Kỹ thuật OFDM và ứng dụng OFFDM ứng dụng trong WiMAX

..

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

luận văn thạc sĩ khoa học

Kỹ thuật ofdm và ứng dụng Ofdm ứng dụng trong wimax
ngành : điện tử – viƠn th«ng
m· sè:23.04.3898

Vị quang tun

Ng­êi h­íng dÉn khoa häc : pgs.ts. lê bá dũng

Hà Nội 2008


Mục lục
Lời nói đầu ...............................................................................................
Mục lục ....................................................................................................
Danh sách các từ viết tắt ..........................................................................
Danh sách các hình vẽ .............................................................................
Danh sách các bảng .................................................................................
Chương 1: TổNG QUAN Về Sự PHáT TRIểN của CáC Hệ

1
3
6
14

17
18

THốNG KHÔNG DÂY BĂNG RộNG ................................................
1.1. Tiến trình phát triển của băng rộng không dây .............................
1.1.1. Hệ thống lặp nội bộ không dây băng hẹp (Narrowband
WLL) ..............................................................................................
1.1.2. Hệ thống băng rộng thế hệ thứ nhất .....................................
1.1.3. Hệ thống băng réng thÕ hƯ thø hai ........................................
1.1.4. Sù xt hiƯn cđa Công nghệ dựa trên các tiêu chuẩn
(Standards-Based Technology) ...
1.2. Hệ thống băng rộng cố định: Các thị trường chính và các ứng
dụng .....................................................................................................
1.3. Băng rộng không dây di động: Các thị trường chính và các ứng
dụng .....................................................................................................
1.4. Wimax và các công nghệ không dây khác .....................
1.4.1. Hệ thống di động tế bào 3G ..................................................
1.4.2. Hệ thống Wi-Fi .
1.4.3. So sánh WiMAX với 3G và Wi-Fi
Chương

2:

đặc

điểm

của

pha

đinh

đa

đường

20
21
22
25
26
29
32
34
35
37
38
42


2.1. Giới thiệu ..

42

2.2. Kênh pha đinh Ricean và Rayleigh ..

43

2.3. Dạng trễ đa đường (Profile trễ đa đường) .

2.4. Kênh pha đinh lựa chọn tần số và không lựa chọn tần số .............

47
49


2.5. Hàm tương quan thời gian không gian ..

50

2.6. Ví dụ về các kênh pha đinh đa đường ...

51

Chương 3: Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần

56

số

trực

giao

OFDM

...............................................................................
3.1. Nguyên lý cđa OFDM …………………………………………..

56

3.1.1. Giíi thiƯu …………………………………………………..

56

3.1.2. Ngn gèc cđa OFDM .
3.1.3. Tác dụng của phép biến đổi Fourier rời rạc (DFT) ...............
3.1.4. chèn tiền tố tuần hoàn cho OFDM ........................................
3.2. Các đặc tính của OFDM ................................................................
3.2.1. Giới thiệu ..

56

3.2.2. Mô hình kênh vô tuyến .

65

3.2.3. Tỷ lệ lỗi bit trong kênh AWGN
3.2.4 Tỷ lệ lỗi bit của hệ thống OFDM CPSK trong kênh pha đinh
Rayleigh ..........................................................................................
3.2.5. Tối ưu hóa số lượng sóng mang con và độ dài của khoảng
bảo vệ ..............................................................................................
3.2.6. Tăng cường sức mạnh chống lại pha đinh lựa chọn tần số ....
3.2.7. Tăng cường sức mạnh chống lại tạp âm nhân tạo .....
3.2.7.1. Kênh tạp âm thử được phát (Generalized Shot Noise
Channel) .

66

3.2.7.2. Tốc độ lỗi bit của SCM trong kênh GSN ..

59
62
65
65

70
70
75
75
75
77

Chương 4: LớP VậT Lý CđA WIMAX ...............................................

79

4.1. M· hãa kªnh …………………………………………………….

81

4.1.1. M· chËp (M· vòng xoắn) .

82

4.1.2. MÃ turbo
4.1.3. MÃ turbo khối và m· LDPC ..................................................
4.2. ARQ lai – HARQ .......................................................................
4.3. Xen kÏ (Cµi xen) ...........................................................................

84
87
88
89


90
4.4. ánh xạ ký hiệu .
4.5. Cấu trúc kí hiệu OFDM ................................................................
91
95
4.6. Hoán vị kênh và sóng mang con ...
4.6.1. Sử dụng toàn bộ đường xuống của các sóng mang con 96
DL FUSC
4.6.2. Sử dụng một phần đường xng cđa c¸c sãng mang con – 98
DL PUSC ....................................................................................
4.6.3. Sử dụng một phần đường lên của các sóng mang con – UL 100
PUSC .........................................................................................
102
4.6.4. ViƯc sư dơng Khèi cđa các sóng mang con TUSC
103
4.6.5. Điều chế và mà hóa thích nghi băng (Band AMC) .
4.7. Cấu trúc khe và khung .

