Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN HỒNG LẠC LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: ĐIỆN TỬ NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG WIMAX THÁI NGUYÊN 2012 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Nguyễn Hồng Lạc Học viên lớp Cao học khoá 13 –KT Điện Tử - Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Xin cam đoan: Đề tài: “Nghiên cứu Kỹ Thuật OFDM và ứng dụng trong WIMAX ” do thầy giáo PGS. TS. Nguyễn Quốc Trung hướng dẫn là công trình tổng hợp và nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả những nội dung trong luận văn đúng như trong đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn. Các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Bắc Ninh, ngày 01 tháng 11 năm 2012 Học viên Nguyễn Hồng Lạc Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC BẢNG v DANH MỤC CÁC HÌNH vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT viii DANH MỤC CÁC ký HIỆU xii MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG 1. KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM 3 1.1. Giới thiệu kỹ thuật điều chế OFDM 3 1.1.1. Khái niệm 3 1.1.2. Lịch sử phát triển: 4 1.1.3 Cấu trúc, chức năng của hệ thống OFDM 7 1.1.4 Các hƣớng phát triển tƣơng lai 10 1.2. Nguyên lý điều chế OFDM 10 1.2.1. Sự trực giao của hai tín hiệu 10 1.2.2. Bộ điều chế OFDM 11 1.2.3. Thực hiện bộ điều chế bằng thuật toán IFFT 13 1.2.4 Chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM 14 1.2.5 Phép nhân với xung cơ bản 16 1.3. Nguyên lý giải điều chế OFDM 16 1.3.1. Truyền dẫn phân tập đa đƣờng 16 1.3.2. Nguyên tắc giải điều chế 17 1.4. Mô phỏng hệ thống OFDM 19 CHƢƠNG 2. KỸ THUẬT MIMO 25 2.1 Giới thiệu chung 25 2.2. Ƣu điểm của hệ thống MIMO 25 2.3 Mô hình hệ thống MIMO 26 2.4 Dung lƣợng kênh MIMO 28 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2.5 Kênh không đƣợc biết phái phát 29 2.6 Kênh đƣợc biết ở phía phát 30 2.7 Kênh xác định ( các phần tử H đƣợc định trƣớc) 31 2.7.1 Hệ thống SISO 31 2.7.2 Hệ thống MISO 32 2.8 Kênh ngấu nhiên 33 2.9 So sanh hiệu năng của hệ thống MIMO với hệ thống không MIMO 37 2.10 Ảnh hƣởng của các tham số vật lý dung lƣợng kênh MIMO 38 2.10.1 Ảnh hƣởng của sự tƣơng quan Fading 38 2.10.2 Ảnh hƣởng của đƣờng truyền trực tiếp LOS 40 CHƢƠNG 3. HỆ THỐNG WIMAX 43 3.1 Một số khái niệm về WIMAX 43 3.1.1 Công nghệ WIMAX 43 3.1.2 Diễn đàn Wimax ( WIMAX forrum). 45 3.1.3 Lợi ích của cá chuẩn Wimax 50 3.2 Tiến trình phát triển và các chuẩn Wimax 50 3.3 Kiến trúc WiMAX 52 3.3.1 Các lớp giao thức trong WiMAX 52 3.3.2 Đặc tính kỹ thuật lớp MAC và lớp vật lý 54 3.4 Bảo mật trong Wimax 63 3.4.1 Các liên kết bảo mật ( SA) 64 3.4.2 Chứng chỉ điện tử X509 66 3.4.3 Giao thức quản lý khóa và bảo mật PKM 67 3.4.4 Sử dụng khóa 71 CHƢƠNG 4. TÍNH TOÁN HỆ THỐNG WIMAX VÀ TRIỂN KHAI THỬ NGHIỆM WIMAX DI ĐỘNG Ở VIỄN THÔNG HÀ NỘI CỦA TẬP ĐOÀN BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM 76 4.1 Giới thiệu chƣơng. 