Ứng dụng kỹ thuật OFDM trong wimax

bộ giáo dục và đào tạo
trờng đại học bách khoa hà nội
--------------------------------------

Phạm văn quyết

ứng dụng Kỹ thuật ofdm trong wimax

Chuyên ngành : điện tử viễn thông

luận văn thạc sĩ khoa học

Ngời hớng dẫn khoa học

pgs.ts. nguyễn quốc trung

Hà Nội - 2009


Mục lục

Mục lục...............................................................................................................I
Danh sách các hình vẽ ............................................................................VI
Danh sách các bảng .................................................................................IX
danh sách các từ viết tắt ..................................................................... X
Lời nói đầu ....................................................................................................... 1
Chơng 1 - Kỹ thuật OFDM ........................................................................ 3
1.1 Giới thiệu kỹ thuật OFDM.................................................................................3
1.1.1 Lịch sử phát triển ........................................................................................3
1.1.2 Các u và nhợc điểm của kỹ thuật OFDM................................................4
1.2 Từ điều chế đơn sóng mang đến điều chế trực giao OFDM..............................4

1.2.1 Phơng pháp điều chế đơn sóng mang........................................................4
1.2.2 Phơng pháp điều chế đa sóng mang FDM ................................................6
1.2.3 Phơng pháp điều chế trực giao OFDM .....................................................7
1.3 Khái niệm về OFDM .........................................................................................9
1.3.1 Khái niệm....................................................................................................9
1.3.2 Các đặc điểm của kỹ thuật OFDM............................................................11
1.4 Nguyên lý điều chế OFDM .............................................................................11
1.4.1 Sự trực giao của hai tín hiệu......................................................................11
1.4.2 Sơ đồ bộ điều chế OFDM .........................................................................12
1.4.3 Chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM ........................................................14
1.4.4 Phép nhân với xung cơ sở (Basic impulse) ...............................................16
1.4.5 Thực hiện bộ điều chế OFDM bằng thuật toán IFFT ...............................16
1.5 Nguyên lý giải điều chế OFDM ......................................................................18
1.5.1 Kênh truyền dẫn phân tập đa đờng .........................................................18
1.5.2 Bộ giải điều chế OFDM ............................................................................18
1.5.2.1 Tách khoảng bảo vệ ...........................................................................19
1.5.2.2 Tín hiệu sau giải điều chế ..................................................................20


II

1.5.3 Thực hiện bộ giải điều chế thông qua phép biến đổi nhanh FFT..............22
1.6 Sơ đồ hệ thống OFDM.....................................................................................23
1.6.1 Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDM............................................................23
1.6.2 Nguyên tắc chèn mẫu tin dẫn đờng ở miền tần số và miền thời gian .....24
1.7 Dung lợng kênh truyền OFDM......................................................................26
1.7.1 Giới thiệu ..................................................................................................26
1.7.2 Tính toán dung lợng kênh của hệ thống OFDM .....................................26
1.8 ảnh hởng của fading đa đờng lên tín hiệu thu OFDM................................28
1.8.1 ảnh hởng của fading đa đờng...............................................................28

1.8.2 Nhiễu liên ký hiệu ISI và nhiễu giữa các sóng mang ICI .........................28
1.9 Bảo vệ chống lại ảnh hởng của fading đa đờng ...........................................29
1.9.1 Chèn tiếp đầu tuần hoàn (Cyclic Prefix) vào tín hiệu OFDM...................29
1.9.2 Bảo vệ chống lại dịch thời gian................................................................31
1.9.3 Bảo vệ chống lại ISI ..................................................................................31
1.9.4 Mào đầu của khoảng bảo vệ và khoảng cách các tải phụ .........................33
1.10 Kết luận .........................................................................................................34
CHƯƠNG 2 công nghệ WiMAX ............................................................... 36
2.1 Giới thiệu chung về WiMAX ..........................................................................36
2.1.1 Sự phát triển các chuẩn truy nhập vô tuyến băng rộng. ..........................36
2.1.2 Lịch sử phát triển của WiMax..................................................................37
2.1.3 WiMax Công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng................................38
2.2 Cấu trúc WiMAX ............................................................................................39
2.2.1 Cấu trúc phân lớp ......................................................................................39
2.2.2 Các đặc tính của lớp vật lý........................................................................40
2.2.3 Các đặc tính của lớp truy nhập MAC........................................................42
2.3 Mô hình hệ thống WiMAX .............................................................................42
2.3.1 Mô hình mạng...........................................................................................42
2.3.2 Môi trờng truyền sóng của WiMAX.......................................................44
2.4 Các vấn đề kỹ thuật của WiMAX....................................................................46
2.4.1 Điều chế OFDM........................................................................................46


III

2.4.2 Đa truy nhập OFDMA ..............................................................................46
2.4.3 Kênh con hoá ............................................................................................49
2.4.4 Anten định hớng .....................................................................................50
2.4.5 Phân tập thu phát.......................................................................................50
2.4.6 Điều chế thích nghi...................................................................................50

2.4.7 Các kỹ thuật mã hoá sửa lỗi trớc.............................................................51
2.4.8 Điều khiển công suất ................................................................................51
2.5 Các mô hình ứng dụng của Wimax .................................................................51
2.5.1 Mô hình truyền thông của WiMAX..........................................................51
2.5.2 Mô hình ứng dụng cố định (Fixed WiMAX)............................................52
2.5.3 Mô hình ứng dụng di động (Mobile WiMAX) .........................................54
2.6 Các chuẩn của WiMAX...................................................................................54
2.6.1 Chuẩn IEEE 802.16- 2001 ........................................................................55
2.6.2 Chuẩn IEEE 802.16a - 2003 .....................................................................56
2.6.3 Chuẩn IEEE 802.16c - 2002 .....................................................................57
2.6.4 Chuẩn IEEE 802.16 - 2004 .......................................................................57
2.6.5 Chuẩn IEEE 802.16e - 2005 .....................................................................58
2.6.6 So sánh tóm tắt các chuẩn IEEE 802.16 cơ bản........................................58
2.7 Băng tần cho WiMAX .....................................................................................59
2.7.1 Các dải tần cấp phép 11-66 GHz...............................................................59
2.7.2 Các dải tần cấp phép dới 11 GHz............................................................59
2.7.3 Các dải tần đợc miễn cấp phép dới 11 GHz (chủ yếu từ 5-6 GHz).......59
2.8 Đặc điểm của WiMAX ....................................................................................60
2.8.1 Ưu điểm ....................................................................................................60
2.8.2 Nhợc điểm...............................................................................................62
2.9 Những ứng dụng của WiMAX ........................................................................63
2.9.1 Những loại hình ứng dụng của WiMAX..................................................63
2.9.2 Những ứng dụng tiềm năng của WiMAX.................................................65
2.10 So sánh WiMAX với các công nghệ truy cập không dây băng rộng.............66
2.10.1 Hệ thống di động tế bào 3G ...................................................................66


