Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật OFDM trong WiMAX TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: KỸ THUẬT OFDM TRONG WIMAX Người hướng dẫn : ThS. Đặng Thái Sơn Sinh viên thực hiện : Nguyễn Văn Quỳnh Lớp : 48k- ĐTVT Mã số sinh viên : 0751080455 Niên khóa : 2007 - 2012 NGHỆ AN- 01/2012 GVHD: TH.S Đặng Thái Sơn SVTH: Nguyễn Văn Quỳnh 1 Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật OFDM trong WiMAX MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU …………………………………………….…………………….….5 TÓM TẮT ĐỒ ÁN …………………………………………………………………7 MỤC LỤC CÁC HÌNH VẼ …….……………………………….……………… 8 CÁC TỪ VIẾT TẮT TRONG ĐỒ ÁN ………… …………………………… …10 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX………….…………….12 1.1 Khái niệm …….………………………………………………………….12 1.2 Các chuẩn của WiMAX …………………………………………………13 1.2.1. Chuẩn IEEE 802.16 – 2001 ……………………………………13 1.2.2. Chuẩn IEEE 802.16a ………………………………………… 13 1.2.3. Chuẩn IEEE 802.16 – 2004 ……………………………………14 1.2.4 Chuẩn IEEE 802.16e ………………………………………… 14 1.3 Đặc điểm …………………………………………………………………16 1.4 Mô hình hệ thống ………….…………………………………………….18 1.5 Các ưu và nhược điểm của công nghệ WiMAX …………………………21 1.5.1 Một số ưu điểm chính của công nghệ WiMAX ………………….21 1.5.1.1 Lớp vật lí của WiMAX dựa trên nền kĩ thuật OFDM (ghép kênh phân tần trực giao) …………………… 21 1.5.1.2 Hệ thống WiMAX có công suất cao ……… .……… 21 1.5.1.3 Lớp MAC dựa trên nền OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access- truy nhập OFDM) …… .22 1.5.1.4 Chuẩn cho truy cập vô tuyến cố định và di động tương lai ………………………………………………………… .………22 1.5.1.5 Chi phí thấp …………………………………………… 22 1.5.2 Một số nhược điểm của công nghệ WiMAX ……………… 23 1.6 Phổ WiMAX ……………………………………………………… 23 1.6.1 Băng tần đăng ký …………………………………………… .24 1.6.1.1 Băng tần đăng ký 2,5 GHz ……………………………24 1.6.1.2. Băng tần đăng ký 3,5 GHz …… .…………………….24 1.6.2. Băng tần không đăng ký 5GHz ………… ……………… 24 GVHD: TH.S Đặng Thái Sơn SVTH: Nguyễn Văn Quỳnh 2 Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật OFDM trong WiMAX 1.7 Ứng dụng của WiMAX ………………………………………………25 1.7.1 Các mạng riêng ……………………………………………….25 1.7.1.1 Chuyển về các nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến …….… 26 1.7.1.2 Các mạng giáo dục …………………………………… 26 1.7.1.3 An ninh công cộng …………………………………… .28 1.7.1.4 Các phương tiện liên lạc xa bờ ………………….…… .29 1.7.2 Các mạng công cộng …………………………………………30 1.7.2.1 Nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến truy cập mạng ……… .30 1.7.2.2 Kết nối nông thôn …………………………………… 32 1.8 Tình hình triển khai WiMAX ……………………………………… 32 1.8.1. Tình hình triển khai WiMAX trên thế giới ………………… 32 1.8.2. Tình hình triển khai WiMAX thử nghiệm tại Việt Nam ….