Kỹ thuật OFDM trong wimax networks

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN BẢO DƯƠNG KỸ THUẬT OFDM TRONG WiMAX NETWORKS CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ MÃ NGÀNH : 60.52.70 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP.HỒ CHÍ MINH, THÁNG NĂM 2008 THD : PGS.TS.Lê Tiến Thƣờng ABSTRACT TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Hệ thống đa truy cập sử dụng ghép kênh phân chia tần số trực giao (OFDM/ OFDMA) thu hút quan tâm lớn từ giới học viên lẫn ngành kinh doanh trở thành phận tiêu chuẩn cho việc truy cập không dây băng rộng BWA Mặc dù nguyên lý OFDM đơn giản, việc thiết kế thực thi thực tế khó nhiều Việc đồng vấn đề thách thức đóng vai trò quan trọng việc thiết kế lớp vật lý Mục tiêu project phân tích hệ thống môi trƣờng bất đồng sai lệch tần số sóng mang CFO sai lệch thời gian TO Trong mơi trƣờng đó, hiệu thực hệ thống bị suy giảm xuyên nhiễu đa truy cập MAI Project cung cấp kết gần lĩnh vực đồng cho hệ thống OFDM/ OFDMA Sau đánh giá ảnh hƣởng lỗi đồng lên việc thực hệ thống, xem xét vài phƣơng pháp chung để đạt đƣợc cân thời gian tần số đƣờng truyền uplink Cuối cùng, hệ thống phía thu đƣợc thực kit FPGA Virtex – II Pro hãng Xilinx ABSTRACT Orthogonal Frequency Division Multipluxing (OFDM) and Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) has recently attracted vast research attention from both academia and industry, and has become part of new emerging standards for Broadband Wireless Access (BWA) Even though the OFDM concept is simple in its basic principle, the design of a practical OFDM system is far from being a trivial task Synchronization represents one of the most challenging issues and plays a major role in the physical layer design The system analysis is conducted in the asynchronous environment which is caused by CFO (carrier frequency offset) or TO (time offset) In such environment, the perfermance of the system is decreased because of multiacces interference (MAI) The goal of this project is to provide a comprehensive survey of the latest results in the field of synchronization for OFDM systems, with tutorial objectives foremost After quantifying the effects of synchronization errors on the system performance, we review some common methods to achieve timing and frequency alignment in a uplink transmission Finally, the system at the receiver is implemented by FPGA Kit which is typically Virtex-II Pro Kit of Xilinx Keywords : OFDM, OFDMA, Multiaccess Interference (MAI), CFO(carrier frequency offset), TO (time offset), BWA (Broadband Wireless Access) WiMAX – OFDM, WIRTEX2PRO Tóm Tắt Luận Văn Thạc Sĩ HVTH: Trần Bảo Dƣơng Chƣơng Giới Thiệu Vấn Đề THD : PGS.TS.Lê Tiến Thƣờng Chương Giới Thiệu Vấn Đề Đặt vấn đề : Yêu cầu dịch vụ băng rộng tăng theo hàm mũ Những giải pháp kỹ thuật cung cấp truy cập băng rộng tốc độ cao sử dụng kỹ thuật truy cập có dây nhƣ cable truyền thống, đƣờng thuê bao số Digital Subscriber Line (DSL), Ethernet sợi quang Việc xây dựng bảo trì mạng có dây khó khăn đắt tiền cho