IV

2.10.2 Hệ thống Wi-Fi ......................................................................................68

2.10.3 So sánh WiMAX với 3G và Wi-Fi.........................................................69
2.10.4 So sánh với các hệ thống khác ...............................................................72
2.11 Tình hình triển khai và triển vọng phát triển của WiMAX ..........................73
2.11.1 Triển khai WiMAX trên thế giới ...........................................................73
2.11.2 ứng dụng triển khai WiMAX tại Việt Nam...........................................74
2.11.2.1 Những tiền đề thuận lợi....................................................................74
2.11.2.2 Những trở ngại và thách thức...........................................................75
2.11.2.3 Tình hình triển khai thử nghiệm WiMAX tại Việt Nam ...................76
2.11.3 Tiềm năng và triển vọng phát triển của WiMAX ..................................77
2.12 Kết luận .........................................................................................................80
Chơng 3 - LớP VậT Lý CủA WIMAX ....................................................... 81
3.1 Giới thiệu .........................................................................................................81
3.2. Mã hóa kênh ...................................................................................................83
3.2.1 Mã chập (Mã vòng xoắn)..........................................................................84
3.2.2 Mã turbo...................................................................................................86
3.2.3 Mã turbo khối và mã LDPC .....................................................................89
3.3 ARQ lai - HARQ.............................................................................................89
3.4 Xen kẽ (Cài xen).............................................................................................90
3.5 ánh xạ ký tự ....................................................................................................92
3.6 Cấu trúc ký hiệu OFDM ..................................................................................92
3.7 Hoán vị kênh và sóng mang con......................................................................95
3.7.1 Sử dụng toàn bộ đờng xuống của các sóng mang con - DL FUSC .......96
3.7.2 Sử dụng một phần đờng xuống của các sóng mang con - DL PUSC ....98
3.7.3 Sử dụng một phần đờng lên của các sóng mang con - UL PUSC .........100
3.7.4 Việc sử dụng Khối của các sóng mang con - TUSC.............................102
3.7.5 Điều chế và mã hóa thích nghi băng (Band AMC)...............................102
3.8 Cấu trúc khe và khung ...................................................................................103
3.9 Phân tập tần số và MIMO..............................................................................106
3.9.1 Phân tập phát và mã hóa không gian thời gian .......................................107

V

3.9.2 Mã phân tập nhảy tần..............................................................................111
3.10 MIMO lặp đóng (Closed-Loop MIMO) ......................................................111
3.10.1 Chọn lựa anten ....................................................................................113
3.10.2 Nhóm anten.........................................................................................114
3.10.3 Hồi tiếp dựa trên Codebook ................................................................114
3.10.4 Hồi tiếp kênh lợng tử hóa..................................................................115
3.10.5 Dò kênh (Channel Sounding)..............................................................115
3.11 Định tầm ......................................................................................................116
3.12 Điều khiển công suất ..................................................................................118
Chơng 4 - mô phỏng ............................................................................... 120
4.1 Giới thiệu......................................................................................................120
4.2 Mô phỏng lớp vật lý của hệ thống WiMAX bằng simulink ........................120
4.3 Nội dung chơng trình mô phỏng ................................................................123
4.4 Kết luận.......................................................................................................128
Kết luận ........................................................................................................ 129
Tài liệu tham khảo.................................................................................. 130


VI

Danh sách các hình vẽ

Hình 1. 1: Mật độ phổ năng lợng của hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang .............5
Hình 1. 2: Mật độ phổ năng lợng của hệ thống đa sóng mang..................................6
Hình 1. 3: Mật độ phổ năng lợng của tín hiệu điều chế đa sóng mang OFDM ........8
Hình 1. 4: Phổ tín hiệu cuả hệ thống các kênh con: (a) Phổ tín hiệu của hệ thống 1
kênh con; (b) Phổ tín hiệu của hệ thống 4 kênh con ...................................................8

Hình 1.5: Hiệu quả sử dụng phổ của OFDM ............................................................10
Hình 1.6: Sơ đồ bộ điều chế OFDM..........................................................................12
Hình 1.7: Mô tả chuỗi bảo vệ....................................................................................14
Hình 1. 8: Mô tả ứng dụng của chuỗi bảo vệ trong chống nhiễu ISI ........................15
Hình 1. 9: Xung cơ sở ...............................................................................................16
Hình 1. 10: Sơ đồ bộ điều chế OFDM sử dụng IFFT ................................................17
Hình 1. 11: Mô hình kênh truyền ..............................................................................18
Hình 1. 12: Sơ đồ bộ giải điều chế OFDM................................................................19
Hình 1.13: Mô tả sự tách chuỗi bảo vệ ở bộ giải điều chế OFDM............................20
Hình 1. 14: Sơ đồ khối bộ giải điều chế OFDM sử dụng thuật toán FFT .................23
Hình 1. 15: Sơ đồ tổng quan hệ thống OFDM ..........................................................24
Hình 1.16: Chèn tín hiệu dẫn đờng trong miền tần số và thời gian .......................25
Hình 1.17: Tín hiệu OFDM và nhiễu .......................................................................28
Hình 1. 18: Các sóng mang con trực giao trong miền tần số ....................................29
Hình 1.19: Mô tả khái niệm về chuỗi bảo vệ ............................................................29
Hình 1.20: Chức năng của khoảng bảo vệ chống lại ISI không có multipath ...........32
Hình 1.21: Chức năng của khoảng bảo vệ chống lại ISI có multipath ......................32
Hình 1.22: Sự loại bỏ nhiễu khi thêm tiếp đầu tuần hoàn (CP).................................33
Hình 1.23: OFDM truyền trên kênh fading đa đờng với tiếp đầu tuần hoàn ..........34
Hình 2.1: Các chuẩn về mạng truy nhập vô tuyến băng rộng..................................36
Hình 2.2: Cấu trúc phân lớp của WiMAX.................................................................40
Hình 2.3: Mô hình truyền thông của WiMAX..........................................................43
Hình 2.4: Môi trờng truyền sóng.............................................................................45


