ĐAVT GVHD: Võ Thị Hương
LỜI GIỚI THIỆU
*****
Sự ra đời của chuẩn 802.16 cho mạng WiMAX (Worldwide Interoperability for
Microwave Access - Khả năng tương tác toàn cầu với truy nhập vi ba) nó đánh dấu
sự bắt đầu cho một kỷ nguyên truy nhập không dây băng rộng cố định đang đến giai
đoạn phát triển. Nó mang đến những thách thức lớn cho mạng hữu tuyến hiện tại vì
nó có một chi phí thấp khi lắp đặt và bảo trì. Chuẩn này cũng áp dụng cho mạng
truyền thông vô tuyến đường dài (lên tới 50km) trong thực tế và có thể sẽ là một sự
bổ sung hoặc thay thế cho mạng 3G. Tất cả những đặc tính đầy hứa hẹn này của
WiMAX sẽ mang lại một thị trường lớn trong tương lai.
Xuất phát từ những vấn đề nêu trên, em đã lựa chọn đề tài :
“WIMAX VÀ KỸ THUẬT OFDM TRONG WIMAX “
Nội dung báo cáo đồ án gồm :
Chương 1: Tổng quan về công nghệ WiMAX
Chương 2: Tổng quan về Kĩ thuật OFDM
Chương 3 : Ảnh hưởng của nhiễu trong WIMAX và các biện pháp khắc phục
Chương 4 : Ảnh hưởng của kênh vô tuyến đến truyền dẫn tín hiệu
Trong quá trình làm đề tài , chúng em đã cố gắng song do kiến thức hạn chế nên
không thể tránh khỏi những thiếu sót; chúng em rất mong nhận được sự thông cảm ,
phê bình , hướng dẫn tận tình của Cô và sự giúp đỡ của bạn bè .
Chúng em xin chân thành cảm ơn cô Võ Thị Hương đã hướng dẫn và các
bạn lớp học phần 10ĐAKTVT02 đã giúp đỡ chúng em trong quá trình hoàn thành
đồ án này .
*****
SVTH :THANH BÌNH –DUY CẬN :09LTĐT
ĐAVT GVHD: Võ Thị Hương
MỤC LỤC
Chương 1: Tổng quan về công nghệ WIMAX.............................................1
1.1 Giới thiệu chương.................................................................................................1
Chương 2 : Tổng quan về kỹ thuật OFDM ................................................22
2.1 Giới thiệu chương ..............................................................................................22
2.2 Khái niệm OFDM...............................................................................................23
2.3 So sánh FDM và OFDM.....................................................................................23
2.4 Tính trực giao......................................................................................................25
2.5 Cấu trúc OFDM...................................................................................................26
2.6 Sơ đồ khối của hệ thống OFDM.........................................................................27
2.6.1 Bộ chuển đổi nối tiếp song song......................................................................28
2.6.2 Mã hoá kênh và sắp xếp(Coding & Mapping) trong hệ thống OFDM............28
2.6.2.1 Mã hoá kênh..................................................................................................28
2.6.2.2 Ánh xạ ( Mapping ).......................................................................................29
2.6.3 Ứng dụng kĩ thuật IFFT/FFT trong OFDM.....................................................30
2.6.4 Tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix)..........................................................................32
2.6.5 Điều chế RF......................................................................................................33
2.7 Đồng bộ...............................................................................................................34
SVTH :THANH BÌNH –DUY CẬN :09LTĐT
ĐAVT GVHD: Võ Thị Hương
2.7.1 Đồng bộ kí tự...................................................................................................34
2.7.1.1 Lỗi thời gian..................................................................................................34
2.7.1.2 Nhiễu pha sóng mang....................................................................................35
2.7.2 Đồng bộ tần số sóng mang...............................................................................35
2.7.2.1 Lỗi tần số.......................................................................................................35
2.7.2.2 Ước lượng tần số...........................................................................................36
2.7.2.3 Nhận xét........................................................................................................36
2.7.3 Đồng bộ tần số lấy mẫu....................................................................................36
2.8 OFDM trong hệ thống.........................................................................................37
2.9 Ưu nhược điểm của hệ thống OFDM..................................................................38
2.9.1 Ưu điểm............................................................................................................38
2.9.2 Nhược điểm......................................................................................................39
2.10 Kết luận chương................................................................................................39
4.2.4 Trải doppler và thời gian kết hợp (Doppler spread and coherence time).........62
4.3 Mô hình đáp ứng xung của kênh fading..............................................................64
4.4 Phân bố Rayleigh và phân bố Ricean..................................................................66
4.4.1 Phân bố Rayleigh.............................................................................................66
4.4.2 Phân bố Ricean.................................................................................................68
4.5 Kết luận chương .................................................................................................69
.......................................................................................................................................