76 4.2 Nhu cầu và hiện trạng các hệ thống truy nhập băng rộng tại Việt Nam. 76 4.2.1 Nhu cầu truy nhập băng rộng tại Việt Nam. 76 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4.2.2 Hiện trạng truy nhập băng rộng tại Việt Nam. 76 4.3 Các mô hình triển khai công nghệ mạng WiMAX. 78 4.3.1 Mạng dùng riêng. 78 4.3.2 Các mạng phục vụ cộng đồng. 85 4.4 Tình hình triển khai WiMAX thử nghiệm tại Việt Nam 87 4.5 Tính toán hệ thống Wimax và triển khai thử nghiệm Wimax di động ở viễn thông Hà Nội. 88 4.5.1. Các tính toán cho qua trình thiết kế WiMax di động 89 4.5.2. Các tính toán trong kỹ thuật điều chế thích ứng 93 4.5.3 Triền khai thử nghiệm WiMax di động tại Hà Nội 98 4.5.4 ứng dụng trên nền WiMax 100 4.5.5 Đánh giá tổng thể về hệ thống WiMax Motorola 101 KẾT LUẬN 119 TÀI LIỆU THAM KHẢO 121 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1: Độ lợi dàn và bậc phân tập của các cấu hình anten khác nhau. 37 Bảng 3.1. Mô tả giao diện không gian 63 Bảng 3.2. bảng tóm tắt các khóa mã hóa đƣợc dùng với SA 66 Bảng 3.3. Bảng thuật ngữ dùng trong trao đổi bản tin chứng thực 68 Bảng 3.4 Các thuật ngữ dùng trong trao đổi bản tin giao thức PKM 70 Bảng 4.1. Một ví dụ của tính toán đƣờng truyền 91 Bảng 4.2 Một số hiệu suất phổ 93 Bảng 4.3 Các giả định của lớp vật lý IEEE 802.16 96 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: So sánh giữa FDMA và OFDM 3 Hình 1.2 Tín hiệu và phổ OFDM 4 Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống OFDM 7 Hình 1.4 Tích của hai vectơ vuông góc bằng 0 11 Hình 1.5 Bộ điều chế OFDM 12 Hình 1.6 Chuỗi bảo vệ GI 14 Hình 1.7 Tác dụng của chuỗi bảo vệ 15 Hình 1.8 Xung cơ bản 16 Hình 1.9 Mô hình kênh truyền 17 Hình 1.10 Bộ thu tín hiệu OFDM 17 Hình 1.11 Tách chuỗi bảo vệ 18 Hình 1.12 sơ đồ mô phỏng hệ thống OFDM 19 Hình 1.13 Tín hiệu OFDM miền thời gian 20 Hình 1.14a Phổ tín hiệu OFDM truyền 21 Hình 1.14b Phổ tín hiệu OFDM nhận 21 Hình 1.15a Tín hiệu QAM và OFDM phát ở miền tần số 22 Hinh 1.15b Tín hiệu QAM và OFDM thu ở miền tần số 22 Hình 1.16 Tỉ lệ lỗi bít tƣơng ứng với SNR trong trƣờng hợp chỉ có nhiễu trắng 23 Hình 2.1. sơ đồ khối hệ thống MIMO 26 Hình 2.2 . Sơ đồ hệ thống SISO 1 31 Hình 2.3 Hệ thống MISO 32 Hình 2.4 CDF của tốc độ thông tin cho ma trận kênh i.i.d với hệ thống 2x2 và 34 Hình 2.5 Dung lƣợng ergodic cho cấu hình anten khác nhau với n t = n r =M [10] 34 Hình 2.6. Dung lƣợng ergodic kênh MIMO 4x4 [10] 35 Hình 2.7 Dung lƣợng 10% outage cho các cấu hình khác nhau (n t = n r = M) [10] 36 Hình 2.8. Dung lƣợng outage 10% đối với kênh M=4[10] 36 Hình 2.9 Dung lƣợng một số cấu hình anten MIMO khác nhau [07] 37 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 2.10 Dung lƣợng Ergodic của kênh MIMO 2X2 trong trừơng hợp tƣơng quan và không tƣơng quan [10] 39 Hình 2.11 Dung lƣợng Egrodic so với hệ số K của kênh MIMO 41 Dung lƣợng giảm khi k tăng [10] 41 Hình 3.1 Các lớp trong Wimax 53 Hình 4.1. Cellular Backhaul. 