Ứng dụng kỹ thuật ofdma trong wimax

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: ỨNG DỤNG KỸ THUẬT OFDMA TRONG WiMAX Giảng viên hướng dẫn Cán phản biện Sinh viên thực Lớp : ThS Nguyễn Thị Kim Thu : ThS Lê Thị Kiều Nga : Nguyễn Đình Thìn : 48K-ĐTVT Nghệ An 1/2012 MỤC LỤC Lời nói đầu Tóm tắt đồ án Danh mục bảng biểu Danh mục hình vẽ Danh mục chữ viết tắt CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX 12 1.1 Giới thiệu chương 12 1.2 Giới thiệu WiMAX 12 1.3 Mơ hình hệ thống 14 1.4 Các ưu nhược điểm công nghệ WiMAX 17 1.4.1 Một số ưu điểm cơng nghệ WiMAX 17 1.4.2 Một số nhược điểm công nghệ WiMAX 19 1.5 Cấu trúc WiMAX 20 1.5.1 Các đặc tính lớp vật lý (PHY) 20 1.5.2 Các đặc tính lớp truy nhập (MAC) 22 1.6 Các chuẩn WIMAX 23 1.6.1 Chuẩn 802.16 23 1.6.2 Các chuẩn bổ sung (Amendments) WIMAX 24 1.7 So sánh WiMAX với WiFi 25 1.8 Các dải tần áp dụng 29 1.9 Ứng dụng WiMAX 31 1.9.1 Các mạng riêng 31 1.9.1.1 Chuyển nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến 32 1.9.1.2 Các mạng giáo dục 33 1.9.1.3 An ninh công cộng 35 1.9.1.4 Các phương tiện liên lạc xa bờ 36 1.9.2 Các mạng công cộng 38 1.9.2.1 Nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến truy cập mạng 38 1.9.2.2 Kết nối nông thôn 40 1.10 Kết Luận chương 41 CHƯƠNG KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM 12 2.1 Giới thiệu chương 42 2.2 Giới thiệu kỹ thuật điều chế OFDM 42 2.2.1 Khái niệm 42 2.2.2 Lịch sử phát triển 45 2.2.3 Sơ đồ hệ thống 46 2.3 Nguyên lý điều chế OFDM 48 2.3.1 Sự trực giao hai tín hiệu 48 2.3.2 Sơ đồ điều chế 52 2.3.3 Thực điều chế thuật toán IFFT 53 2.3.4 Chuỗi bảo vệ hệ thống OFDM 54 2.3.5 Phép nhân với xung 56 2.4 Nguyên lý giải điều chế OFDM 56 2.4.1 Truyền dẫn phân tập đa đường 56 2.4.2 Nguyên tắc giải điều chế 57 2.5 Ứng dụng hướng phát triển kỹ thuật điều chế OFDM 59 2.5.1 Hệ thống DRM 59 2.5.2 Các hệ thống DVB 60 2.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến OFDM giải pháp khắc phục 65 2.6.1 Nhiễu ISI (Inter-Symbol interference) giải pháp khắc phục 65 2.6.2 Nhiễu ICI(Inter-Channel Interference) giải pháp khắc phục 66 2.6.3 Cải thiện hiệu hệ thống sở sử dụng mã Gray 67 2.6.4 Nâng cao hiệu sử dụng phổ tần 68 2.7 Các ưu nhược điểm kĩ thuật OFDM 70 2.7.1 Ưu điểm 70 2.7.2 Nhược điểm 71 2.8 Kết luận chương 71 CHƯƠNG KỸ THUẬT OFDMA TRONG WIMAX 72 3.1 Giới thiệu chương 72 3.2 Giới thiệu kỹ thuật OFDMA 72 3.3 Đặc điểm 74 3.4 Độ rộng dải tần, số lượng kênh khung liệu OFDMA WiMAX 78 3.5 OFDMA nhảy tần 81 3.6 Hệ thống OFDMA 82 3.6.1 Chèn chuỗi dẫn đường miền tần số miền thời gian 86 3.6.2 Điều chế thích nghi 87 3.6.3 Các kỹ thuật sửa lỗi 89 3.6.3.1 Mã hóa LDPC (Low-Density-Parity-Check) 89 3.6.3.2 Mã hoá Reed-Solomon 92 3.7 Điều khiển công suất 94 3.8 Kết luận chương 95 Kết luận hướng phát triển đề tài 96 Tài liệu tham khảo 98 LỜI NÓI ĐẦU Sự đời chuẩn 802.16 cho mạng WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access - Khả tương tác tồn 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 “ỨNG DỤNG KỸ THUẬT OFDMA TRONG WiMAX” 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 Nội dung đồ án gồm chương sau : Chương 