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WiMAX
SVTH :THANH BÌNH –DUY CẬN :09LTĐT
ĐAVT GVHD: Võ Thị Hương
1.1 Giới thiệu chương
Chương này giới thiệu về WiMax, lịch sử phát triển của chuẩn IEEE 802.16,
cấu trúc và các thông số kỹ thuật của chuẩn 802.16 OFDM, 802.16-2004 OFDMA ,
802.16e cũng như tìm hiểu một cách khái quát về lớp MAC và lớp PHY. Qua đó,
giúp người đọc hiểu được những ưu điểm và nhược điểm của Wimax so với các thế
hệ trước.
1.2 Khái niệm về WiMax
WiMax là một mạng không dây băng thông rộng viết tắt là Worldwide
Interoperability for Microwave Access. WiMax được thiết kế dựa vào tiêu chuẩn
IEEE 802.16. WiMax đã giải quyết tốt nhất những vấn đề khó khăn trong việc quản
lý đầu cuối.
WiMax sử dụng kỹ thuật sóng vô tuyến để kết nối các máy tính trong mạng
Internet thay vì dùng dây để kết nối như DSL hay cáp, modem. Trong Wimax, người
sử dụng có thể sử dụng trong phạm vi từ 3 đến 5 dặm so với trạm chủ (BS) nếu thiết
lập một đường dẫn công nghệ NLOS (Non-Line-Of-Sight) với tốc độ truyền dữ liệu
rất cao là 75Mbps. Còn nếu người sử dụng trong phạm vi lớn hơn 30 dặm so với trạm
chủ (BS) thì sẽ có anten sử dụng công nghệ LOS (Line-Of-Sight) với tốc độ truyền
dữ liệu gần bằng 280Mbps.
chuẩn này sử dụng phương thức điều chế SOFDMA (Scalable Orthogonal Frequency
Division Multiplexing), cho phép thực hiện các chức năng chuyển vùng(handover) và
chuyển mạng(roaming) nên có thể cung cấp đồng thời dịch vụ cố định, nomadic,
mang xách được (người sử dụng có thể di chuyển với tốc độ đi bộ), di động hạn chế
và di động.
IEEE 802.16 sử dụng ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM như là
phương pháp truyền cho kết nối NLOS. Tín hiệu OFDM được tạo từ nhiều sóng
SVTH :THANH BÌNH –DUY CẬN :09LTĐT
ĐAVT GVHD: Võ Thị Hương
mang trực giao và mỗi một sóng mang được điều chế số với tốc độ ký tự thấp.
