Nghiên cứu tổng quan về WiMAX, nhiễu và ảnh hưởng của nhiễu trong WiMAX

Nghiên cứu tổng quan về WiMAX, nhiễu và ảnh hưởng của nhiễu trong WiMAX

án t t nghi p CÁC T VI T T T AMC Adaptive Modulation and Code ARQ Automatic Retransmission Request ATM Network Asynchronous Transfer Mode BPSK Binary Phase Shift Keying BS Base Station CI CRC Indicator CID Connection Identifier CPE Customer Premise Equipment CPS Common Part Sublayer CRC Cyclic Redundancy Checks CS Centralized Scheduling CSMA Carrier Sense Multiple Access DES Data Encryption Standard DHCP Dynamic Host Configuration Protocol DL-MAP Downlink Map DL-MAP Downlink Map DSL Digital Subscriber Line EC Encryption Control EKS Encryption Key Sequence FDD Frequency Division Multiplexing FEC Forward Error Correction FFT Fast Fourier Transformation GMH Generic Mac Header HCS Header Check Sequence HT Header Type IEEE Institute of Electrical anh Electronics Engineers ITU International Telecommunication Union IV Initialising Vectors LEN Length LOS Line Of Sight MAC Media Access Control -1- án t t nghi p MAC CPS Mac Common Part Sublayer MAC CS Mac Service Specific Convergence Sublayer MAC PDU MAC Protocol Data Unit MSDU Mac Service Data Unit NLOS Non Line Of Sight nrtPS Non Real Time Polling Service OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing PDA Persional Digital Assitant PDU Protocol Data Units PHY Physical Layer PMP Point MultiPoint PS PHY Slots 16QAM 16-State Quadrature Amplitude Modulation QoS Quality of Service QPSK Quadrature Phase Shift Keying SC Single Carrier SINR Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio SOFDMA Scalable Orthogonal Frequency Division Multiplexing SS Subscriber Station SSCS Service-Specific Convergence Sublayer TDD Time Division Duplexing TDMA Time Division Multiple Access UGS Unsolicited Grant Service UL-MAP Uplink Map VoIP Voice over IP Wi-Fi Wireless Fidelity WiLANs Wireless Local Area Networks WiMax Worldwide Interoperability for Microwave Access WirelessHUMAN Wireless HighSpeed Unlicensed Metropolitan Area Networks WISPs Wireless Internet Providers WMAN Wireless Metropolitan Area Network -2- án t t nghi p U *** Ngày nhu c u thông tin liên l c c a ng i thi t b không dây t c internet không dây m i ng cao, b ng thông r ng nh i có th liên l c v i tr ng h n vi c m r ng dân trí cho ng i dân c ta, n i mà c s h t ng vi n thông ch a th ng m ng không dây ng i ngày cao, nh t i n tho i không dây, m i lúc, m i n i quan vùng xa xôi h o lánh n t c Hi n ã có r t nhi u h i nh WiFi, bluetooth m t s ó có th áp c nhu c u WiMax Wimax ch y u cung c p d ch v internet không dây i giá thành r , t c truy n cao k t n i n thi t b u cu i m t kho ng cách truy n l n Hi n nay, n c ta WiMAX ang Cai,Cao B ng M c dù có nh ng khó kh n b ng c a ng nhà n c th nghi m c t nh mi n núi nh : Lào u, nh ng em tin v i s c dành cho Wimax s ut úng c phát tri n toàn qu c Tuy nhiên, vi c tri n khai h th ng g p nhi u khó kh n nh ng nh ng có tính truy n th ng c a m ng khơng dây Vì v y, em ã ch n WiMAX, nhi u nh h ng c a nhi