….33 CHƯƠNG II KIẾN TRÚC MẠNG TRUY CẬP WIMAX … …………….34 2.1 Mô hình tham chiếu ………………. ………………………………… 34 2.2 Lớp MAC …………………………………………………………… 35 2.2.1 Lớp con hội tụ MAC ……………………………………… .35 2.2.2 Lớp con phần chung MAC ………………………………… 35 2.2.2.1 Địa chỉ và kết nối ………………………………………….35 2.2.2.2 Các định dạng MAC PDU ……………………………… .36 2.2.2.3 Xây dựng và truyền các MAC PDU ………………………36 2.2.2.4 Cơ cấu ARQ …………………………………………… 36 2.2.2.5 Truy nhập kênh và QoS ……………………………… .37 2.2.2.6. Các cơ cấu yêu cầu và cấp phát dải thông ……………… 37 2.2.2.7. Hỗ trợ PHY ……………………………………………….38 2.2.2.8. Vào mạng …………………………….………………… .39 2.2.3 Lớp con bảo mật ……………………………….……………….40 2.3 Lớp vật lý …………………………………………… … …….… 40 2.3.1 Đặc tả WirelessMAN-SC PHY …………………….……….….40 2.3.2 Đặc tả PHY WirelessMAN-SCa ……………………………….41 2.3.3 Đặc tả PHY WirelessMAN-OFDM ……………………… … 41 2.3.3.1 Đặc điểm ……………………………………………… 41 2.3.3.2. GVHD: TH.S Đặng Thái Sơn SVTH: Nguyễn Văn Quỳnh 3 Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật OFDM trong WiMAX Symbol OFDM………………………………………….42 2.3.3.3. Cấu trúc khung …………………………………………43 2.3.4 Đặc tả PHY WirelessMAN- OFDMA ……………………………45 2.3.4.1. Symbol OFDMA ……………………………………….45 2.3.4.2. Đặc điểm ……………………………………………… 45 2.3.4.3 Cấu trúc khung ……………….………………………….46 2.3.5 Lớp con hội tụ truyền dẫn TC …………….…………………… 47 CHƯƠNG III KỸ THUẬT OFDM ……………………………………… 49 3.1 Khái niệm …………………………………………… 49 3.2 Các nguyên lý cơ bản của OFDM …………………………………….50 3.2.1 Đa sóng mang (Multicarrier) ………………… .55 3.2.2 Sự trực giao (Orthogonal) …………………………………… .56 3.2.3 Thuật toán IFFT tạo tín hiệu OFDM ………………………….58 3.3 Đặc tính kênh truyền vô tuyến trong hệ thống OFDM ……………….59 3.3.1 Sự suy giảm tín hiệu (Attenuation) ……………………………59 3.3.2 Hiệu ứng đa đường …………………………………………….60 3.3.3 Nhiễu liên ký tự ISI ……………………………………………63 3.3.4 Nhiễu liên sóng mang ICI …………………………………… 64 3.3.5 Khoảng bảo vệ …………………………………………………65 3.4 Giới hạn băng thông của OFDM ……………………………………67 3.4.1 Lọc băng thông ………………………………………………68 3.4.2 Ảnh hưởng của lọc băng thông tới chỉ tiêu kỹ thuật OFDM 69 3.4.3 Mô tả toán học của OFDM ……………………………… 69 3.4.4 OFDM đa đường dẫn và hiệu quả quang phổ …….… 72 3.5 Ưu điểm và nhược điểm của OFDM …………………………………73 3.5.1 Ưu điểm ……………………… …………………………… 73 3.5.2 Nhược điểm…………………………………………………….74 3.6 Công nghệ OFDM cho việc truyền dẫn vô tuyến ở mạng WiMax ….74 CHƯƠNG IV CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG OFDM…… .78 4.1 Mô phỏng hệ thống OFDM bằng Simulimk ………………………….78 4.2 Một số lưu đồ thuật toán của chương trình ……………………… .…81 GVHD: TH.S Đặng Thái Sơn SVTH: Nguyễn Văn Quỳnh 4 Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật OFDM trong WiMAX 4.2.1 Lưu đồ mô phỏng kênh truyền ………………… 81 4.2.2 Lưu đồ mô phỏng thu phát tín hiệu OFDM………………….82 4.2.3 Lưu đồ mô phỏng thu phát tín hiệu QAM ………………… 83 4.2.4 Lưu đồ mô phỏng thuật toán tính BER ……………….