WiMax có băng thông không phải là một hằng số mà thay đổi từ 1.25MHz đến
28MHz. Trong chuẩn IEEE 802.16-2004, một khác biệt có thể nhận thấy được giữa
hai phương pháp: OFDM và OFDMA. Trong chế độ OFDM thông thường, 200 sóng
mang đã có sẵn cho việc truyền dữ liệu và cả hai phương pháp song công TDD và
FDD đều được sử dụng. Còn đối với chế độ OFDMA, những thuê bao khác nhau có
thể được phục vụ đồng thời bởi việc cho mỗi thuê bao một nhóm sóng mang riêng
biệt để mang dữ liệu đến thuê bao đó. Số lượng sóng mang có thể tăng lên một cách
đáng kể. Chuẩn IEEE 802.16e là một chuẩn mở rộng của WiMax ở tần số 6 GHz với
mục đích ứng dụng trong di động . Lịch sử phát triển của các loại chuẩn IEEE 802.16
được cho trong hình sau. (Hình 2.2)
1.4 Giới thiệu chuẩn 802.16 OFDM
802.16 sử dụng kỹ thuật truy cập OFDM mà đã được sử dụng trong các hệ
thống khác như 802.11a. Những đặc điểm mới chính trong lớp PHY - quan hệ với
802.11a là: số sóng mang FFT dài hơn ( từ 64-FFT đến 256-FFT); thay đổi được
SVTH :THANH BÌNH –DUY CẬN :09LTĐT
Hình 1.1. Từ 802.11b tới 802.16e
ĐAVT GVHD: Võ Thị Hương
băng thông kênh và tần số lấy mẫu, và thay đổi được tỷ số của hai giá trị này; nhiều
người sử dụng được với một Tx burst; loại điều chế có thể thay đổi theo thời gian
trong khung; bốn thay cho hai giá trị khoảng bảo vệ cần thiết.
được điều chế - BPSK. (hình 2.4)
1.5 Chuẩn 802.16-2004 OFDMA
1.5.1 Giới thiệu chung
OFDMA mở rộng chức năng của OFDM bằng cách thêm vào đặc điểm đa truy
cập trong miền tần số. Điều này có nghĩa là băng thông được chia thành các khe cho
người sử dụng trong miền thời gian và miền tần số.
SVTH :THANH BÌNH –DUY CẬN :09LTĐT
Hình 1.3. Cấu trúc khung 802.16 OFDM
ĐAVT GVHD: Võ Thị Hương
Điểm khác với chuẩn FDMA là các sóng mang OFDMA cho các user khác
nhau là rất gần với nhau và cho phép các sóng mang vật lý có thể thay đổi từ symbol
này đến symbol khác.
Như vậy thật là khó khăn để thiết kế một máy thu với khoảng cách sóng mang
(subcarrier) thay đổi; các nhà sản xuất thì nghiên cứu để thực hiện các sự kết nối của
băng thông hệ thống và kích thước FFT để đưa ra khoảng cách sóng mang cố định.
Bảng dưới đây đưa ra sự thiết lập hợp lý cho các băng thông hệ thống và kích
cỡ FFT khác nhau.
Bảng 1.5. Tham số vật lý của OFDMA
SVTH :THANH BÌNH –DUY CẬN :09LTĐT
Hình 1.4. Sự so sánh OFDM và OFDMA
ĐAVT GVHD: Võ Thị Hương
1.5.2 Tổng quát về khung (Frame)
Hình vẽ dưới đây giới thiệu một cách khái quát về khung OFDMA.
Hình 1.5. Cấu trúc khung OFDMA
1.5.3 Các phần trong khung (Frame Parts)
UL và DL được tách ra bởi các khe hở: transmit transition gap(TTG) sau khung
con DL và receive transition gap(RTG) sau khung con UL.
Trong DL có 4 thành phần mà nó mang thông tin cho phép máy thu giải điều
chế tín hiệu : preamble, FCH, DL-MAP và UL-MAP.
Bốn thành phần này trong cấu trúc 802.16-2004 được sử dụng cho việc truyền
SVTH :THANH BÌNH –DUY CẬN :09LTĐT
ĐAVT GVHD: Võ Thị Hương
Hầu hết các đặc điểm được thêm vào lớp cao hơn( đặc biệt là lớp MAC và một
số đặc điểm như là roaming), nhưng cũng có những thay đổi ở lớp vật lý:
- Sự thay đổi quan trọng là 802.16e không chỉ cung cấp size FFT 2048 mà còn
thêm các size FFT khác(1024,512, và 128).
- Tất cả các thông số khác (N
used
, số subchannel...) sẽ thay đổi theo kích thước
FFT.
- Số nhóm subchannel bị giảm đi 3( số 0 ,2, và 4) cho size FFT 128 và 512.
- Nội dung FCH được thu ngắn lại đối với size FFT 128.