u WiMAX” Trong sâu tìm hi u nh ng k thu t kh c ph c nhi u c a WiMAX mà có c, nh h ng c a kênh truy n n ch t l ng: Ch ng1: T ng quan v k thu t Ch ng 2: Gi i thi u v WiMAX u ch OFDM -3- tài này, em i th h tr c ch a ng truy n tín hi u V i c s lý thuy t này, em ã mô ph ng hai l nh v c b ng ngôn ng Matlab án g m có n m ch tài “Tìm hi u án t t nghi p Ch ng 3: nh h ng c a nhi u WiMAX bi n pháp kh c ph c Ch ng 4: nh h ng c a kênh vô n Ch ng 5: Ch ng trình mơ ph ng h hồn thành n truy n d n tín hi u ng phát tri n tài án em xin chân thành c m n s giúp Nguy n V n Tu n th y cô giáo Khoa t n tình c a th y n T -Vi n Thông Khoa N ng N ng, tháng n m 2008 Sinh viên Phan Th Minh Huy n -4- H Bách án t t nghi p Ch ng NG QUAN V K THU T OFDM 1.1 Gi i thi u ch Wimax ng c phát tri n d a cơng ngh OFDM Vì th tr c i vào Wimax, ta tìm hi u v nh ng nguyên lý c b n c a k thu t OFDM Trong ch gi i thích m t cách d hi u nh t v s tr c giao sóng mang theo t n s , t nh ng công th c t ng quát mô t k thu t OFDM c ng nh s ng ó a u ch c a thu t 1.2 Nguyên lý c b n c a OFDM[1] Ýt ng OFDM truy n d n song song ( m t r ng b ng t n c p phát ng t n toàn b b ng t n ng th i) nhi u b ng ch ng l n a h th ng Vi c x p ch ng l n c c p phát d n n không nh ng t c hi u qu s d ng ph t n cao mà cịn có tác d ng phân tán l i c m truy n qua kênh, nh tính phân tán l i mà sốt l i hi u n ng h th ng c k t h p v i k thu t mã hoá kênh ki m c c i thi n k So v i h th ng ghép kênh phân chia theo t n s FDM truy n th ng thì, FDM c ng truy n theo c ch song song nh ng b ng không nh ng không ph i dành kho ng b ng t n b o v ( gi m thi u c phép ch ng l n mà ph c t p b l c thu) d n hi u qu s d ng ph t n Hình 1.1 S tr c giao c a sóng mang -5- n án t t nghi p 1.3 a sóng mang (Multicarrier) u truy n tín hi u khơng ph i b ng m t sóng mang mà b ng nhi u sóng mang, i sóng mang t i m t ph n d li u có ích ch u nh h c tr i u c b ng thông ng x u s ch có m t ph n d li u có ích b m t, d a c s d li u c a sóng mang khác có th khơi ph c l i d li u có ích cos(2π f1t) ) cos(2 f1t bi bi S/ S/ S/ S / P P P P cos(2 cos(2π f tf) t) s (S(t) t) cos(2π f NftNt) cos(2 ) Hình 1.2 S t o tín hi u OFDM HDo v y, dùng nhi u sóng mang có t c c thu xác h i ph c d li u ã m t, ng FEC-Forward Error Correction l c thông th bit th p, nhi u d li u g c s ng gi i i ta dùng ph máy thu m i sóng mang u ch Tuy nhiên ng pháp s a l i c tách dùng khơng có can nhi u gi a sóng mang (ICI) c n ph i có kho ng b o v hi u qu ph Gi i pháp kh c ph c vi c hi u qu ph có kho ng b o v (GUARD PERIOD) gi m kho ng cách sóng mang cho phép ph c a sóng mang nh trùng l p S trùng l p sóng mang c ch n xác Kho ng cách sóng mang tr c giao v i ó ph (OFDM) -6- c phép n u kho ng cách gi a c ch n ng v i tr ng h p ng pháp ghép kênh theo t n s tr c giao án t t nghi p Hình 1.3 FDM thơng th ng OFDM Cho t i d a nh ng thành t u c a công ngh m ch tích h p, ph pháp ã ng c th c hi n m t cách d dàng 1.4 S tr c giao (Orthogonal) ORTHOGONAL ch r ng có m t m i quan h tốn h c xác gi a n s c a sóng mang h th ng OFDM V m t toán h c, tr c