carriers đặc biệt vùng ngoại ô vùng xa xôi Carriers không sẵn sàng để lắp đặt thiết bị vùng lợi nhuận tiềm hầu nhƣ khơng có WiMAX làm nên cách mạng truyền thông băng rộng quốc gia phát triển cầu nối cho quốc gia phát triển Truy cập băng rộng không dây quan trọng phát triển kinh tế xã hội WiMAX cung cấp truy cập băng rộng không dây đủ khả năng, cải thiện chất lƣợng sống thúc đẩy kinh tế phát triển Sự gia tăng nhanh chống nhu cầu user để kết nối nhanh dịch vụ Internet thúc đẩy kỹ thuật mạng truy cập băng rộng năm gần Trong mạng backbone hoàn thiện đáng tin cậy với băng thơng lớn, “last mile‟‟ cịn cổ chai phép ứng dụng băng rộng Sự phát triển hệ thống WiMAX mơ ƣớc để thỏa mãn nhu cầu hợp cho ứng dụng tốc độ data cao nhƣ voice over IP (VoIP), video conferencing, interactive gaming, and multimedia streaming IEEE 802.11-based Wi-Fi networks đƣợc triển khai rộng khắp hotspots, offices, campus airports để cung cấp phủ sóng khơng dây khắp nơi Tuy nhiên, chuẩn bị hạn chế khoảng truyền ngắn, băng thông, chất lƣợng dịch vụ vấn đề bảo mật WiMAX giải vấn đề “lastmile‟‟ việc liên kết với IEEE 802.11 Những triển khai WiMAX không phục vụ cho dân kinh doanh mà triển khai backhaul cho Wi-Fi hotspots hay 3G cellular towers WiMAX dựa chuẩn IEEE 802.16 air interface mà cung cấp kỹ thuật không dây cho truy cập nomadic mobile Chuẩn IEEE 802.16-2004 đƣợc thiết kế để truyền thông cố định bổ sung 802.16e cho truyền thông cố định lẫn mobile WiMAX dựa kỹ thuật Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) hổ trợ điều chế thích nghi mã hóa phụ thuộc vào điều kiện kênh truyền [1, 2, 3] Hệ thống wireless phủ sóng vùng địa lý rộng lớn mà không cần sở hạ tần cable tốn cho điểm truy cập dịch vụ access point (AP) WiMAX mang lại lợi nhuận thay đổi đƣợc triển khai nhanh chống cho mạng có dây nhƣ cáp quang, cáp truyền thống DSL hay mạng T1 WiMAX cung cấp triển khai nhanh giải pháp mang lại lợi nhuận cho vấn đề kết nối không dây „last-mile‟ vùng đô thị Việc triển khai hệ thống đa truy cập băng rộng phải cung cấp quality of service (QoS) cho ứng dụng real – time highbandwidth Nhƣ đề cập trên, WiMAX sử dụng kỹ thuật điều chế đa sóng mang Multicarriers Modulation MCM thƣờng đƣợc gọi kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)[4, 5, 6, 7, 8, 9] Do bất đồng đồng dao động nơi truyền nhận, đồng thời đáp ứng tần số kênh truyền hay ảnh hƣởng tƣợng Multipath hiệu ứng Doppler nên hệ thống OFDM nhạy cảm với ảnh hƣởng lệch tần số sóng mang CFO (carrier frequency offset) [10] Hơn nữa, đƣờng uplink, thật khó để đảm bảo tín hiệu từ tất users đƣợc đồng thời gian cách xác dẫn đến sai lệch thời gian TO (time offset) [10, 11] Ảnh hƣởng CFO TO làm tính trực giao hệ thống OFDM Bởi việc tính trực giao dẫn đến suy giảm nghiêm trọng hoạt động hệ thống nên việc nghiên cứu ƣớc lƣợng bù đắp CFO TO nhận đƣợc nhiều quan tâm việc thiết kế hệ thống OFDM thực tế [11, 12, 13, 14] Tóm Tắt Luận Văn Thạc Sĩ Trang HVTH: Trần Bảo Dƣơng Chƣơng Giới Thiệu Vấn Đề THD : PGS.TS.Lê Tiến Thƣờng Mặc dù kỹ thuật OFDM/OFDMA WiMAX thực