SVTH :THANH BÌNH –DUY CẬN :09LTĐT
SC SCa OFDM OFDMA
Frequency 10-66GHz 2-11GHz 2-11GHz 2-11GHz
Modulation
QPSK,
16QAM,
64QAM
BPSK,
QPSK,
16QAM,
64QAM,
256QAM
QPSK,
16QAM,
64QAM
QPSK,
16QAM,
64QAM
- Hệ số lấy mẫu 86/75,144/125, 316/275 và 57/50 đã thay bởi 28/25.
1.7 Lớp MAC và lớp PHY trong WIMAX
1.7.1 Giới thiệu chung
Hình 1.6. Khối giao thức
Mô hình của chuẩn IEEE 802.16 có 3 phần : khối người dùng (user), khối điều
khiển (control), khối quản lý (managerment) như trong hình 2.7.
Tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004 liên quan đến khối người dùng và khối điều
khiển. Nó định nghĩa hai lớp trong các khối này: lớp MAC (Medium Access Control
Layer), lớp vật lý PHY(Physical Layer). Lớp MAC gồm có 3 lớp con: CS
(Service-Specific Convergence Sublayer), MAC CPS (MAC Common Part Sublayer)
và lớp con bảo mật (Security Sublayer). CS cung cấp những đáp ứng được yêu cầu
cho quá trình lưu thông lớp. MAC CPS giải quyết vấn đề truyền tin không dây băng
thông rộng. Lớp bảo mật cung cấp bảo mật viễn thông về mặt riêng tư, thông tin quốc
gia, bản quyền của cá nhân.
Dưới lớp MAC, là lớp vật lý PHY, nó cung cấp khả năng truyền tải mạnh và
thích nghi với môi trường không dây. Lớp PHY sử dụng 5 loại giao diện:
• WirelessMAN-SC
TM
(Line of Sight - LOS).
• WirelessMAN-SCa
TM
(Non Line of Sight - NLOS).
SVTH :THANH BÌNH –DUY CẬN :09LTĐT
ĐAVT GVHD: Võ Thị Hương
• WirelessMAN-OFDM
TM
.
• WirelessMAN-OFDMA
TM
.
Lớp này có chức năng thu nhận và phân loại PDUs từ lớp cao hơn ,dữ liệu
ngoài vào từ Common sublayer thông qua SAP của nó để tạo thành MAC SDU sau
đó phân loại chúng nhờ vào CID.
1.7.2.2 Lớp CPS (Common Part Sublayer)
MAC CPS là nguyên nhân tạo ra môt số chức năng quan trọng. Nó là tất cả các
đặc tính kỹ thuật chung cho CS. Sau đây sẽ nói rõ hơn các chức năng đó.
WiMax sử dụng phương pháp định hướng trực tiếp. Điều này có nghĩa là trước
khi gởi một vài dữ liệu của người sử dụng thì phải thiết lập kết nối giữa một SS và
một BS hay giữa các SS với nhau. Multicast cũng được hỗ trợ và chỉ truyền với dữ
liệu 16 bit trên mỗi đường truyền. Có 4 loại kết nối: cơ sở (base), sơ cấp(primary),
thứ cấp (secondary) và dữ liệu (data). Loại kết nối dữ liệu được sử dụng để truyền
thông tin của người dùng, trong khi 3 loại còn lại thì được sử dụng để truyền thông
tin điều khiển gọi là kết nối quản lý MAC.
Mỗi SS có 3 kết nối quản lý :
- Basic Connection (kết nối cơ sở): được sử dụng cho những thông tin có thời
gian ngắn.
- Primary Management connection (kết nối quản lý sơ cấp): được sử dụng cho
những kết nối dài hơn, có độ trễ thông tin nhiều hơn.
- Secondary Management Connection (kết nối quản lý thứ cấp): được dùng
cho các thông tin quản lý lớp cao hơn và dữ liệu cấu hình SS.
• Cấu trúc của MAC PDU (MAC Protocol Data Unit)
SVTH :THANH BÌNH –DUY CẬN :09LTĐT
Packet PDU
(e.g., IP packet, Ethernet Packet)
PHSI
MAC SDU = CS PDU
Payload Header Suppression Index
Optional, Depending on upper layer
protocol
Hình 1.7 Cấu trúc của MAC SDU ( Service Data Unit )
1=Payload được mã hoá
EKS 2
Chuỗi khoá mã
Được dùng để mã hoá payload. Trường này chỉ có nghĩa nếu
trường EC được được set bằng 1.