VII

Hình 2. 5: Kỹ thuật OFDMA ....................................................................................47
Hình 2. 6: Kênh con hóa đờng lên trong WiMAX..................................................47
Hình 2.7: Mô hình truyền thông của mạng ...............................................................52

Hình 2.8: Mô hình ứng dụng cố định (Fixed WiMAX) ............................................53
Hình 2.9: Mô hình ứng dụng di động (Mobile WiMAX) .........................................54
Hình 2.10: Mô hình ứng dụng của WiMAX .............................................................64
Hình 2.11: Kiến trúc ứng dụng của WiMAX............................................................66
Hình 3.1: Các khối chức năng của lớp vật lý của WiMAX ......................................82
Hình 3.2: Phân đoạn khối mã hóa .............................................................................84
Hình 3.3: Bộ mã hóa chập với tailbiting trong IEEE 802.16e - 2005 .......................85
Hình 3.4: Bộ mã hóa turbo trong IEEE 802.16e - 2005............................................88
Hình 3.5: Cài xen các khối con .................................................................................89
Hình 3.6: Quy trình HARQ với D thừa gia tăng. ....................................................91
Hình 3.7: Sơ đồ chòm sao ký hiệu của điều chế QPSK, 16 QAM và 6 4 QAM .......93
Hình 3.8 : Ký hiệu OFDM trong miền tần số ...........................................................95
Hình 3.9: Phơng thức hoán vị sóng mang con FUSC ..............................................98
Hình 3.10: Phơng thức hoán vị sóng mang con DL PUSC....................................100
Hình 3.11: Cơ chế hoán vị sóng mang con UL PUSC.............................................101
Hình 3.12: Cơ chế hoán vị sóng mang con UL PUSC tối u ..................................102
Hình 3.13: Hoán vị sóng mang Band AMC ............................................................103
Hình 3.14: Cấu trúc khung TDD .............................................................................105
Hình 3.15: Phân tập phát sử dụng mã hóa không gian/ thời gian............................107
Hình 3.16: Sơ đồ mã hóa không gian/ thời gian: (a) mã hóa theo chiều ngang cho 2
anten; (b) mã hóa theo chiều dọc cho 2 anten.........................................................109
Hình 3.17: Cluster PUSC cho (a) hai anten phát; (b) bốn anten phát......................110
Hình 3.18: Mã phân tập nhảy tần ............................................................................111
Hình 3.19: Cấu trúc của MIMO lặp đóng trong IEEE 802.16e-2005 .....................112
Hình 3.20: Cấu trúc ký hiệu định tầm .....................................................................117
Hình 4.1: Giao diện mô phỏng ................................................................................122
Hình 4.2: Kết quả tính toán khi không có lỗi bit.....................................................123


– VIII –

H×nh 4.3: KÕt qu¶ tÝnh to¸n khi cã lçi x¶y ra..........................................................123


IX

Danh sách các bảng
Bảng 1.1: Tổng hợp dung lợng kênh theo thông số kênh và điều chế.....................27
Bảng 2.1: Băng thông kênh .......................................................................................49
Bảng 2.2: So sánh các chuẩn IEEE 802.16................................................................59
Bảng 2.3: WiMAX với các công nghệ không dây băng rộng khác...........................72
Bảng 3.1: Tốc độ dữ liệu theo Mbps cho các chế độ mã hóa bắt buộc .....................86
Bảng 3.2: Các thông số cơ bản của mỗi ký hiệu OFDMa ..........................................94
Bảng 3.3: Tiểu sử cụm đờng lên và xuống trong IEEE 802.16e-2005....................97
Bảng 3.4: Các thông số của hoán vị sóng mang con FUSC ......................................98
Bảng 3.5: Các thông số hoán vị sóng mang con DL FUSC .......................................99


X

danh sách các từ viết tắt
ADC
AM
AMC
ARQ
ATM
AWGN
BER
BF
BLER

BPSK
BS
BSN
CC
CCDF
CDF
CDM
CDMA
CID
COFDM
CP
CQI
CRC
CS
CSI
CSMA
CTC
DAC

Analog to Digital Converter
Amplitude Modulation
Adaptive Modulation and
Coding
Automatic Repeat Request
Asynchronous Transfer Mode
Additive White Gaussian
Noise
Bit Error Ratio
Beam Forming
Block Error Ratio

Binary Phase Shift Keying
Base Station
Block Sequence Number
Convolutional Coding
Complementary Cumulative
Distribution Function
Cumulative Distribution
Function
Code Division Multiplexing
Code Division Multiple
Access
Connection Identifier
Coded OFDM
Cyclic Prefix
Channel Quality Indicator
Cyclic Redundancy Check
Convergence Sublayer
Channel State Information
Carrier Sense Multiple Access
Convolutional Turbo Code
Digital to Analog Converter

Bộ chuyển đổi tơng tự sang số
Điều chế biên độ
iu ch v mã hóa thích nghi
Yêu cu lp t ng
Chế độ truyền không đồng bộ
Nhiễu Gaussian trắng cộng
Tỷ lệ lỗi bit
Tạo luồng

