Ảnh hưởng của nhiễu và các biện pháp khắc phục trong wimax

Tr-ờng Đại học vinh Khoa ĐIệN Tử VIễN THÔNG ===== ===== Đồ áN tốt nghiệp ĐạI HọC Đề tài: ảNH HƯởNG CủA NHIễU Và CáC BIệN PHáP KHắC PHụC TRONG WIMAX Giảng viên h-ớng dẫn: ThS LÊ ĐìNH CÔNG Sinh viên thực : PHạM VIếT DũNG Lớp : 47k - ®tvt Vinh, 5/2011 MỤC LỤC MỞ ĐẦU Chương Tổng quan công nghệ truy nhập khơng dây 1.1 Q trình phát triển mạng truy nhập không dây 1.1.1 Công nghệ di dộng tế bào 1.1.2 Xu hướng công nghệ không giây khác 10 1.2 Các chuẩn cho hệ thống không giây băng rộng 12 1.2.1 Các chuẩn họ IEEE 802.16x 12 1.2.2 Các chuẩn họ IEEE 802.11x 15 1.2.3 Các chuẩn họ IEEE 802.15x 18 1.3 Kết luận chương 18 Chương Công nghệ WIMAX 19 2.1 Tổng quan Wimax 19 2.1.1 Khái niệm 19 2.1.2 So sánh Wimax với số công nghệ khác 22 2.1.3 Hoạt động Wimax 25 2.2 Các đặc điểm kỹ thuật Wimax 26 2.2.1 Băng tần độ rộng kênh ứng dụng 26 2.2.2 Lớp vật lý 31 2.2.3 Mã hoá kênh 42 2.2.4 Điều chế 44 2.3 Một số kỹ thuật điều khiển lớp vật lý 47 2.3.1 Đồng 47 2.3.2 Ranging 47 2.3.3 Điều khiển công suất 49 2.3.4 Lựa chọn tần số động (DFS) 50 2.4 Lớp MAC 51 2.4.1 Lớp hội tụ chuyên biệt dịch vụ MAC-SSCS 52 2.4.2 Lớp phần chung MAC-CPS 52 2.4.3 Lớp bảo mật 60 2.5 Các công nghệ vô tuyến cải tiến Wimax 65 2.5.1 Phân tập thu phát 65 2.5.2 Hệ thống anten thích ứng AAS 66 2.6 Ưu điểm nhược điểm Wimax 67 2.7 Kết luận chương 69 Chương Ảnh hưởng nhiễu WiMAX biện pháp khắc phục 70 3.1.Sơ đồ khối hệ thống thông tin vô tuyến 70 3.2 Ảnh hưởng nhiễu hệ thống vô tuyến 71 3.2.1.Suy hao (pathloss) 71 3.2.2 Che chắn (shadowing) 72 3.2.3 Nhiễu đồng kênh CCI 73 3.2.4 Hiện tượng đa đường (multipath) 74 2.5 Hiện tượng Doppler 76 3.3.Các biện pháp nhằm giảm ảnh hưởng nhiễu sử dụng WiMAX73 77 3.3.1.Tái sử dụng tần số phân đoạn 77 3.3.2 Các biện pháp giảm pha đinh 78 3.3.2.1.Pha đinh băng hẹp (pha đinh phẳng) 78 3.3.2.2 Pha-đinh băng rộng (pha đinh lựa chọn tần số) 81 3.3.2 Bộ cân 81 3.3.2.4 Mã hóa điều chế thích nghi 82 3.3.2.5 Mã hóa kênh (channel coding) 85 3.4 Kết luận chương 86 KẾT LUẬN 87TÀI LIỆU THAM KHẢO 88 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Q trình phát triển hệ thống thông tin di động giới Hình 1.2 Quá trình phát triển mạng di động tế bào Hình 1.3 Xu hướng phát triển mạng truy nhập vơ tuyến 12 Hình 2.1 Mơ hình mạng Wimax cố định 19 Hình 2.2 Cấu trúc liên mạng 26 Hình 2.3 So sánh kỹ thuật sóng mang khơng chồng xung (a), kỹ thuật sóng mang chồng xung (b) 32 Hình 2.4 Sơ đồ hệ thống OFDM 33 Hình 2.5 Phổ sóng mang OFDM 34 Hình 2.6 Minh họa việc chèn CP 36 Hình 2.7 Mơ hình LOS 37 Hình 2.8 Mơ hình NLOS 37 Hình 2.9 Kỹ thuật FDD TDD 38 Hình 2.10 Khung TDD cho kiểu PMP 40 Hình 2.11 Khung FDD cho kiểu PMP 42 Hình 2.12 Quá trình đan xen 44 Hình 2.13 Kỹ thuật điều chế thích ứng 45 Hình 2.14 Mơ hình lớp PHY MAC 51 Hình 2.15 Định dạng MAC PDU 54 Hình 2.16 Định dạng MAC phần đầu tổng quát 55 Hình 2.17 Bandwidth request header 56 Hình 2.18 MAC management messages format 57 Hình 2.19 Ghép MAC PDU 58 Hình 2.20 MAC PDU encryption 59 Hình 2.21 Mơ hình lớp bảo mật 61 Hình 2.22 Giao thức chứng thực 64 Hình 3.1 Hệ thống thơng tin vô tuyến số 70 Hình 3.2 