…… 85 4.3 So sánh tín hiệu QAM với OFDM ……………………………………86 KẾT LUẬN ……………………………………… …………………………….88 TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………… 90 GVHD: TH.S Đặng Thái Sơn SVTH: Nguyễn Văn Quỳnh 5 Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật OFDM trong WiMAX L I NÓI UỜ ĐẦ Trong những năm gần đây,công nghệ thông tin đã chứng kiến sự bùng nổ của nền công nghiệp mạng không dây. Khả năng liên lạc không dây đã gần như tất yếu trong các thiết bị cầm tay, máy tính xách tay, điện thoại di động và các thiết bị số khác. Với các tính năng ưu việt về vùng phục vụ kết nối linh động, khả năng triển khai nhanh chóng, giá thành ngày càng giảm. Xu hướng kết nối không dây/vô tuyến ngày càng trở nên phổ cập trong kết nối mạng máy tính. Với chiều hướng giá thành của máy tính xách tay ngày càng giảm và nhu cầu truy nhập Internet ngày càng tăng, tại các nước phát triển các dịch vụ truy nhập Internet không dây đã trở nên phổ cập, chúng ta có thể ngồi trong tiền sảnh của một khách sạn và truy nhập Internet từ máy tính xách tay của mình một cách dễ dàng thông qua kết nối không dây và công nghệ dịch chuyển địa chỉ IP. Công nghệ hiện tại đã đem đến Bluetooth kết nối không dây, Wi-Fi truy xuất Internet không dây, điện thoại di động . Nhưng bên cạnh ưu điểm, công nghệ kết nối không dây hiện nay còn hạn chế và chưa thật sự liên thông với nhau. Vấn đề chính với truy nhập WiFi đó là các hotspot thì rất nhỏ, vì vậy phủ sóng rải rác. Cần có một hệ thống không dây mà cung cấp tốc độ băng rộng cao khả năng phủ sóng lớn hơn. Đó chính là WiMAX(Worldwide Interoperability Microwave Access). Nó cũng được biết đến như là IEEE 802.16. WiMAX là một công nghệ dựa trên nền tảng một chuẩn tiến hóa cho mạng không dây điểm- đa điểm. Là giải pháp cho mạng đô thị không dây băng rộng với phạm vi phủ sóng tới 50km và tốc độ bit lên tới 75Mbps với kênh 20MHz, bán kính cell từ 2-9km. Chuẩn được thiết kế mới hoàn toàn với mục tiêu cung cấp những trục kết nối trực tiếp trong mạng nội thị (Metropolitan Area Network-MAN) đạt băng thông tương đương cáp, DSL, trục T1 phổ biến hiện nay.Công nghệ WiMax đang là xu hướng mới cho các tiêu chuẩn giao diện vô tuyến trong việc truy nhập không dây băng thông rộng cho cả thiết bị cố định, xách tay và di động. Chất lượng dịch vụ được thiết lập cho từng kết nối, an ninh tốt, hỗ trợ multicast cũng như di động, sử dụng cả phổ tần cấp phép và không được cấp phép. WiMax thực sự đang được các nhà cung cấp dịch vụ cũng như các nhà sản xuất quan tâm. GVHD: TH.S Đặng Thái Sơn SVTH: Nguyễn Văn Quỳnh 6 Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật OFDM trong WiMAX WiMax được phát triển dựa trên nền tảng công nghệ ghép kênh chia theo tần số trực giao. Lợi ích của WiMax là khả năng ghép kênh cao, vì thế các nhà cung cấp dịch vụ có thể dễ dàng cung cấp cho khách hàng dịch vụ truy nhập không dây. Khả năng họat động NLOS. Em xin chân thành cảm ơn TH.S Đặng Thái Sơn đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành đồ án này. Sinh viên thực hiện Nguyễn Văn Quỳnh GVHD: TH.S Đặng Thái Sơn SVTH: Nguyễn Văn