5.3.5.1 Khối điều chế
Hình 5.13: Khối điều chế OFDM
Trong khối điều chế OFDM các bit zero đƣợc thêm vào tại điểm bắt đầu và điểm kết thúc của ký hiệu OFDM. Để tạo ra dữ liệu có kích thƣớc 256 điểm. Trong chƣơng trình mô phỏng này điểm bắt đầu đƣợc thêm vào 28 bit zero và điểm cuối thêm vào 27 bit zero. Các bit zero này đƣợc sử dụng để làm khoảng bảo vệ để tránh giao thoa giữa các kênh. Sau đó dữ liệu này sẽ đƣợc sắp xếp lại và đƣa đến khối IFFT để biến đổi dữ liệu từ miền tần số sang miền thời gian. Để tránh nhiễu ISI và ICI thì trƣớc khi phát, dữ liệu đƣợc chèn thêm tiền tố lặp CP.
5.3.5.2 Khối giải điều chế
Hình 5.14: Khối giải điều chế OFDM
Trong khối giải điều chế tín hiệu đƣợc thực hiện ngƣợc lại so với khối điều chế. Tín hiệu nhận đƣợc đƣa qua khối chuyển đổi nối tiếp sang song song, khối loại bỏ chuỗi CP, khối biến đổi FFT, khối tạo frame và khối loại bỏ băng bảo vệ và sắp xếp lại chuỗi dữ liệu ra. Tín hiệu ngõ ra của khối này sẽ đƣợc đƣa đến khối kết hợp phân tập không gian và thời gian.
Chương 5: Mô phỏng hệ thống WiMAX
5.3.6 Kênh truyền
Hệ thống mô phỏng có sử dụng khối AWGN để mô phỏng nhiễu trên kênh truyền gần đúng với hệ thống thực tế. Trong thực tế có rất nhiều loại nhiễu ảnh hƣởng đến việc thu phát tín hiệu, nhiễu sẽ làm cho tín hiệu thông tin bị méo dạng cũng nhƣ làm cho phía bên thu khó có thể thu lại đƣợc tín hiệu giống hoàn toàn nhƣ bên phát. Trong chƣơng trình mô phỏng này có sử dụng khối tạo nhiễu AWGN với tỉ số SNR có thể thay đổi để nhận đƣợc số bit khác nhau với các tỷ số BER khác nhau.
5.3.7 Khối giải điều chế và kết hợp không gian -thời gian
Hình 5.15: Khối giải điều chế và kết hợp không gian-thời gian
Khối này thực hiện chức năng ngƣợc lại với khối mã hóa theo không gian và thời gian. Tín hiệu ngõ vào lấy từ khối giải điều chế OFDM, và tín hiệu ra sẽ đƣợc gửi đến khối giải điều chế và FEC. Tín hiệu trƣớc khi phát đã đƣợc khối mã hóa theo không gian và thời gian tách ra thành hai luồng và chia phân cho hai anten phát, khối giải ðiều chế và kết hợp theo không gian- thời gian này sẽ làm chức nãng kết hợp các tín hiệu từ hai anten lại với nhau ðể tạo ra luồng dữ liệu ban ðầu và ðồng thời khối này cũng có chức nãng loại bỏ các tín hiệu dẫn ðýờng DC.
5.3.8 Giản đồ hiển thị các điểm chòm sao
Hình 5.16: Khối hiển thị chòm sao
Khối này có chức năng hiển thị chòm sao của tín hiệu điều chế. Khối giản đồ hiển thị hiển thị các điểm trên chòm sao và cho biết đặc tính điều chế. Khối hiển thị
Chương 5: Mô phỏng hệ thống WiMAX
có một ngõ vào. Tín hiệu ngõ vào phải là tín hiệu phức và sẽ đƣợc biểu diễn trên sơ đồ chòm sao các tín hiệu và pha.
5.3.9 Khối giải điều chế và FEC
Hình 5.17: Sơ đồ khối giải điều chế FEC
Tín hiệu đƣa đến khối giải điều chế để lấy lại các thông tin ban đầu. Khối này có các chức năng ngƣợc lại với khối điều chế. Trong khối này tín hiệu sẽ đƣợc giải điều chế theo các kỹ thuật của bên phát, nhƣ là giải điều chế BPSK ½, giải điều chế QPSK ½, giải điều chế QPSK ¾, giải điều chế 16QAM ½, giải điều chế 16QAM ¾, giải điều chế 64 QAM 2/3 và giải điều chế 64 QAM ¾. Tín hiệu tại ngõ vào sẽ đƣợc kết hợp với xung cơ sở để đƣa đến các kỹ thuật giải điều chế tƣơng ứng. Việc chọn khối nào để thực hiện giải điều chế phụ thuộc vào thông số Rate ID.