1: Tổng quan cơng 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 Trong thời gian làm đồ án, em cố gắng nhiều song kiến thức cịn hạn chế, thời gian nghiên cứu đề tài có hạn nguồn tài liệu chủ yếu chuẩn báo tiếng Anh mạng nên đồ án cịn nhiều sai sót q trình dịch thuật Em mong nhận phê bình, ý kiến đóng góp chân thành thầy bạn để đồ án hoàn thiện Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy cô giáo khoa, tổ viễn thông đặc biệt cô giáo Th.S Nguyễn Thị Kim Thu tận tình hướng dẫn cho em, xin cảm ơn bạn lớp giúp đỡ trình làm đồ án! Vinh, tháng 12 năm 2011 Sinh viên thực Nguyễn Đình Thìn TĨM TẮT ĐỒ ÁN Kỹ thuật OFDM lựa chọn làm phương pháp điều chế sử dụng mạng thông tin thành thị băng rộng WiMAX theo tiêu chuẩn IEEE 802.16a hệ thống thông tin di động thứ tư 4G Trong 4G, kỹ thuật OFDM kết hợp với kỹ thuật đa anten thu phát MIMO nhằm nâng cao dụng lượng kênh thông tin vô tuyến, hay kế thợp với CDMA nhằm phục vụ dịch vụ đa truy nhập WiMAX sử dụng công nghệ OFDM giao diện vô tuyến để truyền tải liệu cho phép thuê bao truy nhập kênh Trong đồ án này, tìm hiểu hệ thống thơng tin vơ tuyến nói chung hệ thống sử dụng kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao OFDM, kỹ thuật đa truy nhập sử dụng đa sóng mang trực giao OFDMA nói riêng Ta tìm hiểu mơ hình hệ thống OFDM, tạo thu tín hiệu OFDM,tìm hiểu, phân tích công nghệ WiMAX kỷ thuật xử lý OFDM WiMAX OFDM technique was selected as a modulation method used in the information network of urban broadband WiMAX standard IEEE 802.16a and information systems 4G Mobile Wednesday In 4G, OFDM techniques are combined with multi-antenna transceiver techniques to improve the use of MIMO wireless communication channels, or plan to serve soft spot for CDMA multiple access services WiMAX uses OFDM technology in the radio interface for data transfer and allows subscribers to access the channel In this project, we will learn about information systems in general and radio systems using modulation technique OFDM multi-carrier orthogonal, multiple access techniques using orthogonal multi-carrier OFDMA particular I will find out OFDM system model, create and OFDM receivers, learn, analyze WiMAX technology and technology in the WiMAX OFDM processing DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Đặc tính giao diện vô tuyến………… ………………… 19 Bảng 2.1 So sánh DVB-T DVB-H 53 Bảng 2.2 Bảng chuyển đổi mã Gray……………………… ………………57 Bảng 3.1 Độ rộng dải tần số lượng kênh truyền OFDMA WiMAX di động…………………………………………………………… .……… 68 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mơ hình hệ thống WiMAX………………………… ……………3 Hình 1.2 Miền Fresnel trường hợp LOS………………… ………….4 Hình 1.3 Truyền sóng trường hợp NLOS………………… ……… Hình 1.4 Phân lớp WiMAX so với mơ hình OSI 12 Hình 1.5 Minh hoạ chuyển nhà cung cấp dịch vụ…………… ……… 21 Hình 1.6 Minh hoạ mạng giáo dục…………………………… ……… 23 Hình 1.7 Minh hoạ mạng an ninh cơng cộng……………… ………… 25 Hình 1.8 Minh hoạ mạng liên lạc xa bờ……………………… ……… 26 Hình 1.9 Minh hoạ mạng WiMAX nhà cung cấp dịch vụ… ………28 Hình 1.10 Minh hoạ mạng WiMAX cho kết nối vùng nơng thơn… …29 Hình 2.1 Kỹ thuật sóng