Quỳnh 7 Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật OFDM trong WiMAX TÓM TẮT ĐỒ ÁN Nội dung đồ án gồm có 4 chương chính sau: CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX Trong chương 1 sẽ giới thiệu tổng quan về công nghệ WiMAX,về khái niệm, đặc điểm,các chuẩn và mô hình hệ thống của WiMAX. Qua đó cho ta thấy được một các tổng quan về WiMAX và cho ta thấy được ưu và nhược điểm của công nghệ này. Trong chương này cũng cho thấy được ứng dụng của WiMAX và tình hình triển khai của nó trên thế giới và thử nghiệm tại Việt Nam. CHƯƠNH II : KIẾN TRÚC MẠNG TRUY CẬP WIMAX Trong chương này sẽ đi sâu nghiên cứu vào kiến trúc của WiMAX. Trong chương này sẽ nghiên cứu cụ thể từng lớp trong WiMAX và các công nghệ được sử dụng trong nó. Đặc biệt là công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM. CHƯƠNG III : KỸ THUẬT OFDM Trong chương này sẽ nêu khái niệm, các nguyên lý cơ bản của OFDM. Giới thiệu đặc tính kênh truyền vô tuyến,giới hạn băng thông của OFDM. Qua đó cho ta thấy được những ưu điểm và nhược điểm của kỹ thuật này. CHƯƠNG IV: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG OFDM Trong chương cuối cùng này sẽ trình bày mô phỏng quá trình xử lý tín hiệu trong WiMAX thông qua việc mô phỏng hệ thống OFDM bằng simulink của Matlab, với những phạm vi để hiện thị tín hiệu giúp cho việc phân tích đánh giá tác động của kênh truyền đến tín hiệu, tác dụng của bộ ước lượng và bù kênh. GVHD: TH.S Đặng Thái Sơn SVTH: Nguyễn Văn Quỳnh 8 Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật OFDM trong WiMAX MỤC LỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mô hình hệ thống WiMAX …………………………………………….20 Hình 1.2 Miền Fresnel trong trường hợp LOS ………………………………… 21 Hình 1.3 Truyền sóng trong trường hợp NLOS ………………………… .22 Hình 1.4 Minh hoạ chuyển về nhà cung cấp dịch vụ ……………………… .… 26 Hình 1.5 Minh hoạ về mạng giáo dục ………………………………………… .27 Hình 1.6 Minh hoạ về mạng an ninh công cộng ……………………… …… ….28 Hình 1.7 Minh hoạ về mạng liên lạc xa bờ …………………………………… .30 Hình 1.8 Minh hoạ về mạng WiMAX của nhà cung cấp dịch vụ …………… 31 Hình 1.9 Minh hoạ về mạng WiMAX cho kết nối ở vùng nông thôn ………… 32 Hình 2.1. Mô hình tham chiếu ………………………………………………… 34 Hình 2.2. Các định dạng MAC PDU …………………………………………… .36 Hình 2.3. Cấu trúc thời gian symbol OFDM …………………………………… .43 Hình 2.4. Mô tả symbol OFDM miền tần số …………………………………… .43 Hình 2.5. Cấu trúc khung OFDM với TDD ……………………………………….44 Hình 2.6. Cấu trúc thời gian symbol OFDMA …………………………………….45 Hình 2.7. Mô tả tần số OFDMA (ví dụ với lược đồ 3 kênh con) ……………… .46 Hình 2.8. Phân bố thời gian-khung TDD (chỉ với miền bắt buộc) …………….….47 Hình 2.9. Định dạng TC PDU ……………………………………………….…….48 Hình 3.1: So sánh giữa FDMA và OFDM ………………………….………… 49 Hình 3.2 Tín hiệu và phổ OFDM ……………………………………….