Ứng dụng OFDMA và tìm hiểu về các chuẩn của WiMAX

Việc nghiên cứu kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) được biết đến từ những năm 70 của thế kỷ trước, với những ưu điểm chính như: cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao được truyền song song với tốc độ thấp trên các băng hẹp, khả năng cho hiệu suất phổ cao, khả năng chống lại fading chọn lọc tần số, đơn giản và hiệu quả trong điều chế và giải điều chế tín hiệu nhờ sử dụng thuật toán IFFT, FFT. Chính vì thế, OFDM ngày càng được phát triển trong các dịch vụ viễn thông tốc độ cao như Internet không dây. Do đó OFDM đang trở thành công nghệ được chấp nhận một cách rộng rãi và các chuẩn truyền thông không dây di động sẽ được sử dụng nhiều hơn trong tương lai. Nhưng thuận lợi của việc sử dụng OFDM là khả năng vươn xa hơn cũng như tính phổ biến của các hệ thống OFDM. Hiện nay, OFDM và OFDMA đang được nghiên cứu và ứng dụng rất triển vọng trong công nghệ truy cập băng rộng không dây Wimax. Với những vấn đề như trên BÀI TẬP LỚN của em với chủ đề“ Ứng dụng OFDMA và tìm hiểu về các chuẩn của WiMAX”

LỜI MỞ ĐẦU

Việc nghiên cứu kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) được biết đến từ những năm 70 của thế kỷ trước, với những ưu điểm chính như: cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao được truyền song song với tốc độ thấp trên các băng hẹp, khả năng cho hiệu suất phổ cao, khả năng chống lại fading chọn lọc tần số, đơn giản và hiệu quả trong điều chế và giải điều chế tín hiệu nhờ sử dụng thuật toán IFFT, FFT Chính vì thế, OFDM ngày càng được phát triển trong các dịch vụ viễn thông tốc

độ cao như Internet không dây Do đó OFDM đang trở thành công nghệ được chấp nhận một cách rộng rãi và các chuẩn truyền thông không dây di động sẽ được sử dụng nhiều hơn trong tương lai Nhưng thuận lợi của việc sử dụng OFDM là khả năng vươn

xa hơn cũng như tính phổ biến của các hệ thống OFDM Hiện nay, OFDM và OFDMAđang được nghiên cứu và ứng dụng rất triển vọng trong công nghệ truy cập băng rộng không dây Wimax

Với những vấn đề như trên BÀI TẬP LỚN của em với chủ đề“ Ứng dụng

OFDMA và tìm hiểu về các chuẩn của WiMAX”

Nội dung bài của em được chia làm 3 chương :

CHƯƠNG 1: KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ OFDMA CỦA WIMAX

CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VỀ CÁC CHUẨN CỦA WIMAX

Để hoàn thành bài tập lớn này em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của thầyDương Hữu Ái trong Khoa để em hoàn thành tốt đồ án này