giao có ngh a sóng mang c l y t nhóm tr c chu n (Orthonomal basis) {{ i(t)/i= 0,1…} có tính ch t sau: (1.1) Trong toán h c, s h ng tr c giao có nh ngh a, hai vect c t vi c nghiên c u vect Theo c g i tr c giao v i chúng vng góc v i nhau(t o m t góc vng 90) tích c a vect b ng nhân hai hàm s v i nhau, t ng h p tích nh n m ây ý t ng c k t qu u g i tính tr c giao c a d ng sóng sin Nó cho th y r ng mi n hai ng sóng sin khơng có t n s , tích phân c a chúng s b ng khơng Thơng tin m m u ch t hi u trình u ch OFDM -7- án t t nghi p Hình 1.4 Tích c a hai vect tr c giao b ng u nhân c ng(tích phân) hai d ng sóng sin có t n s Ta nh n th y trình ng b ng phân c a chúng s b ng không ng c l i khác y hai sóng sin khác t n s tích u g i tính tr c giao c a d ng sóng sin Hình 1.5 1.6 Hình 1.5.Tích phân c a hai sóng sin khác t n s Vi c gi i u ch ch t ch Hình 1.6 Tích phân c a hai sóng sin t n s c th c hi n k ti p mi n t n s (digital domain) b ng cách nhân m t sóng mang mang nh n c t o máy thu n v i m t sóng c máy thu có xác t n s pha Sau ó phép tích phân c th c hi n, t t c sóng mang s v khơng ngo i tr sóng mang c d ch lên tr c x, xác c nhân, c tách ra, hi u qu giá tr symbol c a ó ã nh Tồn b q trình t t c sóng mang ã c l p l i nhanh chóng cho m i sóng mang, c gi i u ch -8- c n án t t nghi p 1.4.1 Mô t toán h c c a OFDM[1] Trong toán h c, m i sóng mang c mơ t nh m t sóng ph c: Sc(t) = Ac(t)ej[ ct + c(t)] (1.2) Tín hi u th c ph n th c c a Sc(t) C Ac(t) ng c a sóng mang) có th thay Ph ph c Sc(t) ng pháp pha t ng i m i symbol b i symbol c b n u ch OFDM s d ng r t nhi u sóng mang, v y tín hi u c th hi n b i cơng th c : Ss(t) = Trong ó : c(t) (biên n= N −1 N ∑ An(t)ej[ n=0 nt + n(t)] (1.3) o+n T t nhiên, ây m t tín hi u liên t c N u ta xem d ng sóng c a m i ph n tín hi u m t chu k symbol bi n s Ac(t) c(t) nh n giá tr c nh mà giá tr ph thu c vào t n s c a sóng mang c th ó, nh v y có th vi t l i nh sau: n(t) An(t) N u tín hi u n An c l y m u v i t n s l y m u có giá tr 1/T ( v i T chu k y m u), tín hi u h p thành c th hi n b i công th c : Ss(kT) = N N −1 ∑ n=0 Anej[( 0+n )kT + ây, chia tín hi u thành N m u Nó thu n l i n] (1.4) l y m u m t chu k c a m t symbol d li u Vì th có m i liên h : =NT N u bây gi cho o= n gi n bi u th c mà khơng làm m t tính t ng qt b ng cách 0, tín hi u tr thành : Ss(kT) = N -9- N −1 ∑ n=0 An e n j(n e )kT (1.5) án t t nghi p Ti p theo ta có th so sánh bi u th c v i d ng t ng quát c a bi n ng i Fourier c: g(kT) = N N −1 ∑ n=0 Trong bi u th c (1.5), hàm s Ane G( n ) ej2 NT gi ng nh nk/N (1.6) nh ngh a c a tín hi u kho ng t n s l y m u Ss(kT) m t bi u di n mi n th i gian Bi u th c (1.5) (1.6) t ng f= ây c ng ng n u : 1 = NT τ u ki n yêu c u cho tính tr c giao Do ó k t qu c a vi c b o tồn tính tr c giao tín hi u OFDM có th c xác nh b ng cách bi n i Fourier 1.4.2 Tr c giao mi n t n s Cách khác xem xét tính tr c giao c a nh ng tín hi u OFDM xem ph c a Trong mi n t n s m i sóng mang th sinc(sin(x)/x) K t qu c a th i gian symbol t c p OFDM có áp n t n s ng ng v i ngh ch o c a kho ng cách