……… 50 Hình 3.3: So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a) và kỹ thuật sóng mang chồng xung (b) …………………………………………………………………….51 Hình 3.4: Sơ đồ hệ thống OFDM ……………………………………………… .52 Hình 3.5 Sơ đồ hệ thống OFDM cơ bản ……………………………………….….53 Hình 3.6 Sắp xếp tần số trong hệ thống OFDM ………………………… .54 Hình 3.7 Symbol OFDM với 4 subscriber ……………………………………… .54 Hình 3.8: Phổ của sóng mang con OFDM ……………………………………… .55 Hình 3.9 Sự tạo ra tín hiệu OFDM ……………………………………… .55 Hình 3.10 FDM thông thường và OFDM …………………………………………56 Hình 3.11 Tích của hai vectơ trực giao bằng 0 …………………………… .….…57 GVHD: TH.S Đặng Thái Sơn SVTH: Nguyễn Văn Quỳnh 9 Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật OFDM trong WiMAX Hình 3.12 Tích phân của hai sóng sin khác tần số …………………………… .57 Hình3.13 Tích phân của 2 sóng sin cùng tần số ………………….……………….58 Hình 3.14 khôi phục lại phổ tín hiệu ban đầu khi dùng liên tiếp IFFT và FFT……………………………………………………………….……….……… 59 Hình 3.15 Ảnh hưởng của môi trường vô tuyến ……………….……………… .60 Hình 3.16 Tín hiệu đa đường ……………………………… ………………… .60 Hình 3.17 Fading Rayleigh khi thiết bị di động di chuyển (ở tần số 900 MHz) …………………………………………………………………………………… .61 Hình 3.18:Trải trể đa đường ………………………….………………………… 62 Hình 3.19: OFDM có khoảng bảo vệ và không có khoảng bảo vệ ……… 67 Hình 3.20 Phổ của tín hiệu OFDM gồm 52 tải phụ không có hạn chế băng thông…………………………………………………………………….………….68 Hình 3.21. Đa đường dẫn trong các điều kiện kết nối NOLS …………………… 72 Hình 3.22 Cấu trúc Symbol OFDM, ISI và khoảng bảo vệ……………… 73 Hình3.23 Trực giao sub-carrier OFDM trong miền tần số …………….…………73 Hình 3.24 Suy giảm tín hiệu theo khoảng cách ……………………….… 75 Hình 4.1 Sơ đồ khối bộ phát và thu tín hiệu OFDM …………………….…….… 78 Hình 4.2 Phổ tín hiệu OFDM truyền …………………………………….…….… 79 Hình 4.3 Phổ tín hiệu OFDM nhận ……………………………………… 79 Hình 4.4 Dạng sóng tín hiệu OFDM truyền …………………………… …….….80 Hình 4.5 Dạng sóng tín hiệu OFDM nhận ……………………………… 80 Hình 4.6 Chòm sao QPSK trước CE ………………………………………………80 Hình 4.7 Chòm sao QPSK sau CE ……………………………………… 80 Hình 4.8 Lưu đồ mô phỏng kênh truyền ……………………………… ……… 81 Hình 4.9 Lưu đồ mô phỏng phát ký tự OFDM ………………………… .82 Hình 10 Lưu đồ mô phỏng thu ký tự OFDM …………………………… 82 Hình 4.11 Lưu đồ mô phỏng phát tín hiệu QAM ……………………….……… .83 Hình 4.12 Lưu đồ mô phỏng thu tín hiệu QAM ……………………… ……… .84 Hình 4.13 Lưu đồ mô phỏng thuật toán tính BER …………………… ……… 85 Hình 4.14 Tín hiệu QAM và OFDM phát ở miền tần số …………… ………….86 Hinh 4.15 Tín hiệu QAM và OFDM thu ở miền tần số …………….….……… .86 GVHD: TH.S Đặng Thái Sơn SVTH: Nguyễn Văn Quỳnh 10 . Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật OFDM trong WiMAX TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: KỸ THUẬT OFDM TRONG WIMAX Người. ………… ……………… 24 GVHD: TH.S Đặng Thái Sơn SVTH: Nguyễn Văn Quỳnh 2 Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật OFDM trong WiMAX 1.7 Ứng dụng của WiMAX ………………………………………………25 1.7.1 Các mạng