Đồ án còn nhiều thiếu sót, mong các thầy cô và các bạn nhiệt tình góp ý để đồ

án được hoàn thiện hơn

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC HÌNH ẢNH v

CHƯƠNG 1: KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM 1

1.1 Giới thiệu kỹ thuật điều chế OFDM 1

1.1.1 Khái niệm 1

1.1.2 Các ưu và nhược điểm của kĩ thuật OFDM 1

1.2 Nguyên lí điều chế và giải điều chế OFDM 2

1.2.1 Sơ đồ điều chế 2

1.2.2 Nguyên tắc giải điều chế 3

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ OFDMA CỦA WIMAX 5

2.1 Khái niệm 5

2.2 Đặc điểm 5

2.3 OFDMA nhảy tần 5

2.4 Hệ thống OFDMA 6

2.4.1 Chèn chuỗi dẫn đường ở miền tần số và miền thời gian 8

2.4.2 Điều chế thích nghi: 9

2.5 Điều khiển công suất 11

2.6 Ước lượng kênh trong hệ thống 11

2.6.1 Ước lượng kênh 12

2.6.2 Ước lượng kênh trong miền thời gian: 14

2.6.3 Thuật toán nội suy 15

CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VỀ CÁC CHUẨN CỦA WIMAX 15

3.1 Giới thiệu các chuẩn của Wimax 16

3.2 Mô hình lớp vật lý Wimax 802.16a 19

3.3 Các đặc trưng lớp MAC của IEEE 802.16a 20

3.3.1 Lớp con hội tụ dịch vụ đặc trưng (CS) 20

3.3.2 Lớp con phần chung (MAC CP) 20

KẾT LUẬN 25

TÀI LIỆU THAM KHẢO 27

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

BWA Broadband wireless access Truy nhập không dây băng rộngCDMA code division multiple access Đa truy nhập chia mã

CPE Customer Premise Equipment Thiết bị đầu cuối thuê bao

DES Data encryption standard Tiêu chuẩn mật mã dữ liệu

ETSI European Telecommunications

Standard Institute

Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu

FBSS Fast Base Station Switching Chuyển đổi trạm gốc nhanh

IETF Internet Engineering Task Force Tổ chức kỹ sư thiết kế InternetIDFT Inverse Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc ngược

IFFT Inversion Fast Fourier transform Biến đổi Fourier ngược nhanh

ITU International Telecommunications

Union

Hiệp hội viễn thông Quốc tế

LMDS Local multipoint distriution service Dịch vụ phân phối đa điểm nội

hạt

MAC Medium access control layer Lớp điều khiển truy nhập môi

trườngMAN Metropolitan area network Mạng khu vực thành phố

MDHO Macro Diversity Handover Chuyển giao đa dạng riêng

MIMO Multi input Multi output Đa đường vào đa đường ra

nrtPS Non-real-time polling service Dịch vụ thăm dò không thời gian

thực

OFDM Orthogonal frequency division

multiplexing

Ghép kênh chia tần số trực giao

OFDMA Orthogonal frequency division

multiple access

Đa truy nhập chia tần số trực giao

PARP Peak-to Average Power Ratio Công suất tương đối cực đại

PCMCIA Personal Computer Memory Card

International Association

Hiệp hội quốc tế về tấm mạch nhớ của máy tính cá nhânPDA Personal Digital Assistant Thiết bị vụ số cá nhân

PDH Plesiochronous digital hierarchy Phân cấp số cận đồng bộ

QAM Quadrature amplitude modulation Điều chế biên độ cầu phương

TDM Time division multiplex Ghép kênh chia thời gian

TDMA Time division multiple access Đa truy nhập phân chia thời gian

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: So sánh giữa FDMA và OFDM 1

Hình 1.2 Bộ điều chế OFDM 2

Hình 1.3 : Bộ thu tín hiệu OFDM 3

Hình 1.4: Tách chuỗi bảo vệ 4

Hình 2.1 Tổng quan hệ thống sử dụng OFDM 6

Hình 2.2 Mẫu tín hiệu dẫn đường trong OFDMA 7

Hình 2.3 Chèn chuỗi dẫn đường trong miền tần số và thời gian 8

Hình 2.4 Điều chế thích nghi 10

Hình 2.5 Lựa chọn kênh thích hợp cho mỗi người dùng 11

Hình 3.1 Các hệ thống vô tuyến 16

Hình 3.2 Mô hình băng tần cơ sở lớp vật lý OFDM-PHY 802.16a 19

CHƯƠNG 1: KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM

1.1 Giới thiệu kỹ thuật điều chế OFDM

1.1.1 Khái niệm

Kỹ thuật điều chế OFDM, về cơ bản, là một trường hợp đặc biệt của phươngpháp điều chế FDM, chia luồng dữ liệu thành nhiều đường truyền băng hẹp trong vùngtần số sử dụng, trong đó các sóng mang con (hay sóng mang phụ, sub-carrier) trựcgiao với nhau Do vậy, phổ tín hiệu của các sóng mang phụ này được phép chồng lấnlên nhau mà phía đầu thu vẫn khôi phục lại được tín hiệu ban đầu Sự chồng lấn phổtín hiệu này làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so vớicác kĩ thuật điều chế thông thường