Mơ hình truyền sóng khơng gian tự 72 Hình 3.3 Hiện tượng che chắn đường truyền tín hiệu 73 Hình 3.4.Giao thoa xuyên kênh 73 Hình 3.5 Hiện tượng multipath 74 Hình 3.6 Hai tín hiệu multipath 75 Hình 3.7 Hai tín hiệu multipath ngược pha 180 75 Hình 3.8 Hiện tượng pha đinh 76 Hình 3.9 Hiện tượng Duppler 76 Hình 3.10 Mơ hình tái sử dụng tần số phân đoạn 78 Hình 3.11 Phân tập lựa chọn hai nhánh đơn loại hầu hết suy giảm mạnh 80 Hình 3.12 Sơ đồ khối mơ hình kênh truyền 81 Hình 3.13 Kênh truyền cân 82 Hình 3.14 Mối quan hệ vùng phủ sóng phương pháp điều chế sử dụng 82 Hình 3.15 Sơ đồ khối hệ thống mã hóa điều chế thích nghi 83 Hình 3.16 Thơng lượng phương pháp điều chế tốc độ mã hóa khác 84 Hình 3.17 Vai trị mã hóa kênh việc giảm BER khắc phục lỗi gây cho tín hiệu truyền pha-đinh 85 Hình 3.18 Sơ đồ khối chức mã hóa kênh 86 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 So sánh chuẩn 802.16-2004 LMDS, MMDS 24 Bảng 2.2 Thông số điều chế OFDM 46 Bảng 2.3 Một số tin sử dụng kết nối sở 53 Bảng 2.4 Một số tin sử dụng kết nối quản lý sơ cấp 53 Bảng 2.5 Nội dung khóa chứng thực AK PMK version SS BS 62 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Authentication, Nhận thực, cấp phép tính authorization and Account cước AAS Adaptive Antenna System Hệ thống anten thích ứng ACK Acknowledgment Xác nhận AES Advance Ecryption Standard Chuẩn mật mã nâng cao AK Authorization Key Khóa nhận thực ARQ Automatic Retransmission Request ASN Access Service Network Mạng dịch vụ truy nhập ATM Asynchronous Transfer Mode Phương thức truyền AAA Yêu cầu truyền lại tự động không đồng BE Best Effort dịch vụ nỗ lực tốt BPSK Binary Phase shift Keying Khóa chuyển pha nhị phân BR Bandwidth Request Yêu cầu băng thông BS Base Station Trạm gốc BSN Block Sequence Number Số thứ tự khối BTC Block Turbo Code Mã Turbo khối BW Bandwidth Băng thông BWA Broadband Wireless Access CA Collision Avoidance Tránh xung đột CBC Cipher Block Chaining Chuỗi khối mã hóa CC Confirmation Code Mã xác nhận CCI Co-Channel Interference Nhiễu kênh liên kết CCK Complementary Coded Keying Khóa mã hóa bổ sung CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo Truy nhập không dây băng rộng mã C/I Carrier to Interference Ratio Tỉ số tín hiệu/ nhiễu 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 CS Convergence Sublayer Lớp hội tụ CSMA Carrier Sense Multiple Access Đa truy nhập cảm nhận sóng mang CSN Connection Service Network Mạng dịch vụ kết nối CTC Concatenated Turbo Code Mã Turbo xoắn DAMA Demand Assigned Multiple Access Đa truy nhập ấn định theo nhu cầu DCD Downlink Channel Descriptor Miêu tả kênh đường xuống DCF Distributed Control Function Chức điều khiển phân tán DES Data Encryption Standard Chuẩn mật mã hóa liệu DFS Dynamic Frequence Selecton Lựa chọn tần số động DHCP Dynamic Host Configuration Giao thức cấu hình Host Protocol động DL Downlink Đường xuống DLFP Downlink Frame Preamble Tiền tố khung đường xuống DSA Dynamic Services Addition Bổ sung dịch vụ động DSC Dynamic Services Change Chuyển đổi dịch vụ động DSL Digital Subcriber Line Đường dây thuê bao số EC Encryption Control Điều khiển mật mã hóa ECB