Tỷ lệ lỗi khối
Khóa dịch pha nhị phân
Trạm gốc
Số chuỗi khối
Mã chập (Mã vòng xoắn)
Hàm phân phối tích lũy bổ xung
Hàm phân phối tích lũy
Ghép kênh phân chia theo mã
Đa truy nhập phân chia theo mã
Bộ nhận dạng kết nối
OFDM mã hóa
Tiếp đầu tuần hoàn
Bộ chỉ thị chất lợng kênh
Kiểm tra d thừa vòng
Lớp con hội tụ
Thông tin trạng thái kênh
Đa truy nhập dò sóng mang
Mã khối vòng xoán
Bộ chuyển đổi số - tơng tự


XI

DCD
DFS
DFT
DL
DSC
DSD
FBSS

FCC
FEC
FCH
FDD
FDM
FDMA
FDP
FEQ
FFT
FH
FIR
FSK
FUSC
H-FDD
HARQ
HiPER LAN
HMAC
HPA
HSDPA

Downlink Channel
Description
Dynamic Frequency Selection
Dicrete Fourier transform
Downlink
Dynamic Service Change
Dynamic Service Delete
Fast Base Station Switching
Federal Communications
Commission

Forward Error Correction
Frame Control Header
Frequency Division Duplexing
Frequency Division
Multiplexing
Frequency Division Multiple
Access
Frequency Domain Pilot
Frequency Domain
Equalization
Fast Fourier Transform
Frequency Hopping
Finite Impulse Response
Frequency Shift Keying
Full Usage of Subcarriers
Half Frequency Division
Duplexing
Hybrid ARQ
High Performance Local Area
Network
Hash - Based Message
Authentication Code
High Power Amplifier
High Speed Downlink Packet
Access

Mô tả kênh đờng xuống
Lựa chọn tần số động
Biến đổi Fourier rời rạc
Đờng xuống

Thay đổi dịch vụ động
Hủy dịch vụ động
Chuyển mạch BS nhanh
ủy ban thông tin quốc gia
Sửa lỗi trớc
Mào đầu điều khiển khung
Song công phân chia theo tần số
Ghép kênh phân chia theo tần số
Đa truy nhập phân chia theo tần
số
Pilot miền tần số
Cân bằng miền tần số
Biến đổi Fourier nhanh
Nhảy tần
Đáp ứng xung giới hạn
Khóa dịch tần
Sử dụng toàn bộ sóng mang con
Bán song công phân chia theo tần
số
ARQ lai
Mạng LAN hiệu suất cao
Mã nhận thực bản tin Hash
Bộ khuếch đại công suất cao
Truy nhập gói đờng xuống tốc
độ cao


XII

IBO

IDFT
ICI
IEEE
IFFT
IP
ISI
LAN
LDPC
LLR
LOS
LSB
MAC
MAI
MAN
MC-CDMA
MCM
MDHO
MIMO
MMDS
MS
MSB
MSE
MSR
NLOS
OBO
OFDM
OFDMA

Input Back-Off
Inverse Descreat Fourier

Transform
Inter - Carrier Interference
Institute of Electrical and
Electronics Engineers
Invert FFT
Internet Protocol
Inter - Symbol Interference
Local Area Network
Low Density Parity Codes
Log Likelihood Ratio
Line Of Sight
Least Significant Bit
Media Access Control
Multiple Access Interference
Metropolitan Area Network
Multi - Carrier CDMA
Multicarrier Modulation
Macro - Diversity Handover
Multiple Input Multiple
Output
Multichannel Multipoint
Distribution Services
Mobile Station
Most Significant Bit
Mean Square Error
Maximum Sum Rate
Non - Line of Sight
Output Back-Off
Orthogonal Frequency
Division Multiplexing

Orthogonal Frequency
Division Multiple Access

Đầu vào chồ truyền
Biến đổi Fourier rời rạc ngợc
Nhiễu giữa các sóng mang
Viện kỹ s điện và điện tử
Biến đổi FFT ngợc
Giao thức Intenet
Nhiễu liên ký hiệu
Mạng máy tính cục bộ
Mã parity mật đọ thấp
Tỷ số Likelihood log
Tầm nhìn thẳng
Bit có trọng số nhỏ nhất
Điều khiển truy nhập đa phơng
tiện
Nhiễu đa truy xuất
Mạng khu vực đô thị
CDMA đa sóng mang
Điều chế đa sóng mang
Chuyển giao phân tập lớn
Đa đầu vào, đa dầu ra
Dịch vụ phân chia đa điểm đa
kênh
Thiết bị di động
Bit có trọng số lớn nhất
Sai số bình phơng trung bình
Tốc độ tổng cực đại
Không trong tầm nhìn thẳng

Đầu ra chờ nhận
Ghép kênh phân chia theo tần số
trực giao
Đa truy nhập phân chia theo tần
số trực giao


XIII

OSI
P/S
PA
PAN
PAPR
PAR
PDF
PF
PHS
PHSF
PHSI
PHSM
PM
PN
PSK
QoS
QAM
QPSK
RF
RS
RSSI

S/P
SC
SCM
SDU
SFID
SINR
SISO
SOFDMA
SOHO

Open System Inter - connect
Parallel to Serial
Power Amplifier
Personal Access Network
Peak - to - Average Power
Ratio
Peak - to - Average Ratio
Probability Density Function
Proportional Fairness
Packet Header Suppression
PHS Field
PHS Index
PHS Mask
Phase Modulation
Pseudo Noise
Phase Shift Keying
Quality of Service
Quadrature Amplitude
Modulation
Quadrature Phase Shift

Keying
Radio Frequency
Reed Solomon
Received Signal Strength
Indicator
Serial to Parallel
Selection Combination
Single Carrier Modulation
Service Data Unit
Service Flow Identifier
Signal to Interference Plus
Noise Ratio
Single Input Single Output
Scalable OFDMA
Small Office/Home Office