Hình 1.1: So sánh giữa FDMA và OFDM 1.1.2 Các ưu và nhược điểm của kĩ thuật OFDM

Ngoài ưu điểm tiết kiệm băng thông kênh truyền kể trên, OFDM còn có một số

ưu điểm sau đây :

•Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hiện tượng nhiễu xuyên nếu độ dài chuỗi bảo

vệ lớn hơn độ trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh truyền

•OFDM phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng

•Cấu trúc máy thu đơn giản

Tuy nhiên, bên cạnh đó, OFDM cũng có một số nhược điểm sau :

•Việc sử dụng chuỗi bảo vệ giúp giảm hiện tượng ISI do phân tập đa đườngnhưng chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích, chiếm một phần băng thông củađường truyền làm giảm hiệu suất đường truyền

•Do yêu cầu về tính trực giao giữa các sóng mang phụ nên hệ thống OFDM khánhạy cảm với hiệu ứng Dopler, dịch tần và dịch thời do sai số đồng bộ.

•Đường bao biên độ của tín hiệu phía phát không bằng phẳng, gây ra méo phituyến ở các bộ khuếch đại công suất ở đầu phát và đầu thu

1.2 Nguyên lí điều chế và giải điều chế OFDM

1.2.1 Sơ đồ điều chế

Hình 1.2 Bộ điều chế OFDM

Giả sử băng thông hệ thống là B chia thành Nc kênh con, với chỉ số kênh con là

n, n ∈ {−L,−L+1, ,−1,0,1, ,L−1,L}, nên NFFT=2L+1 Dòng dữ liệu đầu vào{ }a l chiathành NFFT dòng song song với tốc độ dữ liệu giảm đi NFFT lần thông qua bộ chia nốitiếp/song song Dòng bit trên mỗi luồng song song{ }a l lại được điều chế thành mẫucủa tín hiệu phức đa mứcd ,n, n là chỉ số song mang phụ, i là chỉ số khe thời giantương ứng với Nc bit song song sau khi qua bộ S/P, k là chỉ số khe thời gian ứng với

Nc mẫu tín hiệu phức.Các mẫu tín hiệu phát d ,n được nhân với xung cơ sở để giớihạn phổ của mỗi sóng mang, sau đó được dịch tần lên đến kênh con tương ứng bằngviệc nhân với hàm phức ejLωst

, làm các tín hiệu trên các sóng mang trực giao nhau Tínhiệu sau khi nhân với xung cơ sở và dịch tần cộng lại qua bộ tổng và cuối cùng đượcbiểu diễn như sau:

Xung cơ sở

Xung cơ sở

Xung cơ sở

L i

a,+

n i

a,

L i

a,−

L k

d ,+

n

d ,

L k

d ,−

m,(t) m(t)

t j n

t j n

sử dụng FFT cho bộ giải điều chế OFDM Điều chế OFDM bằng phương pháp biếnđổi ngược Fourrier nhanh cho phép một số lượng lớn các sóng mang con với độ phứctạp thấp

1.2.2 Nguyên tắc giải điều chế

Hình 1.3 : Bộ thu tín hiệu OFDM

Các bước thực hiện ở đây đều ngược lại so với phía máy phát Tín hiệu thu sẽđược tách chuỗi bảo vệ, giải điều chế để khôi phục băng tần gốc, giải điều chế ở các

Giải điều chế

Giải điều chế

Giải điều chế

d , −

^

L i

a,

^

n i

a,

^

L i

sóng mang con, chuyển đổi mẫu tín hiệu phức thành dòng bít (tín hiệu số) và chuyểnđổi song song sang nối tiếp