Hình 5.18: Khối giải mã FEC sử dụng QPSK
Trong khối giải điều chế này có sử dụng kỹ thuật giải mã Viterbi, khối này đƣợc sử dụng để giải mã ngƣợc lại với khối mã hóa xoắn bên phía phát. Khối giải mã RS cũng đƣợc sử dụng để giải mã tín hiệu, nhằm tách tín hiệu ra khỏi các đa thức sinh. Ngoài ra trong bộ giải điều chế có sử dụng thêm khối điều chế, khối điều chế này có mục đích điều chế lại tín hiệu rồi đƣa qua các khối tạo tạo SNR và tính tốc độ bit.
Chương 5: Mô phỏng hệ thống WiMAX
5.3.10 Khối Rate ID
Hình 5.19: Khối chọn kỹ thuật điều chế
Khối này cho biết tín hiệu điều chế và giải điều chế sẽ thực hiện theo kỹ thuật nào. Các giá trị của tham số Rate ID do quá trình ƣớc lƣợng tín hiệu nhận đƣợc bên phía thu mà sẽ lựa chọn cho phù hợp. Nếu tỷ số SNR càng lớn thì sẽ sử dụng kỹ thuật điều chế có tốc độ bit càng cao và ngƣợc lại khi SNR nhỏ sẽ chọn các kỹ thuật điều chế có tốc độ bit thấp hơn. Điều này phù hợp với đặc tính linh hoạt của hệ thống WiMAX đã trình bày ở chƣơng 1. Các kỹ thuật điều chế đƣợc sử dụng theo bảng sau:
Bảng 5.3 Tham số Rate ID và kỹ thuật điều chế
Rate ID Kỹ thuật điều chế và giải điều chế
0 BPSK 1/2 1 QPSK 1/2 2 QPSK 3/4 3 16 QAM 1/2 4 16 QAM 3/4 5 64 QAM 2/3 6 64 QAM 3/4 5.4 Kết quả mô phỏng
Trong chƣơng trình mô phỏng sử dụng nhiều kỹ thuật điều chế, các kỹ thuật này sẽ phụ thuộc vào thông số SNR mà hệ thống sẽ tự chọn kỹ thuật điều chế cho phù hợp. Các kết quả dƣới đây thu đƣợc khi sử dụng tỷ số SNR= 21dB điều này tƣơng ứng với việc chƣơng trình thực hiện kỹ thuật điều chế 64-QAM 2/3.
5.4.1 Sơ đồ chòm sao của tín hiệu sau khi điều chế ở bên phát (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Tín hiệu đƣợc điều chế theo kỹ thuật 64-QAM 2/3 nên trên sơ đồ chòm sao sẽ đƣợc hiển thị 64 điểm. Ứng với mỗi điểm sẽ có biên độ và pha khác với tất cả các điểm khác. Và vì dùng kỹ thuật 64 QAM nên ứng với mỗi điểm sẽ đƣợc biểu diễn là 6 bit.
Chương 5: Mô phỏng hệ thống WiMAX
Hình 5.20: Sơ đồ chòm sao của tín hiệu phát
5.4.2 Sơ đồ chòm sao của tín hiệu trƣớc khi giải điều chế ở bên thu
Hình 5.21: Sơ đồ chòm sao của tín hiệu bên phía thu trƣớc khi giải điều chế Ta nhận thấy trên sơ đồ chòm sao các tín hiệu bị ảnh hƣởng bởi nhiễu của môi trƣờng truyền nên các điểm không còn đúng vị trí nhƣ ở bên phía phát nữa, các tín hiệu bị lệch xung quanh của vị trí điểm ban đầu, điều này cho thấy nhiễu của môi trƣờng truyền đã là ảnh hƣởng đến biên độ và pha của tín hiệu phát.
Khi ta tăng tỷ số SNR lên càng lớn thì bên phía thu sự sai lệch các tín hiệu càng giảm, điều này cũng cho thấy khi nhiễu không còn ảnh hƣởng nhiều thì tín hiệu sẽ càng trở nên chính xác hơn. Tuy nhiên trong thực tế, nhiễu trong hệ thống vô tuyến
Chương 5: Mô phỏng hệ thống WiMAX
là luôn tồn tại và ngƣời khai thác hệ thống vô tuyến sẽ luôn phải tìm cách hạn chế chứ không thể triệt nhiễu đƣợc hoàn toàn.
5.4.3 Phổ của tín hiệu trên anten phát thứ nhất và anten thứ hai
Phổ của tín hiệu OFDM là tổng của phổ tín hiệu trên từng sóng mang phụ. Khi hai sƣờn của phổ tín hiệu càng dốc thì hiệu suất phổ của tín hiệu càng tăng và đồng thời cũng làm cho giảm hiện tƣợng nhiễu xuyên kênh với các hệ thống khác.