79 Hình 4.2. WSP Backhaul. 79 Hình 4.3. Mạng ngân hàng. 80 Hình 4.4. Mạng giáo dục. 81 Hình 4.5. Mô hình an toàn cho các truy nhập công cộng. 82 Hình 4.6. Sử dụng Wimax cho việc thông tin liên lạc xa bờ. 83 Hình 4.7. Kết nối nhiều khu vực. 83 Hình 4.8. Các công trình xây dựng. 84 Hình 4.9. Các khu vực công cộng 85 Hình 4.10. Mạng truy nhập WSP. 86 Hình 4.11. Triển khai ở vùng nông thôn xa xôi hẻo lánh. 87 Hình 4.12 Đồ thị quan hệ giữa SNR và khoảng cách 94 Hình 4.13 Đồ thị quan hệ giữa SNR và khoảng cách 96 Hinh 4.14 Mô hình kết nối mạng WiMax 98 Hình 4.15 Trang chủ media booth 101 Hình 4.16: Sơ đồ hệ thống WiMax tại TP Hà Nội 102 Hình 4.17: phƣờng án đánh địa chỉ IP 104 Hình 4.18a Khu vực cần phủ sóng chụp từ vệ tinh 108 Hình 4.18b Khu vực cần phủ sóng thực tế 111 4.19a Khu vực nội thành Hà Nội 111 4.19b Khu vực quận Hoàn Kiếm 112 4.19c Khu vực phƣờng Bách Khoa 112 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết Tắt Tên tiếng Anh Tên tếng Việt AAA Authentication authorization & Account Nhận thức, cấp phép và lập lại khoản AAS Adaptive Antenna System Hệ thống anten thích ứng ACI Adjacent Cell Interference Nhiễu ô lân cận ASN Access Service Network Mạng dịch vụ truy nhập AM Adaptive Modulation Điều chế thích ứng AOA Angle Of Arrival Góc tới AOD Angle Of Departure Góc xuất phát AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gauss trắng cộng BE Best Effort Dịch vụ nỗ lực tốt nhất BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bít BPSK Binary Phase Shift Keying Khoa dịch pha nhị phân BS Base Station Trạm gốc BTC Block Turbo Code Mã turbo khối CCI Co channel Interference Nhiễu đồng kênh CDF Cumulative Ditribution Function Hàm phân bố tích lũy CDMA Code Division Multiple Access đa truy nhập phân chia theo mã CID Connection Identifier Nhận dạng kết nối CP Cyclic Prefix Tiền tố tuần hoàn CPE Customer Premises Epuipment Thiết bị truyền thong cá nhân CPS Common Part sublayer Lớp con phần chung CRC Cyclic Redundancy Check Kiểm tra độ dƣ vòng tuần hoàn CSN Connectivity Service Network Mạng dịch vụ kết nối CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh CTC Concatenated Tubor Code mã turbo xoắn DCD Downlink Channe Descriptor Miêu tả kênh đƣờng xuống DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DHCP Dynamic Host Configuration Protocol Giao thức cấu hình host động DL Downlink Đƣờng xuống DLFP Downlink Frame Preamble Tiền tố khung đƣờng xuống DPS Delay Power Spectrum Phổ công suất trễ FDD Frequence Division Mutiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số FEC Forward Error Correction Hiệu chỉnh lỗi trƣớc FFT Fast Fourire Tranform Chuyển đổi Fourier nhanh HCS Header Check Sequence Thứ tự kiểm tra tiêu đề HT Header Type Loại tiêu đề ICI Inter Carrier Interference