợc phép hoạt động Do đó, số kênh 119 đợc phân bổ cho MS cho trớc giảm tăng, mức công suất truyền giảm tăng tơng ứng mà không cần thêm tin điều khiển công suất ã Để truy trì mật độ phổ công suất SINR thu phù hợp với phơng thức điều chế tỉ lệ mà đợc sử dụng BS chỉnh mức công suất và/hoặc phơng thức điều chế tốc độ mà h ó a truyền , Tuy nhiên, vài trờng hợp, MS tạm thời chỉnh mức công suất, phơng thức điều chế tốc độ mà hóa mà không cần hớng dẫn BS MS gửi báo cáo cho BS công suất khả dụng tối đa công suất phát đợc sử dụng BS cho việc phân bổ tối u mẫu nhóm kênh dùng cho đờng truyền lên (Uplink) Công suất khả dụng tối đa đợc báo cáo cho chòm QPSK, 16 QAM 64 QAM phải chịu trách nhiệm với backoff đợc yêu cầu PAR chòm điều chế đờng xuống, hỗ trợ rõ ràng đợc cung cấp điều khiển công suất vòng lặp đóng, đợc chuyển cho nhà sản xuất để thực chế điều khiển công suất, đợc yêu cầu dựa chất lợng kênh đờng xuống mà hồi tiếp đợc cung cấp SS ... tần số nh xuyên nhiễu băng hẹp Luận văn đà trình bày vấn đề kỹ thuật OFDM việc ứng dụng kỹ thuật OFDM vào công nghệ WiMAX nh vấn đề kỹ thuật triển vọng phát triển công nghệ truy cập không dây băng... OFDM, chóng ta cã thể hớng đến ứng dụng OFDM tơng lai nh−: Nghiªn cøu øng dơng OFDM hƯ thèng thông tin di động hệ thứ 4, kỹ thuật OFDM kết hợp với kỹ thuật khác nh kỹ thuật đa anten phát thu (MIMO... khoa học kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Văn Đức (2006), Lý thuyết ứng dụng kỹ thuật OFDM, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Văn Đức (2006), Lý thuyết kênh vô tuyến, Nhà xuất khoa học kỹ thuật,