sóng mang D ng sinc có búp h p, v i nhi u búp biên có c n theo t n s i kh i t n s trung tâm M i t i ph có m t tâm m t s giá tr null c ng gi m nh t i t n s trung t theo l tr ng t n s b ng kho ng cách sóng mang B n ch t tr c giao c a vi c truy n k t qu c a i Nulls c a t i ph khác Khi tín hi u nh c a m i t i ph t ng ng c phát hi n nh s d ng bi n i Fourier r i r c (DFT) 1.5 T o thu OFDM Ph n máy phát bi n i ph Sau ó bi n ng bi n i d li u s c n truy n, ánh x vào biên i bi u di n ph c a d li u vào mi n th i gian nh s i fourier r i r c nhanh Fourier pha c a o (inverse Discrecte Fourier Transform) Bi n o (Inverse Fast fourier Transform) th c hi n m t thu t tốn nh -10- i án t t nghi p Hình 5.15 Bán kính t bào(cell) có liên quan nghi(AMC) 5.3.1 n u ch thích th chịm • u t thu t toán u Nh p:-Các m c u ch -S l ng tín hi u i ch ng trình anhxa.m ph th chịm c a ng pháp u ch Xu t hình t thúc -74- án t t nghi p t qu ch ng trình Hình 5.17 Chịm tín hi u c a ph ng pháp u ch QPSK Hình 5.16 Chịm tín hi u c a ph ng pháp u ch BPSK Hình 5.18 Chịm tín hi u c a ph ng pháp u ch 16-QAM Hình 5.19 Chịm tín hi u c a ph ng pháp u ch 64-QAM -75- án t t nghi p Nh n xét u ch nhi u m c (M l n) kho ng cách Euclic gi a c p m ký hi u khơng gian tín hi u ng n 5.3.2 th tán x th tán x b nh h c dùng u ch s ng c a nhi u Trong môi tr ng kênh AWGN, xác su t l i m t hàm kho ng cách Euclic gi a c p ánh giá s ch ng l n c a tín hi u n u c a m khơng gian tín hi u v i xác su t l i t ng m không gian tín hi u ó g n h n, hay nói cách khác m tín hi u xít g n xác su t l i t ng ng • u thu t tốn t u Nh p:-Các m c u ch -S l ng tín hi u i ch ng trình anhxa.m i qua kênh AWGN ph th ánh x c a ng pháp u ch Xu t hình t thúc -76- c l i án t t nghi p • t qu ch ng trình Hình 5.20 S tán x c aph pháp BPSK ng Hình 5.21 S tán x c a ph pháp QPSK ng Hình 5.22 S tán x c a ph pháp 16-QAM ng Hình 5.23 S tán x c a ph pháp 64-QAM ng -77- án t t nghi p • Nh n xét Khi M l n m chòm sát l i v i Do ó, b ch ng l n lên b nh h ng b i nhi u d gây l i m u ó ã c ch ng minh hồn tồn úng mơ ph ng 5.3.3 Tính BER cho t ng ph ng pháp • Nguyên t c mô ph ng d ng ph hi u c a ph ng pháp Monte Carlos ng pháp u ch có M m chia thành M vùng quy t sánh v i M m ban u, t c tính l i BER D a vào chịm tín ó tính m khác nhau(M s m c u ch ), M nh Khi ta cho tín hi u i qua kênh AWGN so c l i tính BER Ngu n t p âm nd[n] xd[n] x [n] Ngu n li u d[n] yd[n] + ∧ MÁY PHÁT MÁY THU + xq[n] nq[n] yq[n] Ngu n t p âm So sánh ký hi u ∧ Hình 5.24 S Pe kh i mơ ph ng tính BER -78- d [n ] án t t nghi p d ng b t o s ng u nhiên kho ng (0,1), t s ng u nhiên phân b Am t t o s ng u nhiên phân b u ánh x (s p x p) thành m c biên ng ng v i tr c I-Q cho b p (ánh x ) thành m c biên u ch gi i c phân vào nhánh (nhánh Q),các t h p bit c a thành ph n thành m c biên Am t BPSK QPSK 16-QAM 64-QAM Quy t ch t c chuy n n i ng pha(nhánh I) vuông pha ng pha vuông pha cs px p ng ng ng 5.2 S p x p thành m c biên Ch u ch u ch s nêu B s p Am, lu ng d li u nh phân tr ti p thành song song, sau ó u Am[8] nh m c theo x n v v) N u 0