Nhiễu giữa các sóng mang IFFT Inverse Fast Fourier Tranform Biến đổi Fourier nhanh ngƣợc ISI Inter Symbol Interferrence Nhiễu giữa các ký hiệu LOS Line of Sight Tầm nhìn thẳng LSB Least Significant Bit Bít ít ý nghĩa nhất MA Multiple Access đa truy nhập MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập phƣơng tiện MAN Metropolitan Area NetWork Mạng vùng thành thị MIMO Multiple Input Multiple Output Nhiếu đầu vào nhiếu đầu ra MISO Multiple Input Single Output Nhiếu đầu vào một đầu ra ML Maximum Likelihood Khả giống cực đại MQAM Multilevel – QAM QAM nhiều mức MS Mobile Station Trạm di động MSB Most Significant Bit Bít nhiều ý nghĩa nhất NAP Network Access Provider Nhà cung cấp dịch vụ truy nhập mạng NLOS Non Light of Singht Tầm nhìn không thẳng NNI Network Network Interface Giao diện mạng – mạng NRP Normalized Received Power Công suất thu chuẩn hóa NSP Network Service Provoder Nhà cung cấp dịch vụ mạng [...]... trọng đối với các kỹ sƣ và cán bộ kỹ thuật Với lý do này tôi chọn đề tài Kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong WIMAX Luận văn đƣợc chia làm bốn chƣơng với các vấn đề nghiên cứu nhƣ sau đây : Chƣơng 1: Kỹ thuật điều chế OFDM – đa sóng mang trực giao Chƣơng 2: Kỹ thuật MIMO – Đa anten phát và đa anten thu Chƣơng 3 Hệ thống WiMAX Chƣơng 4: Tính toán hệ thống WiMAX và triển khai thử nghiệm WiMAX di động ở Viễn... sử dụng trong mạng thông tin thành thị băng rộng WiMax theo tiêu chuẩn IEEE 802.16a và các hệ thống thông tin di động thứ 4 G Trong hệ thông thống tin di động thứ 4, kỹ thuật OFDM còn kết hợp với các kỹ thuật khác nhƣ kỹ thuật MIMO nhằm nâng cao dung lƣợng kênh vô tuyến và kết hợp với công nghệ CDMA nhằm phục vụ đa truy cập của mạng Một vài hƣớng nghiện cứu với mục đích thay đổi phép biến đổi FFT trong. .. phát triển nhiều công trình khoa học về kỹ thuật này đã đƣợc thực hiện ở khắp nơi trên thế giới Đặc biệt là các công trình của Weitein và Ebert, ngƣời đã chứng minh rằng phép điều chế OFDM có thể thực hiện bằng phép biến đổi IDFT và phép giải điều chế bằng phép biến đổi DFT Phát mình này cùng với sự phát triển của kỹ thuật số làm cho kỹ thuật điều chế OFDM đƣợc ứng dụng rộng rãi Số hóa bởi Trung tâm Học... nối, an ninh tốt, sử dụng cả phổ tần cấp phép và không đƣợc cấp phép … WiMax là công nghệ không dây băng rộng đƣợc hỗ trợ mạnh mẽ bởi nền công nghiệp máy tính và viễn thông với chi phí thấp và đƣợc chuẩn hóa WiMax có thể bao phủ một vùng diện tích rộng lớn tới 50km và cung cấp tốc độ bít lên tới 70Mbit/s cho ngƣời dung Trong hệ thống WiMax, kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao OFDM (Orthogonal Frequency... điều chế OFDM bằng phép biến đổi Wavelet nhằm cải thiện sự nhạy cảm của hệ thống đối với hiểu ứng dịch tần do mất đồng bộ và giảm độ dài tối thiểu của chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM Tuy nhiên khả năng ứng dụng của công