Electronic Code Book Sách mã điện tử EDCA Enhanced Distributed Access EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution Truy nhập điều khiển phân tán Control nâng cao Các tốc độ liệu nâng cấp cho phát triển GSM EV-DO Enhanced Version- Data Only Chỉ liệu-phiên nâng cao EKS Encryption Key Sequence Chuỗi khóa mật mã ETSI European Telecommunications Viện chuẩn viễn thông Institute Châu Âu FBSS Fast Base Station Switch Chuyển mạch trạm gốc nhanh FCH Frame Control Header Tiêu đề điều khiển khung FDD Frequence Division Duplex Song công phân chia theo tần số FDM Frequence Division Mutiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số FEC Forward Error Crrection Hiệu chỉnh lỗi trước FFT Fast Fourier Transform Chuyển đổi Fourier nhanh FSH Fragmentation Subheader Tiêu đề phân đoạn GPC Grant Per Connection Cấp phát trạm gốc GPRS Generalized Packet Radio Service Dịch vụ vơ tuyến gói chung GPSS Grant Per Subscriber Station Cấp phát trạm thuê bao GSM Global System For Hệ thống toàn cầu cho truyền Mobile Communicatons thông di động Hybrid Automatic Yêu cầu truyền lại tự động kết Retransmission Request hợp HCS Header Check Sequence Thứ tự kiểm tra tiêu đề HHO Hard HandOver Chuyển giao cứng HMAC Hashed Message Mã nhận thực tin xáo Authentication Code trộn HARQ HSDPA High Speed Downlink Packet Access Truy nhập gói đường xuống tốc độ cao Truy nhập gói đường lên HSUPA High Speed Uplink Packet Access tốc độ cao HT Header Type Loại tiêu đề IEEE Institute of Electrical and Viện kĩ sư điện điện tử Electronic Engineers IMT International Mobile Viễn thông di động quốc tế Telecommunications IP Internet Protocol Giao thức liên mạng ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu Symbol ISM Industrial Scientific and Medical Công nghiệp khoa học hóa học ISP Internet Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ Internet IV Initialization Vector Véc tơ khởi tạo KEK Key Encryption Key Khóa mật mã khóa LAN Local Area Network Mạng vùng cục LOS Line Of Sight Tầm nhìn thẳng LSB Least Significant Bit Bít ý nghĩa MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập phương tiện MAN Metropolitan Area Network Mạng vùng thành thị MBWA Mobile Broadband Truy nhập không dây Wireless Access MDHO Marco Diversity Handover băng rộng di động Chuyển giao đa dạng Marco MIMO Multiple Input Multiple Output Nhiều đầu vào nhiều đầu MIP Mobile Internet Protocol Giao thức Internet di động MISO Multiple Input Single Output Nhiều đầu vào đầu MRC Maximum Ratio Combining Kết hợp tỉ số cực đại MS Mobile Station Trạm di động với người sử dụng mà ta mong muốn, chúng trở thành can nhiễu cho người sử dụng khác có tần số tế bào hay tế bào kế cận Can nhiễu nhân tố định đến chất lượng hệ thống khơng dây việc điều khiển can nhiễu giúp cải thiện đáng kể đáng kể dung lượng hệ thống 3.2.4 Hiện tượng đa đường (multipath) Multipath tượng mà tín hiệu radio phát bị phản xạ bề mặt vật thể tạo nhiều đường tín hiệu trạm gốc thiết bị đầu cuối sử dụng Kết tín hiệu đến thiết bị đầu cuối sử dụng tổng hợp tín hiệu gốc tín hiệu phản xạ.