Hình 1.4: Tách chuỗi bảo vệ

Sau khi tách chuỗi bảo vệ khỏi luồng tín hiệu u(t), luồng tín hiệu nhận được là:u’(kTS+t)=u(kT+t) (1.6)

t(k-1)T

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ OFDMA CỦA

WIMAX

2.1 Khái niệm

OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access- Đa truy nhập phântần trực giao ) là một công nghệ đa sóng mang phát triển dựa trên nền kĩ thuật OFDM.Trong OFDMA, một số các sóng mang con, không nhất thiết phải nằm kề nhau, đượcgộp lại thành một kênh con và các người sử dụng khi truy cập vào tài nguyên sẽ đượccấp cho một hay nhiều kênh con để truyền nhận tùy theo nhu cầu lưu luợng cụ thể

2.2 Đặc điểm

OFDMA có một số ưu điểm như là tăng khả năng linh hoạt, thông lượng và tính

ổn định đươc cải thiện Việc ấn định các kênh con cho các thuê bao cụ thể, việc truyềnnhận từ một số thuê bao có thể xảy ra đồng thời mà không cần sự can thiệp nào, do đó

sẽ giảm thiểu những tác động như nhiễu đa truy xuất

hệ thống phụ thuộc vào năng lượng tín hiệu nhận được trung bình hơn là phụ thuộcvào người dùng và năng lượng nhiễu trong trường hợp xấu nhất

Ưu điểm cơ bản của hệ thống OFDMA nhảy tần hơn hẳn các hệ thống CDMA và MC-CDMA là tương đối dễ dàng loại bỏ được xuyên nhiễu trong một tếbào bằng cách sử dụng các mẫu nhảy trực giao trong một tế bào

DS-2.4 Hệ thống OFDMA

Hình 2.1 Tổng quan hệ thống sử dụng OFDM

Phía máy phát dữ liệu vào nối tiếp trước tiên được nhóm thành từng tổ hợpbít,sau đó chuyển thành dữ liệu song song.mỗi tổ hợp phù hợp với kiểu điều chế số(M-PSK) được sử dụng trên mỗi sóng mang.IFFT chuyển đổi từng ký hiệu OFDMmiền thời gian.Khoảng an toàn được chèn vào giữa các ký hiệu OFDM để tránh nhiễuxuyên ký hiệu ISI gây ra bởi méo đa đường cuối cùng các ký hiệu rời rạc được chuyểnđổi thành tương tự,được lọc thông thấp rồi chuyển lên cao tần để phát lên kênh truyềndẫn Máy thu xử lý ngược lại quá trình phát,sau khi loại bỏ khoảng an toàn,khối FFTchuyển đổi tín hiệu thu được từ miền thời gian sang miền tần số.tiếp theo tín hiệu đượcđưa qua giải điều chế số và chuyển đổi song song thành nối tiếp để khôi phục lại dữliệu ban đầu

Tín hiệu dẫn đường là mẫu tín hiệu được biết trước ở phía phát và phía thu, đượcphát kèm với tín hiệu có ích nhằm khôi phục kênh truyền và đồng bộ hệ thống

Dữ liệu vào nối tiếp Chuyển đổi

nối tiếp/song song Điều chế số IFFT

Chèn khoảng

An toàn

Kênh Truyền Dẫn

Loại bỏ Khoảng

An toàn FFT

Giải điều Chế số

Chuyển đổi song song/nối tiếp

Dữ liệu ra nối tiếp

Nhiễu

Hình 2.2 Mẫu tín hiệu dẫn đường trong OFDMA

Phiá máy thu sẽ thực hiện ngược lại so với máy phát Để khôi phục tin hiệu phátthì hàm truyền phải được khôi phục nhờ vào mẫu tin dẫn đường đi kèm Tín hiệu nhậnđược sau khi giải điều chế OFDM được chia làm hai luồng tín hiệu Luồng thứ nhất làtín hiệu có ích được đưa đến bộ cân bằng kênh Luồng thứ hai là mẫu tin dẫn đườngđược đưa vào bộ khôi phục kênh truyền, sau đó lại được đưa đến bộ cân bằng kênh đểkhôi phục lại tín hiệu ban đầu