việc trải ký hiệu (symbols) sử dụng từ mã trực giao để đảm bảo tính trực giao đƣờng truyền uplink từ SS (subcriber station) đến BS (base station) nhƣng tính trực giao bị phá hủy nơi nhận tƣợng fading chọn lựa tần số dẫn đến xuyên nhiễu đa truy cập MAI (multiaccess interference) Trong WiMAX, MAI đƣợc giải cách gia tăng cơng suất truyền gia tăng công suất truyền cho user làm tăng xuyên nhiễu đến user khác [10], [11] Để làm giảm MAI, nơi nhận sử dụng phát đa ngƣời dùng phức tạp MUD (multiuser detection) Tuy nhiên, hệ thống OFDMA nhạy cảm với CFO TO Mặc dù, có nhiều thuật tốn ƣớc lƣợng CFO TO hệ thống OFDMA nhƣng thuật toán phức tạp [11, 12, 13, 14] Việc ƣớc lƣợng kênh truyền (channel estimation) [15, 16, 17, 18, 19]và giảm peak-to-average power ratio (PAPR) [20, 21, 22, 23, 24] vấn đề khó khăn mà hệ thống OFDM/ OFDMA cần phải khắc phục xây dựng mạng WiMAX ổn định bền vững Tổng quan tình hình nghiên cứu Vấn đề mà hệ thống WiMAX cần khắc phục tƣợng đa đƣờng (multipath) Phƣơng pháp giải dùng cân nơi nhận Tuy nhiên, gia tăng tốc độ liệu dẫn đến việc phải xây dựng cân phức tạp OFDM giải vấn đề với thuật tốn đơn giản thơng qua giải thuật đƣợc thực chip FPGA DSP Tuy nhiên, OFDM gặp phải khó đồng thời gian tần số, ƣớc lƣợng kênh truyền, tỉ số cơng suất trung bình công suất đỉnh lớn Những vấn đề đƣợc nhiều nhà khoa học nghiên cứu đƣa nhiều hƣớng giải khác Tuy nhiên, vấn đề trở nên phức tạp kỹ thuật OFDM đƣợc đƣa vào ứng dụng hệ thống đa truy cập xuất hiện tƣợng xuyên nhiễu đa truy cập MAI (multiaccess interference) Nếu MAI đƣợc giảm xuống giá trị chấp nhận thực tế (khi hệ thống đƣợc gọi MAI-free) hệ thống đa truy cập hoạt động giống với hệ thống ngƣời dùng (single user) Khi đó, nghiên cứu trƣớc cho hệ thống đơn ngƣời dùng hồn tồn áp dụng cho hệ thống đa truy cập Do vậy, nhiều vấn đề lĩnh vực đƣợc nghiên cứu để triển khai hệ thống WiMAX Networks Trong luận văn này, tìm hiểu hệ thống WiMAX Networks, kỹ thuật OFDM/ OFDMA đƣợc sử dụng WiMAX vấn đề khó khăn mà WiMAX cần phải khắc phục Nội dung nghiên cứu  Tìm hiểu hệ thống WiMAX Networks  Tìm hiểu phƣơng pháp điều chế số, kỹ thuật OFDM/ OFDMA  Phân tích vấn đề mà kỹ thuật OFDM/OFDMA WiMAX Networks cần phải khắc phục Các giải thuật  Tìm hiểu cách sử dụng từ mã trực giao để làm giảm xuyên nhiễu đa truy cập MAI thiết kế xây dựng hệ thống OFDM/ OFDMA WiMAX Networks  Mô ảnh hƣởng môi trƣờng lên hệ thống đa truy cập OFDM/ OFDMA dùng MATLAB  Xây dựng hệ thống phía thu kit FPGA Xilinx XUP Virtex II Pro Development System, ngôn ngữ mô tả phần cứng VHDL đƣợc viết phần mềm ISE 7.1i Tóm Tắt Luận Văn Thạc Sĩ Trang HVTH: Trần Bảo Dƣơng Chƣơng Tổng Quan Về WiMAX Networks THD : PGS.TS.Lê Tiến Thƣờng Chương Tổng Quan Về WiMAX Networks 2.1 Truy cập không dây băng rộng mạng không dây (BWA) 2.1.1 Những loại mạng liệu khác Hình 2.1 : Sự minh họa loại mạng khác 2.1.2 Những ứng dụng BWA a truy cập cố định b truy cập di động Hình 2.2 : Những ứng dụng (BWA) với truy cập cố định (a)và portable (b) Những thuận lợi ứng dụng WiMAX BWA: WiFi backhauling, telemetering, truy