Hình 5.22: Phổ tín hiệu OFDM trên anten phát thứ nhất
Chương 5: Mô phỏng hệ thống WiMAX
5.4.4 Phổ của tín hiệu OFDM nhận về ở bên phía thu
Hình 5.24: Phổ của tín hiệu OFDM nhận đƣợc bên phía thu
So sánh phổ của tín hiệu bên phát thì phổ của tín hiệu nhận đƣợc ở bên phía thu có biên độ nhỏ và đồng thời công suất cũng bị giảm đi.
5.4.5 Tỷ số BER của hệ thống
Hình 5.25: Tỷ số BER của hệ thống
Trên hình 5.4.5 biểu diễn tỷ số BER của hệ thống với tỷ số SNR cho thấy tỷ số BER trung bình của hệ thống giảm dần khi tỷ số SNR tăng. Với hệ thống WiMAX đang sử dụng nhiều kỹ thuật điều chế nên tỷ số BER tại từng thời điểm tƣơng ứng với các cách điều chế khác nhau.
Chương 5: Mô phỏng hệ thống WiMAX
Tùy thuộc vào tỷ lệ SNR mà hệ thống lựa chọn dạng điều chế để cho tỷ lệ BER tốt nhất. Bảng 5.4 cho biết các phƣơng pháp đƣợc điều chế tùy theo tỷ số SNR của môi trƣờng truyền. Bảng 5.4 Tỷ số SNR và phƣơng pháp điều chế Tỷ số SNR Dạng điều chế 0-2 BPSK 1/2 3-8 QPSK 1/2 9-10 QPSK 3/4 11-17 16-QAM 1/2 18-20 16-QAM 3/4 21-26 64-QAM 2/3 27 64-QAM 3/4
Tỷ số SNR tƣơng ứng từng phƣơng pháp điều chế đƣợc minh họa lần lƣợt trong các hình sau:
Chương 5: Mô phỏng hệ thống WiMAX
Hình 5.27: Tỷ số SNR=5
Hình 5.28: Tỷ số SNR=9
Chương 5: Mô phỏng hệ thống WiMAX
Hình 5.30: Tỷ số SNR=19
Hình 5.31: Tỷ số SNR=24
Chương 5: Mô phỏng hệ thống WiMAX
Các hình trên cho thấy, tùy thuộc vào tỷ số SNR mà hệ thống WiMAX có thể đƣa ra phƣơng pháp điều chế cho phù hợp. Các phƣơng pháp điều chế càng cao thì tốc độ dữ liệu phát thu trong hệ thống càng lớn, ngƣợc lại thì tốc độ truyền cho phép của hệ thống thấp hơn.
Đối với các kỹ thuật điều chế giống nhau nhƣ hình 5.27 và hình 5.28 thì cùng sử dụng dạng điều chế là QPSK, tuy nhiên khi điều chế với tốc độ mã hóa lớn hơn thì ảnh hƣởng của nhiễu giảm đáng kể, tín hiệu nhận đƣợc có sự sai lệch ít hơn. Tƣơng tự nhƣ vậy các kỹ thuật 16 QAM, 64 QAM khi đƣợc mã hóa với tốc độ càng cao thì tín hiệu nhận đƣợc càng chính xác. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển
Chƣơng 6
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 Kết luận
Sau một thời gian tìm hiểu nhóm thực hiện đã hoàn thành đƣợc đề tài: “ Tìm hiểu kỹ thuật OFDM trong WiMAX”. Qua quá trình thực hiện nhóm nhận thấy đƣợc những ƣu điểm vƣợt trội trong WiMAX nhƣ về khoảng cách truyền (50km) và tốc độ truyền (70Mbps), chất lƣợng dịch vụ đƣợc thiết lập cho từng kết nối, bảo mật tốt, sử dụng trên nhiều dãi tần số. Trong thời gian cho phép và điều kiện hiện có, nhóm thực hiện đề tài tìm hiểu đƣợc những vấn đề sau:
- Các chuẩn của WiMAX cũng nhƣ cách thức hoạt động của hệ thống thông tin vô tuyến này.
- Trình bày những khái niệm cơ bản, ƣu nhƣợc điểm, nguyên lý điều chế và giải điều chế của kỹ thuật điều chế OFDM, và những ứng dụng của kỹ thuật này trong WiMAX.
- Trình bày về những khái niệm cơ bản, các đặc điểm và tính chất nổi bật của kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần trực giao OFDMA. Qua đó có thể thấy đƣợc những ƣu điểm của kỹ thuật này trong việc xử lý, truyền nhận tín hiệu nói chung và ứng dụng trong công nghệ WiMAX nói riêng.