HCS 8
Chuỗi kiểm tra Header
Trường 8-bit dùng để dò tìm các lỗi trong header. Đa thức
sinh là g(D) = D
8
+ D
2
– D – 1
HT 1 Header Type. Sẽ được set bằng zero.
LEN 11 Độ dài byte của MAC PDU gồm cả MAC header.
Type 6
Trường này mô tả loại payload
LEN
msb
(3)
H
T
CID msb (8)
LEN lsb (8)
Generic MAC Header Format
(Header Type (HT) = 0)
BW Req. Header Format
(Header Type (HT) =1)
E
C
LEN lsb (8)
Generic MAC Header Format
(Header Type (HT) = 0)
BW Req. Header Format
(Header Type (HT) =1)
E
C
Type (6 bits)
rs
v
C
I
EKS
(2)
rs
v
HCS (8)
CID lsb (8)
BW Req.
msb (8)
H
T
CID msb (8)
BWS Req. lsb (8)
E
C
Type (6 bits)
HCS (8)
CID lsb (8)
Hình 1.10. Hình dạng GMH và BRH của MAC
FEC
FEC Block 2 FEC block m
......
FEC Block 3
MAC PDU 1
HT CRCMAC PDU Payload
......
MAC PDU k
HT CRC
MAC PDU
Payload
Multiple MAC PDUs are concatenated into the same PHY burst
Hình 1.12. Sự đóng gói MAC PDU
P
H
SI
MAC PDU
Ethernet Packet
Ethernet Packet
Packet PDU
(e.g., Ethernet)
CS PDU
(i.e., MAC SDU)
HT
FEC block 1
CRCMAC PDU Payload
OFDM
symbol
1
PHY Burst
• WirelessMAN-SCa: đây là giao diện sử dụng điều chế sóng mang đơn.
• WirelessMAN-OFDM: sử dụng ghép kênh phân chia theo tần số trực giao với
256 sóng mang.
• WirelessMAN-OFDMA: sử dụng truy cập ghép kênh phân chia theo tần số
trực giao với 2048 sóng mang để cung cấp nhiều hơn một sóng mang trên một
trạm thuê bao SS.
Ngày nay, do FFT cho phép làm việc với số lượng sóng mang lớn nên
WirelessMAN-HUMAN đã ra đời.
1.7.3.2 Phương pháp ghép kênh (Duplexing)
Có hai phương pháp song công: song công phân chia theo thời gian TDD (Time
Division Duplexing), song công phân chia theo tần số FDD (Frequency Division
SVTH :THANH BÌNH –DUY CẬN :09LTĐT
ĐAVT GVHD: Võ Thị Hương
Duplexing). Trong FDD, quá trình truyền trao đổi hai hướng ở hai tần số khác nhau
trong khi TDD thì chỉ sử dụng một tần số duy nhất nhưng lại ở những thời gian khác
nhau.
- Khung TDD gồm hai phần: downlink subframe và uplink subframe
- FDD cần có 2 kênh, một đường lên (uplink), một đường xuống (downlink).
Với TDD chỉ cần 1 kênh tần số, lưu lượng đường lên và đường xuống được phân
chia theo các khe thời gian.
SVTH :THANH BÌNH –DUY CẬN :09LTĐT
Hình 1.13. Mô tả về FDD và TDD
Hình 1.14. Cấu trúc khung của FDD
Hình 1.15. Cấu trúc khung của TDD
ĐAVT GVHD: Võ Thị Hương
1.8 Các kỹ thuật sử dụng trong WiMAX để khắc phục những ảnh hưởng
của môi trường NLOS
Các kỹ thuật được sử dụng để giải quyết hay giảm nhẹ những ảnh hưởng trong
môi trường NLOS của WiMAX là:
• Kỹ thuật OFDM
Copyright: Tài liệu đại học ©