(hình 3.5) Chúng ta trở lại ví dụ ném hịn đá xuống hồ nước Các vịng sóng phát từ điểm ném đường tròn đồng dạng khác biên dộ sóng Việc phát đơn hướng tín hiệu tương tự Với trạm gốc cự ly từ sóng gốc Nếu mẫu tín hiệu khơng bị nhiễu trạm gốc khơng khó khăn việc phân biệt sóng Nhưng vịng sóng chạm vào bờ bị phản xạ lại giao thoa với sóng gốc ban đầu Khi kết hợp với chúng yếu hay mạnh lên Đây vấn đề nhiễu đa đường Hình 3.5 Hiện tượng multipath 88 Các vấn đề có liên quan đến nhiễu đa đường: Một hệ tượng multipath mà khơng mong muốn tín hiệu sóng tới từ hướng khác tới thu có trễ pha thu tổng hợp sóng tới khơng có phối hợp pha (hình 3.6) Tín hiệu mong muốn Time Tín hiệu phản xạ Hình 3.6 Hai tín hiệu multipath Điều ảnh hưởng đến biên độ tín hiệu, biên độ tín hiệu tăng tín hiệu sóng tới pha giảm tín hiệu ngược pha Trường hợp đặc biệt hai tín hiệu ngược pha 180 tín hiệu bị triệt tiêu (hình 3.7) Hình 3.7 Hai tín hiệu multipath ngược pha 1800 Hiện tượng pha đinh: sóng tín hiệu đa đường ngược pha, cường độ tín hiệu bị giảm Hiện tượng biết đến 89 “Rayleigh pha đinh” hay gọi “pha đinh nhanh” Sự suy giảm thay đổi liên tục hình thành khe hình chữ V Cường độ tín hiệu bị thay đổi thất thường nhanh chóng gây suy giảm chất lượng (hình 3.8) Biên độ tín hiệu Chu trình khơng giảm Chu trình Khơng giảm Ngưỡng Giảm Giảm Thời gian Hình 3.8 Hiện tượng pha đinh Một hệ tượng multipath “trải trễ” tức bị phản xạ thành nhiều tín hiệu khác tín hiệu đến thu thời điểm khác gây tượng giao thoa liên ký tự(intersymbol interference) Khi xảy tượng tốc độ bit tăng lên làm giảm đáng kể chất lượng hệ thống 3.2.5 Hiện tượng Duppler Hình 3.9 Hiện tượng Duppler 90 3.3 Các biện pháp nhằm giảm ảnh hưởng nhiễu sử dụng WiMAX 3.3.1 Tái sử dụng tần số phân đoạn [2] Đây phương pháp nhằm nâng cao chất lượng kết nối thuê bao ảnh hưởng can nhiễu kênh (CCI) Trong WiMAX di động hỗ trợ tái sử dụng tần số 1, nghĩa tất tế bào /sector hoạt động kênh tần số nhằm tối đa hóa hiệu sử dụng phổ Tuy nhiên, can nhiễu kênh (CCI) mạnh triển khai tái sử dụng tần số 1, thuê bao rìa tế bào giảm cấp chất lượng kết nối Với WiMAX di động, thuê bao hoạt động kênh con, chiếm đoạn nhỏ toàn băng thơng kênh; vấn đề can nhiễu biên tế bào khắc phục dễ dàng việc tạo cấu hình sử dụng kênh cách hợp lý mà không cần viện đến quy hoạch tần số truyền thống Trong WiMAX di động, việc tái sử dụng kênh linh hoạt tạo điều kiện dễ dàng nhờ phân đoạn kênh vùng hoán vị Một đoạn phần nhỏ kênh OFDMA khả dụng (một đoạn bao gồm tất kênh con) Một đoạn sử dụng cho triển khai trường hợp MAC Vùng hoán vị số ký tự OFDMA liền kề DL UL sử dụng phép hoán vị Khung DL UL chứa nhiều vùng hốn vị Mơ hình tái sử dụng kênh cấu hình cho th bao gần sát trạm gốc hoạt động vùng có tất kênh khả dụng Trong đó, thuê bao rìa, tế bào sector hoạt động vùng có phần nhỏ tất kênh khả dụng Trong hình 3.10, F1, F2 F3 biểu thị tập hợp kênh khác kênh tần số Với cấu hình này, tái sử dụng tần số “1” tồn tải trì cho thuê bao trung tâm để tăng tối đa hiệu 91 phổ, tái sử dụng tần số phân đoạn cài đặt cho thuê bao rìa nhằm đảm bảo chất lượng kết nối thông lượng thuê bao rìa Quy hoạch tái sử dụng kênh tối ưu hóa cách động qua sector tế bào dựa tải mạng điều kiện can nhiễu sở khung Do