mang khơng chồng xung (a) kỹ thuật sóng mang chồng xung (b)………………………………………………………… … 32 Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống OFDM…………………………… …………… 35 Hình 2.3 Tín hiệu phổ OFDM…………………………… ……………36 Hình 2.5 Bộ điều chế OFDM………………………………… ………… 41 Hình 2.6 Chuỗi bảo vệ GI……………………………………… …………43 Hình 2.7 Tác dụng chuỗi bảo vệ…………………………… ……… 44 Hình 2.8 Xung bản…………………………………………… ……… 45 Hình 2.9 Mơ hình kênh truyền……………………………… …………….46 Hình 2.10 Bộ thu tín hiệu OFDM .46 Hình 2.11 Tách chuỗi bảo vệ…………………………………… ……… 47 Hình 2.12 Hệ thống DRM……………………………………… ……… 49 Hình 2.13 Sơ đồ khối DVB-T………………………………… ………50 Hình 3.1 ODFM OFDMA……………………………… …………… 65 Hình 3.2 Ví dụ biểu đồ tần số, thời gian với OFDMA…… ………… 67 Hình 3.3 Một khung liệu OFDMA WiMAX………………… ………….69 Hình 3.4 Biểu đồ tần số thời gian với người dùng nhảy tần a, b, c có bước nhảy với khe thời gian………………………………… …………70 Hình 3.5 Sáu mẫu nhảy tần trực giao với tần số nhảy khác nhau… … 71 Hình 3.6 Tổng quan hệ thống sử dụng OFDMA…………………… …… 71 Hình 3.7 Mẫu tín hiệu dẫn đường OFDMA…………………… ……72 Hình 3.8 OFDMA downlink………………………………………… ……73 Hình 3.9 Cấu trúc cụm OFDMA downlink…………………… ……73 Hình 3.10 OFDMA uplink…………………………………………… … 74 Hình 3.11 Cấu trúc cụm OFDMA uplink……………………… … 74 Hình 3.12 Chèn chuỗi dẫn đường miền tần số thời gian…… ……75 Hình 3.13 Điều chế thích nghi………………………………………… ….77 Hình 3.13 Ví dụ ma trận mã LDPC…………………………… ….79 Hình 3.14 Sơ đồ tạo mã RS…………………………………………… ….82 Hình 3.15 Sơ đồ syndrome thu RS……………………………… ……83 10 truyền, sau lại đưa đến cân kênh để khôi phục lại tín hiệu ban đầu Đối với kênh hướng xuống: Hình 3.8 OFDMA downlink Hình 3.9 Cấu trúc cụm OFDMA downlink 88 Cấu trúc cụm bao gồm kênh miền tần số n kí hiệu OFDM miền thời gian, chứa N sóng mang Mỗi sóng mang điều chế khác Đối với kênh hướng lên : Hình 3.10 OFDMA uplink Hình 3.11 Cấu trúc cụm OFDMA uplink 89 Cấu trúc cụm gồm kênh miền tần số kí hiệu OFDM miền thời gian, cụm 144 sóng mang liệu, sử dụng điều chế thích nghi user; user yêu cầu từ đến 32 kênh con; kênh sử dụng làm ranging (phép đo cự li cách đo thời gian truyền tín hiệu điện từ) yêu cầu băng thơng (nếu có) user Khi cấp sóng mang cho user, OFDMA tạo dãy sóng mang thực dịch vịng dãy cấp cho user khác 3.6.1 Chèn chuỗi dẫn đường miền tần số miền thời gian t f Hình 3.12 Chèn chuỗi dẫn đường miền tần số thời gian Mẫu tin dẫn đường chèn với mẫu tin có ích miền tần số miền thời gian hình Tuy nhiên khoảng cách hai mẫu tín hiệu dẫn đường liên tiếp tuân theo quy luật lấy mẫu miền tần số miền thời gian Ở miền tần số, biến đổi kênh vô tuyến phụ thuộc thời gian trễ truyền dẫn lớn kênh τmax (maximum propagation delay or delay spread) Với rf tỉ số lấy mẫu (oversampling) miền tần số, fs khoảng cách liên tiếp hai sóng mang con, khoảng cách hai mẫu tin dẫn đường miền tần số Df phải thoả mãn điều kiện sau: 90 rf  1 D f f S max (3.1) Tỉ số lấy mẫu tối thiểu miền tần số rf phải Tỉ số lớn 1, đó, số mẫu tin dẫn đường nhiều mức cần thiết kênh truyền lấy mẫu vượt mức (oversampling) Trong trường hợp khoảng cách hai mẫu tin dẫn đường không thỏa mãn điều kiện lấy mẫu trên, r f