- Thực hiện chƣơng trình mô phỏng tín hiệu trong WiMAX dựa trên kỹ thuật điều chế OFDM. Đây là chƣơng trình đƣợc viết bằng Matlab, chƣơng trình bao gồm sơ đồ khối mô phỏng sự phát và thu sử dụng phƣơng pháp phân tập trong không gian và thời gian của hệ thống MISO, mô phỏng kênh truyền, tính BER, so sánh từng dạng phƣơng pháp điều chế (BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM) ứng với từng tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR, sơ đồ khối mô phỏng hệ thống WiMAX bằng simulink trong Matlab.
Tuy nhiên do một số vấn đề còn hạn chế và cũng là công nghệ mới nên nó chƣa đƣợc ứng dụng rộng rãi. Ở Việt Nam công nghệ này đang đƣợc các công ty viễn thông tổ chức nghiên cứu và triển khai thí điểm ở một số nơi nhƣ Lào Cai.
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển
6.2 Hƣớng phát triển
Nghiên cứu về công nghệ WiMAX là một quá trình lâu dài về cả lý thuyết và thực nghiệm. Trên cơ sở những nội dung đã trình bày, nhóm thực hiện đƣa ra hƣớng phát triển tiếp theo của đề tài là:
Thứ nhất, Tìm hiểu sâu hơn về vấn đề bảo mật trong WiMAX.
Thứ hai, hoàn thiện phần mô phỏng trong hệ thống MIMO để nêu bật đƣợc ƣu
điểm của công nghệ WiMAX.
Thứ ba, tìm hiểu nghiên cứu về quy hoạch mạng WiMAX.
PHẦN B: PHỤ LỤC VÀ TÀI LIỆU THAM KHẢO
Phụ lục
PHỤ LỤC A:
SƠ ĐỒ KHỐI BÊN PHÁT
Hình 7.1 Sơ đồ khối FEC và điều chế
Phụ lục
Hình 7.3 Khối điều chế QPSK tốc độ mã hóa ½
Hình 7.4 Khối điều chế QPSK tốc độ mã hóa ¾
Hình 7.5 Khối điều chế 16 QAM ½
Hình 7.6 Khối điều chế 16 QAM ¾
Phụ lục
Hình 7.8 Khối điều chế 64 QAM ¾
Hình 7.9 Sơ đồ khối chèn tín hiệu pilot và tạo gói dữ liệu
Phụ lục (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 7.11 Sơ đồ khối phát OFDM thứ 1
Phụ lục
PHỤ LỤC B:
SƠ ĐỒ KHỐI BÊN THU
Hình 7.13 Khối nhận OFDM
Hình 7.14 Khối kết hợp không gian và thời gian
Phụ lục
Hình 7.16 Khối giải điều chế FEC
Phụ lục
Hình 7.18 Khối giải điều chế QPSK tốc độ mã hóa ½
Hình 7.19 Khối giải điều chế QPSK tốc độ mã hóa ¾
Hình 7.20 Khối giải điều chế 16 QAM tốc độ mã hóa ½
Phụ lục
Hình 7.22 Khối giải điều chế 64 QAM tốc độ mã hóa 2/3
Tài liệu tham khảo
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Nguyễn Văn Đức - Bộ sách kỹ thuật thông tin số, NXB Khoa học kỹ thuật, 2006.
[2]. Amalia Roca – Implementation of a WiMAX simulator in Simulink, 2007 [3]. Jeffrey G. Andrews, Arunabha Ghosh, Rias Muhamed – Fundamentals of
WiMAX Understanding Broadband Wireless Networking, Prentice Hall
Communications Engineering and Emeging Technologies Series, 2007.
[4]. Maode Ma – Current Technology Developments of WiMAX Systems, Nanyang Techological University, 2009.
[5]. Mohammad Azizul Hasan - Performance Evaluation of WiMAX/IEEE 802.16
OFDM Physical Layer, Department of Electrical and Communications
Enginerring Communications Laboratory, 2007.
[6]. Ramjee Prasad – OFDM for Wireless Communications Systems, Artech house, Inc, 2004
[7]. Syed Ahson, Mohammad Ilyas - WiMAX Standards and Security, CRC Taylo & Francis Group, LLC, 2008.
[8]. Syed Ahson and Mohammad Ilyas – WiMAX Technologies, Performance Analysis and QoS, CRC Taylo & Francis Group, LLC, 2007.
[9]. Syed Ahson and Mohammad Ilyas – WiMAX Applicatins, CRC Taylo & Francis Group, LLC, 2007.