vậy, tất tế bào sector hoạt động kênh tần số mà khơng cần đến quy hoạch tần số Hình 3.10 Mơ hình tái sử dụng tần số phân đoạn 3.3.2 Các biện pháp giảm pha đinh [4] Đặc tính pha-đinh khác quan trọng việc thiết kế hệ thống thông tin vô tuyến hữu tuyến Do pha-đinh lựa chọn tần số bật kênh băng rộng- độ rộng băng kênh băng rộng lớn nhiều độ rộng băng phù hợp BC –nên đề cập đến kênh với phân tán thời gian hay lựa chọn tần số pha-đinh băng rộng đến kênh với phân tán tần số hay lựa chọn thời gian pha-đinh băng hẹp Bây giờ, xem xét khác pha-đinh băng rộng pha-đinh băng hẹp để từ biện pháp khắc phục 3.3.2.1 Pha đinh băng hẹp (pha đinh phẳng) Ảnh hưởng pha đinh đáng kể khoảng cách truyền tăng, lúc cường độ tín hiệu thu bị giảm đáng kể suy hao thay đổi đáng kể Tính di chuyển thuê bao khoảng cách lớn (>>λ) 92 thay đổi đặc điểm địa hình, ảnh hưởng đến suy hao cơng suất thu thay đổi chậm Có nhiều kỹ thuật khác sử dụng để khắc phục pha-đinh băng hẹp, cách phổ biến thường dùng phân tập.Trong thông tin vơ tuyến tốc độ cao, có phân tập khắc phục tượng pha-đinh Các loại phân tập thường dùng là: Phân tập thời gian Hai phương pháp quan trọng phân tập thời gian mã hóa/đan xen điều chế thích nghi (AMC) Kỹ thuật mã hóa đan xen đưa vào cách linh hoạt để tăng độ dư thừa tín hiệu truyền đi; điều làm cho tốc độ tín hiệu giảm mà giảm đươc lỗi bit Các máy phát với việc điều chế thích nghi có thơng tin kênh truyền Và vậy, chúng chọn kỹ thuật điều chế mà đạt tốc độ liệu cao giữ BER mức yêu cầu Pb  0.2e 1.5  M 1 (3.3) Trong phương trình (3.3), với M tăng, BER tăng Vì tốc độ liệu tỷ lệ với log2M, muốn chọn kích thước mẫu tự lớn đạt BER theo yêu cầu Nếu kênh có suy giảm mạnh khơng có ký hiệu gửi để tránh tạo lỗi Điều chế thích nghi mã hóa phần tích hợp chuẩn WiMAX Và để cập kỹ phần sau Phân tập không gian Phân tập theo không gian dạng phân tập khác phổ biến có hiệu quả, thường thực cách sử dụng hai hay nhiều ăng-ten máy phát máy thu hay có máy phát máy thu Phân tập biết đến với tên gọi hệ thống 93 MIMO Dạng đơn giản phân tập theo không gian bao gồm hai ăng-ten thu, nơi mà hai tín hiệu mạnh chọn Nếu ăngten đặt cách cách phù hợp, hai tín hiệu nhận chịu ảnh hưởng cách xấp xỉ tượng pha-đinh không tương quan với Kiểu phân tập gọi cách hợp lý phân tập lựa chọn minh họa hình 3.11 sau: Hình 3.11 Phân tập lựa chọn hai nhánh đơn loại hầu hết suy giảm mạnh Kỹ thuật đơn giản loại bỏ hoàn toàn nửa tín hiệu nhận hầu hết suy giảm mạnh tránh SNR trung bình tăng lên Các dạng phức tạp phân tập không gian bao gồm mảng ăng-ten (hai hay nhiều hai ăng-ten) với tỷ số kết nối lớn nhất, phân tập phát sử dụng mã hóa khơng gian- thời gian, kết nối phân tập đầu phát đầu thu Các kỹ thuật báo hiệu không gian mong đợi để định việc đạt hiệu suất phổ cao WiMAX Phân tập theo tần số Phương pháp sử dụng để khắc phục tượng pha đinh băng rộng đề cập kỹ phần sau 94 3.3.2.2 Pha-đinh băng rộng(pha đinh lựa chọn tần số) Như biết, pha-đinh lựa chọn tần số gây phân tán miền thời gian, điều làm cho ký hiệu lân cận giao thoa với trừ T>>τmax Do tốc độ liệu tỷ lệ với 1/T , hệ thống có tốc độ liệu cao lúc có lan truyền trễ đa đường đáng kể, T