cập Nomadic Internet truy cập tốc độ cao mobile 2.2 Tổng Quan WiMAX framework Đặc điểm của IEEE 802.16/ kỹ thuật WiMAX nhƣ sau :  Tần số sóng mang < 11 GHz Khoảng thời gian ngắn, băng tần đƣợc xem xét 2.5GHz, 3.5 GHz, 5.7 GHz  OFDM 802.16 chủ yếu đƣợc xây dựng kỹ thuật the Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) cho hiệu sử dụng tài nguyên vô tuyến cao  Tốc độ liệu : 10Mbps  Khoảng cách lên đến 20 km 2.3 Protocol Layers WiMAX IEEE 802.16 BWA áp dụng mơ hình lớp Open Systems Interconnection (OSI) Mơ hình thƣờng đƣợc sử dụng để mô tả diện mạo khác kỹ thuật mạng Tóm Tắt Luận Văn Thạc Sĩ Trang HVTH: Trần Bảo Dƣơng Chƣơng Tổng Quan Về WiMAX Networks THD : PGS.TS.Lê Tiến Thƣờng Hình 2.3 : Mơ hình lớp cho mạng (a) Protocol layers chuẩn 802.16 BWA(b) Hai lớp thấp lớp vật lý (PHY) lớp Data Link Lớp Data Link đƣợc hia làm lớp phụ Logical Link Control (LLC) Media Access Control (MAC) Lớp PHY tạo kết nối vật lý thực thể giao tiếp với (the peer entities), lớp MAC chịu trách nhiệm cho việc thành lập bảo trì kết nối (multiple access, scheduling, etc.) Từ tiến trúc lớp giao thức đƣợc xác định WiMAX/ 802.16, thấy chuẩn 802.16 xác định lớp thấp PHYsical Layer MAC Layer phần chủ yếu lớp Data Link , lớp LCC thƣờng đƣợc áp dụng trong chuẩn IEEE 802.2 Lớp MAC hình thành lớp phụ CS (Convergence Sublayer), CPS (Common Part Sublayer) Secu rity Sublayer 2.3.1 Convergence Sublayer (CS) Lớp phụ Convergence Sublayer (CS) nằm lớp MAC CPS CS sử dụng những dịch vụ đƣợc cung cấp MAC CPS thông qua MAC Service Access Point (SAP) CS thực chức sau :  Chấp nhận higher-layer PDU từ lớp cao Trong verson chuẩn tại, đặc điểm kỹ thuật cho loại lớp cao đƣợc cung cấp : mode CS truyền bất đồng Asynchronous Transfer Mode (ATM) packet CS Đối với packet CS, giao thức higher-layer IPv4 (verson 4) hay Ipv6 (verson 6)  Phân loại xếp MSDU CID thích hợp (Connection ID entifier) Đây chức quản lý QoS 802.16 BWA  Xử lý (nếu yêu cầu) higher-layer PDUs dựa phân loại  Một chức tùy định CS PHS (Payload Header Suppression), xử lý nhũng phần lặp lặp lại payload header đầu gửi lƣu lại header đầu nhận  Nhận CS PDUs đến MAC SAP thích hợp nhận CS PDUs từ thực thể đầu cuối 2.3.2 Medium Access Control Common Part Sublayer (MAC CPS) Lớp phụ Common Part Sublayer (CPS) nằm lớp MAC CPS thể lõi giao thức MAC đảm nhận : Phân phát băng thơng, thiết lập kết nối bảo trì kết nối vị trí 2.3.3 Security Sublayer Lớp phụ MAC chứa lớp phụ Security Sublayer (SS) độc lập cung cấp trao đổi an tồn bảo mật, kiểm sốt trung thực mật mã thông qua hệ thống BWA Hai chủ đề an ninh mạng data : encryption authentication Tóm Tắt Luận Văn Thạc Sĩ Trang HVTH: Trần Bảo Dƣơng Chƣơng Tổng Quan Về WiMAX Networks THD : PGS.TS.Lê Tiến Thƣờng 2.3.4 PHYsical Layer Lớp vật lý thành lập kết nối vật lý bên thƣờng theo hai hƣớng uplink downlink Vì 802.16 hiển nhiên kỹ thuật số, lớp PHY chịu trách nhiệm truyền chuỗi bit Nó xác định loại tín hiệu đƣợc sử dụng , loại điều chế giải điều chế, cơng suất truyền nhƣ tính chất vật lý khác Hình 2.4 : IEEE 802.16 