2.4.1 Chèn chuỗi dẫn đường ở miền tần số và miền thời gian

Hình 2.3 Chèn chuỗi dẫn đường trong miền tần số và thời gian

Mẫu tin dẫn đường có thể được chèn cùng với mẫu tin có ích ở cả miền tần số vàmiền thời gian như trên hình Tuy nhiên khoảng cách giữa hai mẫu tín hiệu dẫn đườngliên tiếp nhau tuân theo quy luật lấy mẫu cả ở miền tần số và miền thời gian Ở miềntần số, sự biến đổi kênh vô tuyến phụ thuộc thời gian trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh

τmax Với rf là tỉ số lấy mẫu ở miền tần số, fs là khoảng cách liên tiếp giữa hai sóngmang con, khoảng cách giữa hai mẫu tin dẫn đường ở miền tần số Df phải thoả mãnđiều kiện sau:

Tỉ số lấy mẫu tối thiểu ở miền tần số rf phải là 1 Tỉ số này có thể lớn hơn 1, khi

đó, số mẫu tin dẫn đường nhiều hơn mức cần thiết và kênh truyền được lấy mẫu vượtmức Trong trường hợp khoảng cách giữa hai mẫu tin dẫn đường không thoaả mãnđiều kiện lấy mẫu như trên, rf <1, thì kênh truyền không thể được khôi phục hoàn toànthông qua mẫu tin dẫn đường

Tương tự như ở miền tần số, khoảng cách giữa hai mẫu tin dẫn đường liên tiếptrong miền thời gian Dt cũng phải thoả mãn điều kiện lấy mẫu tương ứng Sự biến đổicủa hàm truyền vô tuyến ở miền thời gian phụ thuộc vào tần số Doppler Theo tiêuchuẩn lấy mẫu thì khoảng cách Dt phải thoả mãn điều kiện:

2.4.2 Điều chế thích nghi:

Điều chế thích nghi cho phép hệ thống điều chỉnh nguyên lý điều chế tín hiệutheo tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu của đường truyền vô tuyến Khi đường truyền vô tuyến cóchất lượng cao, nguyên lý điều chế cao nhất được sử dụng làm tăng thêm dung lượng

hệ thống Trong quá trình suy giảm tín hiệu, hệ thống WiMAX có thể chuyển sang mộtnguyên lý điều chế thấp hơn để duy trì chất lượng và sự ổn định của đường truyền.Đặc điểm này cho phép hệ thống khắc phục hiệu ứng fading lựa chọn thời gian Đặcđiểm quan trọng của điều chế thích nghi là khả năng tăng dải sử dụng của nguyên lýđiều chế ở mức độ cao hơn, do đó hệ thống có tính mềm dẻo đối với tình trạng fadingthực tế

Hình 2.4 Điều chế thích nghi

Kỹ thuật điều chế và mã hoá thích nghi là một trong những ưu việt của OFDM vì

nó cho phép tối ưu hoá mức điều chế trên mỗi kênh con dựa trên chất lượng tín hiệu

và chất lượng kênh truyền dẫn

OFDM Cells (64 mode)

OFDMA Cell (2k mode)

64QAM users 16QAM users QPSK users

Hình 2.5 Lựa chọn kênh thích hợp cho mỗi người dùng

2.5 Điều khiển công suất

Thông thường, với hệ thống thông tin di động, điều khiển công suất bao gồmđiều khiển công suất vòng hở và điều khiển công suất vòng kín nhằm thay đổi côngsuất phát của MS tương ứng với khoảng cách với BTS