Kết nối liên hệ thống mở
Chuyển đổi song song - nối tiếp
Khuếch đại công suất
Mạng truy nhập cá nhân
Tỷ số công suất đỉnh/ trung bình
Tỷ số đỉnh/ trung bình
Hàm mật độ xác suất
Thuật toán cân bằng tỷ lệ
Nén tiếp đầu gói
Trờng PHS
Chỉ số PHS
Mặt nạ PHS
Điều chế pha
Nhiễu giả

Khóa dịch pha
Chất lợng dịch vụ
Điều chế biên độ cầu phơng
Khóa dịch pha cầu phơng
Tần số vô tuyến
Mã Reed Solomon
Bộ chỉ thị cờng độ tín hiệu nhận
Chuyển đối nối tiếp-song song
Kết hợp lựa chọn
Điều chế đơn sóng mang
Khối số liệu dịch vụ
Bộ nhận dạng luồng dữ liệu
Tỷ số tín hiệu trên tạp âm
Một đầu vào, một đầu ra
OFDM tích hợp
Văn phòng nhỏ/ nhà văn phòng


XIV

SPID
SS
STBC
TDD
TDMA
TDP
TUSC
UCD
UL
UMTS

VoIP
WiMAX

WCDMA
WCS
WiBro
WLAN
WMAN

Sub - Packet Identity
Subscriber Station
Space/Time Block Code
Time Division Duplexing

Xác định gói con
Trạm thuê bao
Mã khối không gian/ thời gian
Song công phân chia theo thời
gian
Time Division Multiple
Đa truy nhập phân chia theo thời
Access
gian
Time Domain Pilot
Pilot miền thời gian
Tile Usage of Sub - Carriers
Sử dụng Tile của các sóng mang
con
Uplink Channel Descriptor
Bộ mô tả kênh đờng lên

Uplink
Đờng lên
Universal Mobile
Hệ thống viễn thông di động toàn
Telecommunications System
cầu
Voice Over IP
Thoại rên nền IP
Worldwide interoperability for Khả năng khai thác liên mạng
Microwave Access
trên toàn cầu đối với truy nhập
viba
Wideband CDMA
CDMA băng rộng
Wireless Communications
Dịch vụ thông tin không dây
Services
Wireless Broadband
Băng rộng không dây
Wireless Local Area Network Mạng LAN không dây
Wireless Metropolitan Area
Mạng MAN không dây
Network


1

Lời nói đầu
Ngày nay, thông tin liên lạc đóng một vai trò rất quan trọng và không thể
thiếu đợc. Nó quyết định nhiều mặt hoạt động của xã hội, giúp con ngời nắm

bắt nhanh chóng các thông tin có giá trị văn hoá, kinh tế, khoa học kỹ thuật rất đa
dạng và phong phú... Sự phát triển của Internet, thông tin vô tuyến và thông tin di
động toàn cầu đã phần nào đáp ứng đợc nhu cầu thông tin của ngời sử dụng.
Khi thế giới bớc vào kỷ nguyên của Internet, thiết bị di động và truyền tải
thông tin băng rộng thì có rất nhiều công nghệ mới đợc nghiên cứu, thử nghiệm
và đi vào sử dụng. Trong những năm gần đây, sự ra đời và phát triển nhanh chóng
của WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) tên thơng
mại của chuẩn IEEE 802.16 đã tạo ra sự quan tâm rất lớn đối với những ngời
trong ngành và các cơ quan chuyên môn.
WiMAX mang đến cuộc cách mạng Internet và wireless cho các thiết bị
xách tay trên phạm vi toàn cầu. WiMAX đã sẵn sàng mang Internet đến khắp nơi
trên thế giới và thay đổi cuộc sống của chúng ta một cách sâu sắc. Trong vài năm
tới, WiMAX sẽ cung cấp các tính năng truy nhập Internet mà không cần các kết
nối có dây truyền thống tới mọi phòng khách, máy tính xách tay, điện thoại và các
thiết bị cầm tay khác.
Là một công nghệ vô tuyến tiên tiến, WiMAX có những đặc điểm vợt trội
nh là khả năng truyền dẫn tốc độ cực cao, chất lợng dịch vụ tốt, an ninh đảm
bảo, dễ dàng triển khai lắp đặtchính vì vậy sự phát triển nhanh chóng của
WiMAX là một tất yếu.
WiMAX có khả năng truyền tải tốc độ dữ liệu cao nhờ đợc xây dựng trên
nền tảng kỹ thuật OFDM và lớp MAC linh hoạt, mềm dẻo.
Kỹ thuật OFDM với những tính năng nổi trội nh khả năng chống nhiễu,
hiệu quả sử dụng phổ cao, cho phép truyền tin với tốc độ cao... Hiện nay kỹ thuật
OFDM đã đợc ứng dụng rộng rãi và đợc tiêu chuẩn hóa là phơng pháp điều
chế cho các hệ thống truyền hình số DVB-T, phát thanh số DAB, mạng truy nhập
Internet băng rộng ADSL, hay mạng máy tính không dây tốc độ cao HiperLAN,
WiFi.... Kỹ thuật OFDM hiện đợc đề cử làm phơng pháp điều chế cho hệ thống
truy nhập Internet không dây băng rộng WiMAX theo các tiêu chuẩn IEEE
802.16 và hệ thống thông tin di động toàn cầu thế hệ thứ t.