nghệ này cần thêm thời gian để kiểm chứng 1.2 Nguyên lý điều chế OFDM 1.2.1 Sự trực giao của hai tín hiệu Nếu ký hiệu các sóng mang con đƣợc dùng trong hệ thống OFDM là si(t) và sj(t)... hiệu OFDM vẽ cho 16 kí hiệu OFDM, mỗi kí hiệu OFDM cso 256 sóng mang con đƣợc minh họa trên hình 1.10 Ta có thể đáp ứng của kênh OFDM là không bằng phẳng này thì ngƣời ta sử dụng nhiều sóng mang con, khi đó đáp ứng kênh sẽ gần nhƣ bằng phẳng Hình 1.14a Phổ tín hiệu OFDM truyền Hình 1.14b Phổ tín hiệu OFDM nhận Hình 1.14 Phổ tín hiệu trong miền tần số Hình 1.16 mô tả dạng FFT của bên phát OFDM và FFT... chuẩn Mobile WiMAX (Scalable OFDMA ), để duy trì tƣơng đối khoảng thời gian không đổi của các kí hiệu và khoảng dãn cách giữa các sóng mang với độ rộng kênh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn a) Tín hiệu OFDM b) Phổ OFDM Hình 1.2 Tín hiệu và phổ OFDM 1.1.2 Lịch sử phát triển: Kỹ thuật OFDM do R.W.Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ Trải qua 45 năm hình thành và phát... chỉ cần bộ cân bằng miền tần số khá đơn giản IFFT và FFT giúp giảm thiểu số bộ dao động cũng nhƣ giảm số bộ điều chế và giải điều chế giúp hệ thống giảm độ phức tạp và chi phí thực hiện, hơn nữa tín hiệu đƣợc điều chế và giải điều chế đơn giản, hiệu quả nhờ vào IFFT và FFT Nhược điểm: OFDM là một kỹ thuật truyền đa sóng mang nên nhƣợc điểm chính của kỹ thuật này là tỷ số công suất đỉnh trên công suất... khai thác sử dụng Các hệ thống phát thanh số nhƣ DRM chắc chắn sẽ đƣợc khai thác sử dụng trong tƣơng lai không xa Các mạng về thông tin máy tính không dây nhƣ Hyper LAN/2 IEEE 802.1 sẽ đƣợc khai thác một cách rộng rãi ở Việt Nam Hiện nay trong thông tin di động đã có một số công ty Việt Nam thử nghiệm WiMax ứng dụng công nghệ OFDM nhƣ VNPT , VTC … 1.1.4 Các hướng phát triển tương lai Kỹ thuật OFDM hiện... những năm gần đây, kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao OFDM không ngừng đƣợc nghiên cứu và mở rộng phạm vi ứng dụng bởi những ƣu điểm của nó trong tiết kiệm băng tần chống lại Fading chọn lọc theo tần số cũng nhƣ xuyên nhiễu băng hẹp Kỹ thuật điều chế OFDM là một trƣờng hợp đặc biệt của phƣơng pháp điều chế đa sóng mang trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau , nhờ vậy phổ tín hiện ở sóng mang . NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN HỒNG LẠC LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: ĐIỆN TỬ NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG WIMAX THÁI NGUYÊN. Đề tài: Nghiên cứu Kỹ Thuật OFDM và ứng dụng trong WIMAX ” do thầy giáo PGS. TS. Nguyễn Quốc Trung hướng dẫn là công trình tổng hợp và nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả những nội dung trong luận. OFDM và ứng dụng trong WIMAX . Luận văn đƣợc chia làm bốn chƣơng với các vấn đề nghiên cứu nhƣ sau đây : Chƣơng 1: Kỹ thuật điều chế OFDM – đa sóng mang trực giao Chƣơng 2: Kỹ thuật MIMO