•Điều khiển công suất vòng hở: BTS đo cường độ trường tại điểm thu, tính ra cự

li, tính ra công suất phát phù hợp

•Điều khiển công suất vòng kín: MS đo cường độ trường , gửi lên BSC, BSC sẽtính tóan cho MS tăng hay giảm công suất cho phù hợp

Trong WiMAX dùng điều khiển công suất vòng kín, các thuật toán điều khiểncông suất được sử dụng để cải tiến hiệu suất tổng thể của hệ thống, nó được thực hiệnnhờ trạm gốc gửi thông tin điều khiển công suất tới từng CPE để ổn định mức côngsuất phát sao cho mức thu được tại trạm gốc luôn ở mức định trước Trong một môitrường fading thay đổi không ngừng mức hiệu suất định trước này có nghĩa là CPE chỉtruyền đủ công suất theo yêu cầu, ngược lại mức công suất phát của CPE sẽ không phùhợp Công suất phát sẽ làm giảm năng lượng tiêu thụ tổng của CPE và nhiễu tiềm ẩn từcác trạm gốc lân cận Với LOS, công suất phát của CPE xấp xỉ tỉ lệ với khoảng cáchcủa nó tới trạm gốc, với NLOS nó phụ thuộc rất nhiều vào khoảng trống và chướngngại vật

2.6 Ước lượng kênh trong hệ thống

Trong hệ thống OFDMA thường sử dụng 2 phương pháp ước lượng kênh: loạikhông sử dụng pilot (ước lượng kênh mù) và loại sử dụng pilot Ước lượng kênh cópilot hỗ trợ là phương pháp chèn thêm các pilot symbol trong miền tần số và miền thời

gian và ước lượng đáp ứng xung ở máy thu Kĩ thuật này gọi là điều chế có hỗ trợ bởichuỗi dẫn đường

Ước lượng kênh PSAm gồm 2 tầng: ước lượng và nội suy

2.6.1 Ước lượng kênh

Tín hiệu ngõ ra:

(2.3)với H(k) là hàm truyền đạt, I(k): ICI, W(k): AWGN

1 , , 1 ,

=

+ +

=

N k

k W k I k H k X k Y

Ta có hàm ước lượng kênh:

Pilot cho ước lượng: có 2 dạng phân bố pilot trong ước lượng kênh:

• Dạng xen kẽ: (comb type): trong mỗi sóng mang con chứa nhiều pilotcho mỗi kí hiệu OFDM Do đó, việc truyền lại sẽ được thực hiện nhanh hơn dạng khối,

dễ theo dõi với kênh truyền động Nhưng dạng này lại nhạy cảm với fading lựa chọntần số, tức là khoảng cách giữa các pilot phải nhỏ hơn băng thông phụ thụôc kênh rấtnhiều, ngược lại thực hiện nội suy rất phức tạp

•Dạng khối: ngược lại với dạng xen kẽ, một pilot luôn được chèn cố định vàotrong một symbol OFDM trong miền thời gian, phù hợp với kênh truyền tĩnh; do mỗikhối đều chứa các pilot nên không cần nội suy kênh trong miền tần số, dạng này ít bịảnh hưởng bởi fading lựa chọn tần số

Ước lượng kênh có thể thực hiện trong miền tần số và miền thời gian Thuật toánthự hiện trogn miền thời gian, đáp ứng xung kênh truyền CIR (Channel ImpulseResponse) đạt được nhờ IFFT của đáp ứng kênh trong miền tần số tại các chuỗi dẫnđường Số lượng các pilot phải lớn hơn trễ lớn nhất của kênh:

Nội suy trong miền tần số thực hiện nội suy của đáp ứng kênh tại các chuỗi dẫnđường để thực hiện việc ước lượng tại mỗi sóng mang Trong trường hợp này, cácsóng mang con pilot sẽ được lấy mẫu vượt mức so với đáp ứng tần kênh, khoảng mộthay hai lần

( ) ( )() = k = 0 1, , , N − 1

k H

k Y k X

e e