2

OFDM ra đời đã nhanh chóng khẳng định tính u việt so với các kỹ thuật
điều chế và ghép kênh truyền thống, ngày càng đợc ứng dụng rộng rãi và hiệu
quả đặc biệt là trong thông tin vô tuyến băng rộng. Nhằm đánh giá các u điểm
của kỹ thuật OFDM và hiệu quả ứng dụng trong một công nghệ vô tuyến băng
rộng rất có triển vọng trong tơng lai là WiMAX, tác giả đã chọn đề tài ứng
dụng kỹ thuật OFDM trong WiMAX.
Nội dung của luận văn đợc chia thành 4 chơng:
Chơng 1: Giới thiệu tổng quan về kỹ thuật OFDM. Trình bày nguyên lý
điều chế, giải điều chế, tính toán dung lợng kênh truyền và các đặc điểm
của kỹ thuật OFDM.
Chơng 2: Trình bày tổng quan về công nghệ WiMAX, cấu trúc, mô hình
hệ thống, môi trờng truyền sóng và các đặc điểm kỹ thuật của hệ thống
WiMAX, các mô hình ứng dụng, các chuẩn của WiMAX và các băng tần
sử dụng cho WiMAX. Trong chơng cũng phân tích các ứng dụng thực tế
và những u nhợc điểm của công nghệ WiMAX so với các công nghệ
truyền thông không dây băng rộng khác, đồng thời trình bày khái quát về
tình hình và triển vọng phát triển của WiMAX tại Việt Nam cũng nh
trên thế giới.
Chơng 3: Trình bày về lớp vật lý của WiMAX nhờ sử dụng kỹ thuật
OFDM và kỹ thuật đa anten MIMO, trong đó chú ý đến tỷ lệ lỗi bit
(BER) trong quá trình phát và thu tín hiệu.
Chơng 4: Trình bày mô phỏng hoạt động của lớp vật của WiMAX, sử
dụng phần mềm Matlab & Simulink.
Tôi xin trân trọng cảm ơn sự hớng dẫn tận tình của PGS.TS Nguyễn
Quốc Trung, sự giúp đỡ và góp ý của các đồng nghiệp đã giúp tôi hoàn thành bản
luận văn này.
Hà nội 10/2009

Học viên

Phạm Văn Quyết


3

Chơng 1 - Kỹ thuật OFDM
1.1 Giới thiệu kỹ thuật OFDM
1.1.1 Lịch sử phát triển
Kỹ thuật điều chế OFDM là một trờng hợp đặc biệt của phơng pháp điều chế
đa sóng mang trong đó các sóng mang con (sóng mang phụ) trực giao với nhau, nhờ
vậy phổ tín hiệu ở các sóng mang con cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn
có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu. Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống
OFDM có hiệu suất phổ lớn hơn nhiều so với các kỹ thuật điều chế thông thờng.
Kỹ thuật OFDM do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ. Trong những thập
kỷ vừa qua, nhiều những công trình khoa học về kỹ thuật này đã đợc thực hiện ở
khắp nơi trên thế giới. Đặc biệt là năm 1971 các công trình khoa học của Weistein
và Ebert, ngời đã chứng minh rằng phép điều chế OFDM có thể thực hiện đợc
thông qua phép biến đổi IDFT và phép giải điều chế OFDM có thể thực hiện đợc
bằng phép biến đổi DFT. Phát minh này cùng với sự phát triển của kỹ thuật số làm
cho kỹ thuật điều chế OFDM đợc ứng dụng ngày trở nên rộng rãi. Thay vì sử dụng
IDFT và DFT ngời ta có thể sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT cho bộ điều chế
OFDM, sử dụng FFT cho bộ giải điều chế OFDM.
Ngày nay, kỹ thuật OFDM còn kết hợp với các phơng pháp mã hoá kênh sử
dụng trong thông tin vô tuyến. Các hệ thống này còn đợc gọi với khái niệm là
COFDM (Coded OFDM). Trong các hệ thống này tín hiệu trớc khi đợc điều chế
OFDM sẽ đợc mã kênh với các loại mã khác nhau với mục đích chống lại các lỗi
đờng truyền. Do chất lợng kênh (độ fading và tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm) của mỗi
sóng mang con là khác nhau, ngời ta thực hiện điều chế tín hiệu trên mỗi sóng

mang với các mức điều chế khác nhau. Hệ thống này mở ra khái niệm về hệ thống
truyền dẫn sử dụng kỹ thuật OFDM với bộ điều chế tín hiệu thích ứng (adaptive
modulation technique). Kỹ thuật này hiện đã đợc sử dụng trong hệ thống thông tin
máy tính băng rộng HiperLAN/2 ở châu Âu. Trên thế giới hệ thống này đợc chuẩn
hoá theo tiêu chuẩn IEEE.802.11a.


4

1.1.2 Các u và nhợc điểm của kỹ thuật OFDM
Bên cạnh những u điểm kể trên của kỹ thuật OFDM, các hệ thống sử dụng kỹ
thuật này còn có nhiều u điểm cơ bản khác nh sau:
Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hoàn toàn nhiễu phân tập đa đờng (ISI
Inter-Symbol Interference) nếu độ dài chuỗi bảo vệ (guard interval length)
lớn hơn trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh.
Phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng (hệ thống có tốc
độ truyền dẫn cao), do ảnh hởng của sự phân tập về tần số (frequency
selectivity) đối với chất lợng hệ thống đợc giảm nhiều so với hệ thống
truyền dẫn đơn sóng mang.
Hệ thống có cấu trúc bộ thu đơn giản.
Tuy nhiên kỹ thuật OFDM cũng có một vài nhợc điểm đó là:
Đờng bao biên độ của tín hiệu phía phát không bằng phẳng, gây ra méo
phi tuyến ở các bộ khuếch đại công suất ở đầu phát và đầu thu.
Việc sử dụng chuỗi bảo vệ giúp tránh đợc nhiễu phân tập đa đờng
nhng lại làm giảm đi một phần hiệu suất đờng truyền, do bản thân
chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích.
Do yêu cầu về điều kiện trực giao giữa các sóng mang con, hệ thống
OFDM rất nhạy cảm với hiệu ứng Doppler cũng nh sự dịch tần
(frequency offset) và dịch thời gian (time offset) do sai số đồng bộ.
Ngày nay kỹ thuật OFDM đã đợc tiêu chuẩn hóa là phơng pháp điều chế cho

các hệ thống phát thanh số DAB và DRM, truyền hình mặt đất DVB-T, mạng máy
tính không dây với tốc độ truyền dẫn cao HiperLAN/2,...