MAC Layer sử dụng với lớp vật lý PHY WiMAX 2.4 WiMAX Topologies Chuẩn IEEE 802.16 xác định topology : PMP (Point-to-Multipoint) topology Mesh topology Hình 2.5 : a PMP topology b Mesh topology BS khơng cịn trung tâm topology PMP topology cổ điển Sự khác chủ yếu mode nhƣ sau: mode PMP, lƣu thông xảy BS SS, trong mode Mesh lƣu thơng đƣợc định hƣớng thơng qua SS khác BS chí xảy SS PMP topology tập trung hóa nơi BS trung tâm hệ thống Mesh topology khơng có Những phần tử mạng Mesh đƣợc gọi Node Một Mesh SS Node Tóm Tắt Luận Văn Thạc Sĩ Trang HVTH: Trần Bảo Dƣơng Chƣơng Digital Modulation, OFDM/ OFDMA Trong WiMAX THD : PGS.TS.Lê Tiến Thƣờng Chương Digital Modulation, Kỹ Thuật OFDM/ OFDMA Trong WiMAX Networks 3.1.Điều chế số a BPSK b QPSK c 64-QAM Hình 3.1 : Phương pháp điều chế số sử dụng WiMAX 3.2.Kỹ thuật Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) Hình 3.2 : Miêu tả sóng mang miền thời gian miền tần số Trong OFDM, N data symbols truyền đồng thời N sóng mang trực giao Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) kỹ thuật điều chế đa sóng mang (multicarrier) Ý tƣởng chia luồng liệu tốc độ cao thành N luồng liệu song song tốc độ thấp truyền luồng liệu sóng mang phụ (subcarrier) Tất sóng mang phụ chồng lấn phần lên miền tần số (điều làm tăng hiệu sử dụng phổ) nhƣng đảm bảo tính trực giao chúng OFDM dựa nguyên lý truyền nhiều tần số trực giao băng hẹp đồng thời, thƣờng đƣợc gọi sóng mang phụ hay sóng mang phụ OFDM Số sóng mang phụ thƣờng đƣợc gọi N Những tần số trực giao với để làm giảm xuyên nhiễu kênh truyền Mỗi kênh tần số đƣợc điều chế với phƣơng pháp điều chế số khác Băng tần liên kết với kênh nhỏ nhiều so với băng tần đƣợc sử dụng phƣơng pháp điều chế đơn sóng mang Single Carrier (SC) Thời gian symbol data dài N lần với OFDM cung cấp cản trở multipath tốt nhiều 3.2.1.Chuyển đổi nối tiếp sang song song (S/P) Thông thƣờng liệu đƣợc truyền dạng luồng liệu nối tiếp Trong OFDM, symbol truyền khoảng 40-4000 bits Vì vậy, tầng chuyển đổi nối tiếp sang song song cần thiết để chuyển đổi luồng bit nối tiếp ngõ vào thành liệu đƣợc truyền symbol Tóm Tắt Luận Văn Thạc Sĩ Trang HVTH: Trần Bảo Dƣơng Chƣơng Digital Modulation, OFDM/ OFDMA Trong WiMAX THD : PGS.TS.Lê Tiến Thƣờng OFDM Dữ liệu đƣợc phân phối symbol phụ thuộc vào kỹ thuật điều chế đƣợc sử dụng số lƣợng sóng mạng phụ Ví dụ nhƣ có 100 sóng mang phụ sử dụng kỹ thuật điều chế 16-QAM (mỗi sóng mang phụ có bits liệu) số lƣợng bit symbol 400 Hình 3.4 : Hệ thống OFDM WiMAX Networks 3.2.2.Điều chế sóng mang phụ (Subcarrier Modulation) 3.2.3.Chèn sóng mang pilot (pilot insertion) Những sóng mang pilot sóng mang đƣợc biết nơi nhận Mục đích chúng cân đáp ứng tần số kênh chọn lựa tần số Những tín hiệu pilot đƣợc sử dụng nơi nhận để sửa biên độ độ lệch pha symbol nhận đƣợc Nhìn chung có cách đặt sóng mang pilot tín hiệu OFDM  Đặt symbol OFDM pilot theo chu kỳ thời gian (dạng block)  Đặt vài sóng mang phụ pilot symbol OFDM (dạng comb)  Đặt sóng mang phụ pilot theo cách hỗn hợp 3.2.4.Chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời gian (IFFT) Sau tầng điều chế sóng mang phụ, sóng mang phụ mang liệu đƣợc gán tới giá trị biên độ pha phụ thuộc vào kỹ thuật điều chế Sóng mang phụ khơng sử dụng đƣợc đặt Điều tạo thành tín hiệu OFDM miền tần số Một biến đổi IFFT đƣợc sử dụng để chuyển đổi tín hiệu sang miền thời gian, cho phép đƣợc truyền 3.2.5.Chèn chu kỳ bảo vệ (Guard Period Insertion) Một cách để tránh ISI (Inter-Symbol Interference) chèn khoảng bảo vệ trƣớc symbol Khoảng bảo vệ phải lớn thời gian delay symbol để bảo đảm symbol không ảnh hƣởng đến symbol Ngồi ra, khoảng bảo vệ cịn có tác dụng chống lại lỗi sai lệch thời gian nơi nhận Tóm Tắt Luận Văn Thạc Sĩ Trang HVTH: Trần Bảo Dƣơng Chƣơng Digital Modulation, OFDM/ OFDMA Trong WiMAX THD : PGS.TS.Lê Tiến Thƣờng 3.2.6.Chuyển đổi song song thành nối tiếp (P/S) Luồng liệu song song cần phải đƣợc chuyển thành nối tiếp đƣợc điều chế cao tần đƣợc truyền 3.2.7.Phía thu Phía thu hoạt động ngƣợc lại so với phía phát Khoảng bảo vệ đƣợc gỡ bỏ, FFT symbol đƣợc lấy để khôi phụ lại phổ đƣợc truyền ban đầu Giải điều chế chuyển đối từ song song sang nối tiếp đƣợc thực để khôi phục lại liệu nối tiếp ban đầu 3.3.OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) Hình 3.6 : Minh họa nguyên lý OFDMA Bản chất sóng mang trực giao OFDM cung cấp khả đa truy cập nhiều sóng mang phụ đƣợc gán cho users khác để thực việc truyền liệu đồng thời Phƣơng pháp đƣợc đặt tên OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) Trong OFDMA, tín hiệu từ users khác chồng lấn miền tần số nhƣng chiếm sóng mang phụ khác Tính trực giao ngăn ngừa xuyên nhiễu sóng mang phụ ICI (Inter-Carrier Interference) đồng thời loại bỏ đƣợc xuyên nhiễu đa truy cập MAI (Multiple Access Interference) users Chế độ truyền OFDM đƣợc thiết kế ban đầu để truyền tín hiệu đơn giản Vì thế, để truyền nhiều user, sơ đồ đa truy cập nhƣ TDMA hay FDMA phải đƣợc kiên kết với OFDM Thực tế, tín hiệu OFDM đƣợc tạo nên từ nhiều tín hiệu user gọi OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) multiple access 3.4.Phân tích vấn đề mà kỹ thuật OFDM WiMAX cần phải khắc phục 3.4.1.Đồng tần số Một bất lợi xây dựng hệ thống OFDM tần số sóng mang OFDM dễ bị sai lệch Nguyên nhân bất đồng mạch dao động phía phát phía thu Hơn nữa, đáp ứng tần số kênh truyền sóng mang phụ khác khác thay đổi theo thời gian Ngoài ra, hiệu ứng Doppler gây sai lệch tần số sóng mang Do vậy, tính trực giao hệ thống OFDM bị phá hủy dẫn đến xuyên nhiễu ISI ICI Quá trình đồng tần số bao gồm ƣớc lƣợng độ lệch tần số sửa độ lệch phía thu Về mặt ƣớc lƣợng độ lệch tần số, chia thành hai loại: ƣớc lƣợng sử dụng pilot symbols ƣớc lƣợng không sử dụng pilot symbols Ƣớc lƣợng sử dụng symbols pilot:  Thuật toán Moose  Thuật tốn bền vững Ƣớc lƣợng khơng sử dụng pilot symbols (Phƣơng Pháp Van de Beek) Tóm Tắt Luận Văn Thạc Sĩ Trang HVTH: Trần Bảo Dƣơng Chƣơng 10: Giải Thuật Kết Quả Thiết Kế Hệ Thống OFDM Trong WiMAX Networks Trên FPGA Virtex2pro Của Xilinx THD: PGS.TS.Lê Tiến Thƣờng Ví dụ: 010 = | 00000000| 00000000000000000000000 -1.510 = | 01111111| 10000000000000000000000 Với cách biểu diễn này, ta biểu diễn số có độ lớn khoảng: -126(1.0) đến 2127(2-2-23) xấp xỉ từ:1.8 x 10-38 đến 3.4 x 1038 Ví dụ 1: Chuyển số thập phân 0.7510 thành dạng dấu chấm động 32 bit 0.7510 = 0.112 (chuyển thành số nhị phân) = 1.1 x 2-1 (số nhị phân chuẩn hóa) Phần định trị dƣơng dấu S=0 Số mũ E = e + 127 = -1 + 127 = 12610= 011111102 Phần số nhị phân lại sau dấu chấm M= 10000000000000000000000 Vì biểu diễn số 0.7510 dạng dấu chấm động 32 bit là: 01111110 10000000000000000000000 Ví dụ : Chuyển số thập phân -2345.12510 thành dạng dấu chấm động 32 bit -2345.12510 = -100100101001.0012 (nhị phân) = -1.00100101001001x211 (chuẩn hóa) Phần định trị âm dấu S=1 Số mũ E = e + 127 = 11 + 127 = 13810= 100010102 Phần số nhị phân lại sau dấu chấm M= 00100101001001000000000 Vì biểu diễn số -2345.12510 dạng dấu chấm động 32 bit là: 10001010 00100101001001000000000 Các định dạng có số thực 32 bit: Single Precision Số biểu diễn Luận Văn Thạc Sĩ Phần số mũ Phần định trị 0 0 Khác Số chƣa chuẩn hóa đến 254 Số thực dấu chấm động 255 Vơ hạn 255 Khác Không phải số (NaN) Trang 100 HV : Trần Bảo Dƣơng Chƣơng 10: Giải Thuật Kết Quả Thiết Kế Hệ Thống OFDM Trong WiMAX Networks Trên FPGA Virtex2pro Của Xilinx THD: PGS.TS.Lê Tiến Thƣờng 10.3.3.2.Phép cộng hai số thực dấu  Giải thuật Giả sử hai toán hạng dạng IEEE 754, thực phép cộng dấu chấm động: Kết = X + Y = (Xm x 2Xe) + (Ym x 2Ye) theo bƣớc sau: B1: Canh chỉnh điểm nhị phân: Dấu kết quả: dấu hai toán hạng Số mũ kết quả: số lớn Xe Ye Tính: Xe-Ye Ye-Xe Nếu Ye>Xe: dịch phải Xm để tạo thành Xm x 2Xe-Ye Nếu Xe>Ye: dịch phải Ym để tạo thành Ym x 2Ye-Xe B2: Tính tổng hai phần định trị Xm x 2Xe-Ye + Ym Xm + Ym x 2Ye-Xe B3: Nếu kết chuẩn hóa tiếp đến bước 4, chưa thực q trình chuẩn hóa: Dịch trái kết giảm số mũ kết (vd: kết 0.001… ) hay Dịch phải kết tăng số mũ kết (vd: kết 10.1……) Tiếp tục bit ẩn B4: Kiểm tra phần số mũ kết quả: Nếu lớn số mũ lớn cho phép trả lỗi tràn số mũ Nếu nhỏ số mũ nhỏ cho phép trả lỗi dƣới số mũ B5: Nếu phần định trị kết 0, thiết lập phần số mũ để trả số  Ví dụ Cộng hai số thực X Y đƣợc biểu diễn dƣới dạng dấu chấm động sau: X = 2345.12510 đƣợc biểu diễn 10001010 00100101001001000000000 Y= 0.75 10 đƣợc biểu diễn 01111110 10000000000000000000000 (1): Canh chỉnh điểm nhị phân Dấu kết quả: Xe>Ye nên phần mũ kết = Xe = 10001010 = 13810 Xe-Ye = 10001010 – 01111110 = 00001100 = 1210 Dịch phải Ym 1210 vị trí để tạo thành Ym x 2Ye-Xe = Ym x 2-12 = 0.00000000000110000000000 Luận Văn Thạc Sĩ Trang 101 HV : Trần Bảo Dƣơng Chƣơng 10: Giải Thuật Kết Quả Thiết Kế Hệ Thống OFDM Trong WiMAX Networks Trên FPGA Virtex2pro Của Xilinx THD: PGS.TS.Lê Tiến Thƣờng (2) Cộng hai phần định trị: Xm + Ym x 2-12 = 1.00100101001001000000000 + 0.00000000000110000000000 = 1.00100101001111000000000 (3) Đã chuẩn hố chƣa? Rồi (4) Tràn? Khơng Dƣới ngƣỡng? Khơng (5) Kết 0? Không Vậy kết 10001010 00100101001111000000000 Tƣơng ứng với số thập phân 1.00100101001111000000000 x 2138-127 = 