1.2 Từ điều chế đơn sóng mang đến điều chế trực giao OFDM
1.2.1 Phơng pháp điều chế đơn sóng mang
Trong phơng thức điều chế đơn sóng mang, dòng tín hiệu đợc truyền đi trên
toàn bộ băng tần B, có nghĩa là tần số lấy mẫu của hệ thống bằng độ rộng băng tần
và mẫu tín hiệu có độ dài là:


5

TSC =

1
B

(1.1)

Kí hiệu: TSC là độ dài của một mẫu tín hiệu với đơn vị là giây (s).
B là bề rộng băng tần của hệ thống với đơn vị là Hertz (Hz).
Mt ph
nng lng

f0

Tần số

B
Hình 1. 1: Mật độ phổ năng lợng của hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang

Phổ tín hiệu của hệ thống đợc mô tả nh ở hình 1.1, trong đó toàn bộ hệ thống
đợc điều chế trên sóng mang là f0. Trong thông tin vô tuyến băng rộng, kênh vô
tuyến thờng là kênh phụ thuộc tần số (frequency selective channel). Tốc độ lấy
mẫu ở thông tin băng rộng sẽ rất lớn, do đó chu kỳ lấy mẫu TSC sẽ rất nhỏ. Do vậy,
phơng pháp điều chế đơn sóng mang có các nhợc điểm sau:
ảnh hởng của nhiễu lên tín hiệu ISI gây ra bởi hiệu ứng phân tập đa đờng
đối với tín hiệu thu là rất lớn. Điều này đợc giải thích nh sau: Giả thiết trễ
truyền dẫn lớn nhất của kênh là max , tỷ số tơng đối giữa trễ truyền dẫn lớn
nhất của kênh và độ dài mẫu tín hiệu TSC là:
RSC =

max
TSC

(1.2)

Tỷ số này lớn hơn nhiều so với trờng hợp điều chế đa sóng mang. Điều
này đợc giải thích do độ dài của một mẫu tín hiệu TSC là rất nhỏ so với trờng
hợp điều chế đa sóng mang. Do vậy ảnh hởng của trễ truyền dẫn có thể gây
nên nhiễu liên tín hiệu ISI(Inter-Symbol Interference) ở nhiều mẫu tín hiệu thu.


6

ảnh hởng của sự phụ thuộc kênh theo tần số đối với chất lợng hệ thống
rất lớn.
Hai lý do nêu trên làm cho bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu ở máy thu phức
tạp hơn nhiều so với trờng hợp điều chế đa sóng mang.
Phơng pháp điều chế đơn sóng mang hiện nay đợc sử dụng chủ yếu trong hệ
thống thông tin băng hẹp nh hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM. Trong

thông tin băng rộng, phơng pháp điều chế đa sóng mang ra đời để cải thiện các
nhợc điểm kể trên.
1.2.2 Phơng pháp điều chế đa sóng mang FDM
Phơng pháp điều chế đa sóng mang đợc hiểu là toàn bộ phần băng tần của hệ
thống đợc chia làm nhiều băng con với các sóng mang con cho mỗi băng con là
khác nhau. ý tởng của phơng pháp này đợc mô tả ở hình 1.2:
Mt ph
nng lng

f L

f0

f +L

Tn s

B
Hình 1. 2: Mật độ phổ năng lợng của hệ thống đa sóng mang
Phơng pháp điều chế đa sóng mang còn đợc hiểu là phơng pháp ghép kênh
phân chia theo tần số FDM, trong đó toàn bộ bề rộng phổ tín hiệu của hệ thống đợc
chia làm NC =2L+1 kênh song song hay còn gọi là kênh phụ với bề rộng là:
fS =

B
NC

(1.3)

Độ dài của một mẫu tín hiệu trong điều chế đa sóng mang sẽ lớn hơn NC lần so

với độ dài mẫu tín hiệu trong điều chế đơn sóng mang:


7

TS( MC ) =

1
= TS( SC ) .N C
fS

(1.4)

Hệ quả là tỷ số tơng đối giữa trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh đối với độ dài
mẫu tín hiệu trong điều chế đa sóng mang cũng giảm NC lần so với điều chế đơn
sóng mang
RMC =

max
TMC

=

RSC
NC

(1.5)

Do vậy nhiễu liên tín hiệu ISI gây ra bởi trễ truyền dẫn chỉ ảnh hởng đến một
số ít các mẫu tín hiệu. Chất lợng hệ thống ít bị ảnh hởng bởi hiệu ứng phân tập đa

đờng. Các u điểm cơ bản của phơng pháp điều chế đa sóng mang so với phơng
pháp điều chế đơn sóng mang có thể liệt kê nh sau:
ảnh hởng của nhiễu tín hiệu ISI đến chất lợng hệ thống giảm đáng kể.
ảnh hởng của hiệu ứng lựa chọn tần số của kênh (frequency selectivity
effect) đối với chất lợng hệ thống cũng giảm do kênh đợc chia ra làm
nhiều kênh phụ.
Độ phức tạp của bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu cho hệ thống cũng giảm.
Tuy nhiên phơng pháp điều chế đa sóng mang cũng có một nhợc điểm cơ
bản:
Hệ thống nhạy cảm với hiệu ứng phụ thuộc thời gian của kênh (time
selectivity). Điều này là do độ dài của một mẫu tín hiệu tăng lên, nên sự
biến đổi về thời gian của kênh vô tuyến có thể xảy ra trong một mẫu tín
hiệu.
Phơng pháp điều chế đa sóng mang không làm tăng hiệu quả sử dụng băng
tần của hệ thống so với phơng pháp điều chế đơn tần, ngợc lại nếu các kênh phụ
đợc phân cách với nhau ở một khoảng nhất định thì điều này làm giảm hiệu suất sử
dụng phổ. Để làm tăng hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống đồng thời vẫn kế thừa
đợc các u điểm của phơng pháp điều chế đa sóng mang, phơng pháp điều chế
đa sóng mang trực giao OFDM ra đời.
1.2.3 Phơng pháp điều chế trực giao OFDM