1.00100101001111000000000x211=100100101001.111000000000=2345.87510 10.3.3.3.Phép cộng hai số thực trái dấu  Giải thuật Giả sử hai toán hạng dạng IEEE 754, thực phép trừ dấu chấm động: Kết = X - Y = (Xm x 2Xe) - (Ym x 2Ye) theo bƣớc sau: B1: Canh chỉnh điểm nhị phân: Số mũ kết quả: số lớn Xe Ye Tính: Xe-Ye Ye-Xe Nếu Ye>Xe: dịch phải Xm để tạo thành Xm x 2Xe-Ye Nếu Xe>Ye: dịch phải Ym để tạo thành Ym x 2Ye-Xe B2: Dấu kết dấu số khơng bị dịch (số lớn) Tính hiệu hai phần định trị Ym-Xm x 2Xe-Ye Xm - Ym x 2Ye-Xe B3: Nếu kết chuẩn hóa tiếp đến bƣớc 4, chƣa thực trình chuẩn hóa: Dịch trái kết giảm số mũ kết (vd: kết 0.001… ) hay Dịch phải kết tăng số mũ kết (vd: kết 10.1……) Tiếp tục bit ẩn B4: Kiểm tra phần số mũ kết quả: Nếu lớn số mũ lớn cho phép trả lỗi tràn số mũ Nếu nhỏ số mũ nhỏ cho phép trả lỗi dƣới số mũ Luận Văn Thạc Sĩ Trang 102 HV : Trần Bảo Dƣơng Chƣơng 10: Giải Thuật Kết Quả Thiết Kế Hệ Thống OFDM Trong WiMAX Networks Trên FPGA Virtex2pro Của Xilinx THD: PGS.TS.Lê Tiến Thƣờng B5: Nếu phần định trị kết 0, thiết lập phần số mũ để trả số  Ví dụ Cộng hai số thực X Y đƣợc biểu diễn dƣới dạng dấu chấm động sau: X = -2345.12510 đƣợc biểu diễn 10001010 00100101001001000000000 Y= 0.75 10 đƣợc biểu diễn 01111110 10000000000000000000000 (1): Canh chỉnh điểm nhị phân Xe>Ye nên phần mũ kết = Xe = 10001010 = 13810 Xe-Ye = 10001010 – 01111110 = 00001100 = 1210 Dịch phải Ym 1210 vị trí để tạo thành Ym x 2Ye-Xe = Ym x 2-12 = 0.00000000000110000000000 (2) Dấu kết dấu trừ Trừ hai phần định trị: Xm - Ym x 2-12 = 1.00100101001001000000000 - 0.00000000000110000000000 = 1.00100101000011000000000 (3) Đã chuẩn hoá chƣa? Rồi (4) Tràn? Không Dƣới ngƣỡng? Không (5) Kết 0? Không Vậy kết 10001010 00100101000011000000000 Tƣơng ứng với số thập phân -1.00100101001111000000000 x 2138-127 = -1.00100101001111000000000 x 211= -100100101000 011000000000 = 2344.37510 10.3.3.4.Phép nhân hai số thực  Giải thuật Giả sử toán hạng dạng dấu chấm động, thực phép nhân: Kết = R = X * Y = (-1)Xs(Xm x 2Xe) * (-1)Ys(Ym x 2Ye) B1: Nếu hai toán hạng 0, trả kết 0, khơng thực bƣớc B2: Tính dấu kết quả: Xs XOR Ys Luận Văn Thạc Sĩ Trang 103 HV : Trần Bảo Dƣơng Chƣơng 10: Giải Thuật Kết Quả Thiết Kế Hệ Thống OFDM Trong WiMAX Networks Trên FPGA Virtex2pro Của Xilinx THD: PGS.TS.Lê Tiến Thƣờng B3: Tính phần định trị kết Nhân phần định trị: Xm*Ym (dùng phép dịch) Làm tròn kết số bit cho phép phần định trị B4: Tính số mũ kết = Xe + Ye – 127 B5: Chuẩn hóa cần thiết B6: Kiểm tra số mũ kết xem có overflow/underflow resultB resultA kqs=B(31) kqe=B(30:23) kqm=B(22:0) kqs=A(31) kqe=A(30:23) kqm=A(22:0) cs_add=0 B(30:23)=0 Initadd SA/=SB EA/=EB EAEBdiffsign SB=SA MBadd=MAadd-MBadd MAadd=MBadd EBdiffsign EBsamesign MAadd=0&MA(24:1) EA=EA+1 MAadd=0&MA(24:1) EA=EA+1 MAaddE EAdiffsign SA=SB EA=EB EA>EB chechsignadd EA EA=EB diffsign MAadd=01&A(22:0) MBadd=01&B(22:0) EA=A(30:23),SA=A(31) EB=B(30:23),SB=A(31) EA/=EB EAsamesign MBadd=0&MB(24:1) EB=EB+1 EA=EB Fi_add=0,C=0,MA=MB=kqm=0 EA=EB=kqe=0,SA=SB=kqs=0 MAadd=MBadd=0 cs_add=1 startadd A(30:23)/=0 B(30:23)/=0 Init