8

Điều chế đa sóng mang trực giao OFDM là một dạng đặc biệt của phép điều
chế đa sóng mang thông thờng FDM với các sóng mang con đợc lựa chọn sao cho
mỗi sóng mang con là trực giao với các sóng mang con còn lại. Nhờ sự trực giao này
phổ tín hiệu của các kênh con cho phép chồng lấn lên nhau. Điều này làm hiệu quả
sử dụng phổ của hệ thống tăng lên rõ rệt. Sự chồng lấn về phổ tín hiệu của các kênh
con đợc mô tả nh hình 1.3 và hình 1.4:

Hình 1. 3: Mật độ phổ năng lợng của tín hiệu điều chế đa sóng mang OFDM

(a)

(b)

Hình 1. 4: Phổ tín hiệu cuả hệ thống các kênh con: (a) Phổ tín hiệu của hệ thống 1
kênh con; (b) Phổ tín hiệu của hệ thống 4 kênh con


9

Hình 1.4 minh hoạ một cách đơn giản về nguyên lý trực giao, trong đó phổ tín
hiệu của một kênh con có dạng tín hiệu hình sin(x)/x. Các kênh con đợc xếp đặt
trên miền tần số cách nhau một khoảng đều đặn sao cho điểm cực đại của một kênh
con là điểm không của kênh con lân cận. Điều này làm nguyên lý trực giao thoả
mãn và cho phép máy thu khôi phục lại tín hiệu mặc dù phổ của các kênh con chồng
lấn lên nhau.

1.3 Khái niệm về OFDM
1.3.1 Khái niệm
OFDM (Othogonal Frequency Division Multiplexer) là kỹ thuật ghép kênh
phân chia theo tần số trực giao hay còn đợc gọi là kỹ thuật điều chế đa sóng mang
trực giao. OFDM đợc phát minh vào năm 1966, ứng dụng trong các hệ thống
truyền hình số và truyền thanh số băng rộng. OFDM không sử dụng các bộ lọc
thông dải để tách rời phổ các sóng mang nh trong kỹ thuật FDMA mà sử dụng kỹ
thuật biến đổi Fourier IDFT/DFT hay IFFT/FFT để xử lý tín hiệu.
Từ luồng tín hiệu băng rộng truyền nối tiếp tốc độ cao đợc chia thành M
đờng song song tốc độ thấp, sau đó từng luồng dữ liệu sẽ đợc ánh xạ vào các sóng

mang thành phần, để hình thành tín hiệu điều chế OFDM.
Nguyên lý ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM, hoạt động trên
nguyên lý phân chia luồng tín hiệu thành nhiều luồng song song có tốc độ bit thấp
hơn nhiều và sử dụng các luồng con này để điều chế sóng mang với nhiều sóng
mang con có tần số trực giao với nhau. Cũng giống nh hệ thống đa sóng mang
thông thờng, hệ thống OFDM phân chia dải tần công tác thành các băng tần khác
nhau để điều chế, đặc biệt tần số trung tâm của các băng tần con này trực giao với
nhau về mặt toán học cho phép phổ tần của các băng con có thể chèn lấn lên nhau
làm tăng hiệu quả sử dụng phổ tần mà không gây nhiễu.
OFDM thực chất là một trờng hợp đặc biệt của truyền dẫn đa sóng mang, ở
đây chuỗi dữ liệu đơn tốc độ cao đợc chia nhỏ thành những chuỗi tốc độ thấp hơn
và phát đồng thời trên các sóng mang con. Điều đáng chú ý ở đây là nó đợc xem
nh một thay đổi về kỹ thuật điều chế và kỹ thuật ghép kênh. Một trong những lí do
chính để sử dụng OFDM là nó tăng khả năng chống lại chọn lọc tần số và chống lại


10

nhiễu băng hẹp. Trong một hệ thống đơn sóng mang, một đơn hoặc nhiễu có thể là lí
do làm suy hao dẫn đến hỏng đờng truyền, nhng ở hệ thống đa sóng mang, chỉ
một phần nhỏ trong số các sóng mang con bị ảnh hởng. Mã sửa lỗi có thể đợc
dùng để sửa những lỗi nhỏ đó của các sóng mang con. Khái niệm của việc sử dụng
phát dữ liệu song song và ghép kênh phân chia theo tần số đợc phổ biến vào giữa
những năm 1960.

Hình 1.5: Hiệu quả sử dụng phổ của OFDM
Trong một hệ thống dữ liệu song song trớc đây, toàn bộ băng tần số tín hiệu
đợc chia thành N kênh con có tần số không lẫn lên nhau. Mỗi kênh con đợc điều
chế với một chuỗi ký hiệu và sau đó N kênh con đợc ghép kênh theo tần số. Nó
đợc xem nh là một biện pháp tốt để tránh sự chồng lẫn phổ của kênh truyền gây ra

nhiễu đồng kênh. Tuy nhiên, làm nh vậy sẽ làm giảm hiệu quả sử dụng phổ. Để đối
phó với điều này, những ý kiến đợc đề xuất từ giữa năm 1960 là sử dụng số liệu
song song và điều chế FDM với các kênh con chồng lẫn lên nhau, ở đây mỗi một
sóng mang mang theo một tín hiệu tốc độ b sẽ đợc đặt cách nhau khoảng b về tần
số, điều này cho phép giảm các bộ san bằng tốc độ cao và chống lại ảnh hởng của
các xung tạp âm và nhiễu đa đờng. Vì vậy cho phép ta tận dụng một cách đầy đủ
phổ tần, tăng hiệu quả sử dụng tần số.
Hình 1.5 thể hiện sự khác nhau giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang thông
thờng không chồng lẫn phổ và kỹ thuật điều chế OFDM. Nhìn trên hình vẽ ta thấy
kỹ thuật điều chế OFDM cho phép tiết kiệm 50% băng tần. Tuy nhiên chúng ta cần