104

4.8. Phân tập tần số và MIMO .....

107

4.8.1. Phân tập phát và mà hóa không gian thời gian .

108

4.8.2. MÃ phân tập nhảy tần

111

4.9. MIMO lặp ®ãng (Closed-Loop MIMO) …………………………
4.9.1. Chän lùa anten ……………………………………………

112
115

4.9.2. Nhãm anten ………………………………………………

115

4.9.3. Håi tiÕp dùa trªn Codebook ………………………………
4.9.4. Håi tiÕp kªnh lượng tử hóa ..................................................
4.9.5. Dò kênh (Channel Sounding) ..............................................
4.10. Định tầm .....................................................................................
4.11. Điều khiển công suất ...................................................................

116

Chương 5: mô phỏng .........................................................................

117
117

118
120
122

Kết luận ...................................................................................................
Tài liệu tham khảo ...................................................................................
Phu lục .

125
126
127


1

Kü tht OFDM vµ øng dơng – OFDM øng dơng trong WiMAX

Lời nói đầu

Chúng ta đang sống trong một kỷ nguyên mới - kỷ nguyên thông tin.
Các thành tựu khoa học công nghệ mới tác động trực tiếp đến nhiều lÜnh vùc
cđa cc sèng cịng nh­ x· héi. Mét trong các lĩnh vực chịu ảnh hưởng lớn
nhất của thành tựu khoa học công nghệ là lĩnh vực điện tử - viễn thông nói
chung và thông tin di động nói riêng. Ngày nay, thông tin liên lạc đóng một
vai trò rất quan trọng và không thể thiếu được. Nó quyết định nhiều mặt
hoạt động của xà hội, giúp con người 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 thông tin di động toàn cầu đà phần nào đáp ứng được nhu cầu
thông tin cđa ng­êi sư dơng.
Trong hai thËp kû võa qua, nh÷ng ưu điểm của truyền thông đà định

hình lại cuộc sống thường ngày của chúng ta. Truyền thông không dây
đà tăng từ vị trí ít người biết đến, trở thành một công nghệ có mặt khắp mọi
nơi và phục vụ gần mét nưa d©n sè thÕ giíi. Dï chóng ta cã biết đến hay
không, thì máy tính điện tử ngày nay cũng có ảnh hưởng rất lớn trong các
hoạt động hàng ngày của chúng ta, và Internet đà hoàn toàn định hình lại
cách làm việc, giao tiếp, vui chơi cũng như học tập của con người.
Mặc dù có những sự thay ®ỉi lín lao trong lèi sèng cđa chóng ta trong
vµi năm vừa qua, nhưng việc hội tụ của Không dây (wireless) víi Internet
víi mơc ®Ých theo ®i mét sù thay đổi lớn lao rằng wireless sẽ thâm nhập
và trở lên rộng khắp thế giới giống như giấy và bút chúng ta vẫn bắt gặp
hàng ngày. WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access)
mang đến cuộc cách mạng Internet và Wireless cho các thiết bị xách tay
trên phạm vi toàn cầu. WiMAX đà 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 của 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.

Vũ Quang Tuyền – Líp cao häc §TVT 2006-2008


2

Kü tht OFDM vµ øng dơng – OFDM øng dơng trong WiMAX

Trong lĩnh vực viễn thông rộng lớn, với đồ án mang tên Kỹ thuật
OFDM và ứng dụng OFDM ứng dụng trong WiMAX. Tác giả trình bày
về một kỹ thuật đà và đang được hoàn thiện để ứng dụng ngày một hiệu quả
hơn trong thực tiễn - kỹ thuật OFDM, và một trong những ứng dụng điển
hình của nó, đó là WiMAX. Khuôn khổ đồ án được chia thành 5 chương:

Chương 1. Tổng quan về sự phát triển các hệ thống không dây băng
rộng: Nêu lên tiến trình của mạng băng rộng không dây qua các giai đoạn
phát triển, thị trường và các ứng dụng của nó. So sánh WiMAX với các công
nghệ không dây khác.
Chương 2. Đặc điểm cđa pha ®inh ®a ®­êng: Giíi thiƯu vỊ pha ®inh
®a đường và các đặc điểm của nó, đây là yếu tố quan trọng tác động đến
việc truyền tín hiệu trên kênh vô tuyến.
Chương 3. Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM: Là một dạng của kỹ thuật đa sóng mang, hứa hẹn mang lại nhiều lợi
ích trong ngành viễn thông nói chung và thông tin băng rộng nói riêng. Phần
này trình bày nguyên lý cơ bản của OFDM, các đặc tính của OFDM, việc sử
dụng phÐp biÕn ®ỉi DFT trong xư lý tÝn hiƯu OFDM, Tỷ lệ lỗi bit (BER)
trong hệ thống OFDM
Chương 4. Lớp vật lý của WiMAX: Trình bày khái quát về lớp vËt lý
cđa WiMAX nhê sư dơng kü tht OFDM vµ kỹ thuật đa anten MIMO. Nêu
lên các bước cấu thành tín hiệu OFDM như MÃ hóa kênh, Cài xen, ánh xạ
ký hiệu
Chương 5. Mô phỏng: Sử dụng Simulink (Matlab) để thiết kế một mô
hình mô phỏng hoạt động của lớp vËt lý WiMAX sư dơng kü tht OFDM.
Do h¹n chÕ về nhiều mặt nên Luận văn chắc chắn không tránh khỏi
những thiếu xót, Rất mong được sự đóng góp ý kiến của Thầy, Cô và các
bạn để Luận văn được hoàn thiện hơn.
Em xin trân trọng cảm ơn thầy giáo, Phó giáo sư, Tiến sỹ Lê Bá
Dũng đà tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá trình hoàn thành
Luận văn.
Học viên: Vũ Quang Tuyền

Vũ Quang Tuyền Líp cao häc §TVT 2006-2008


3

Kü tht OFDM vµ øng dơng – OFDM øng dơng trong WiMAX

Mục lục
Lời nói đầu ...............................................................................................
Mục lục ....................................................................................................
Danh sách các từ viết tắt ..........................................................................
Danh sách các hình vẽ .............................................................................
Danh sách các bảng .................................................................................
Chương 1: TổNG QUAN Về Sự PHáT TRIểN của CáC Hệ

1
3
6
14
17
18

THốNG KHÔNG DÂY BĂNG RộNG ................................................
1.1. Tiến trình phát triển của băng rộng không dây .............................
1.1.1. Hệ thống lặp nội bộ không dây băng hẹp (Narrowband
WLL) ..............................................................................................
1.1.2. Hệ thống băng rộng thế hệ thứ nhất .....................................
1.1.3. Hệ thống băng rộng thế hệ thứ hai ........................................
1.1.4. Sự xuất hiện của Công nghệ dựa trên các tiêu chuẩn
(Standards-Based Technology) ...
1.2. Hệ thống băng rộng cố định: Các thị trường chính và các ứng
dụng .....................................................................................................
1.3. Băng rộng không dây di động: Các thị trường chính và các ứng
dụng .....................................................................................................

1.4. Wimax và các công nghệ không dây khác .....................
1.4.1. Hệ thống di ®éng tÕ bµo 3G ..................................................
1.4.2. HƯ thèng Wi-Fi …………………………………………….
1.4.3. So sánh WiMAX với 3G và Wi-Fi
Chương 2: đặc

điểm

của

pha

đinh

đa

đường


2.1. Giới thiệu ..
2.2. Kênh pha đinh Ricean và Rayleigh ..
2.3. Dạng trễ đa đường (Profile trễ đa đường) .
2.4. Kênh pha đinh lựa chọn tần số và không lựa chọn tần số .............
2.5. Hàm tương quan thời gian không gian ..

Vũ Quang Tun – Líp cao häc §TVT 2006-2008

20
21
22

25
26
29
32
34
35
37
38
42
42
43
47
49
50


4

Kü tht OFDM vµ øng dơng – OFDM øng dơng trong WiMAX

2.6. Ví dụ về các kênh pha đinh đa đường ...

51

Chương 3: Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần

56

số

trực

giao

OFDM................................................................................
3.1. Nguyên lý của OFDM ..

56

3.1.1. Giới thiệu ..

56

3.1.2. Nguồn gốc của OFDM .
3.1.3. Tác dụng của phép biến đổi Fourier rời rạc (DFT) ...............
3.1.4. chèn tiền tố tuần hoàn cho OFDM ........................................
3.2. Các đặc tính của OFDM ................................................................
3.2.1. Giới thiệu ..
3.2.2. Mô hình kênh vô tuyến .

56

3.2.3. Tỷ lệ lỗi bit trong kênh AWGN
3.2.4 Tỷ lệ lỗi bit của hệ thống OFDM CPSK trong kênh pha đinh
Rayleigh ..........................................................................................
3.2.5. Tối ưu hóa số lượng sóng mang con và độ dài của khoảng
bảo vệ ..............................................................................................
3.2.6. Tăng cường sức mạnh chống lại pha đinh lựa chọn tần số ....
3.2.7. Tăng cường sức mạnh chống lại tạp âm nhân tạo .....
3.2.7.1. Kênh tạp âm thử được phát (Generalized Shot Noise

Channel) .
3.2.7.2. Tốc độ lỗi bit của SCM trong kênh GSN ..

59
62
65
65
65
66
70
70
75
75
75
77

Chương 4: LíP VËT Lý CđA WIMAX ...............................................

79

4.1. M· hãa kªnh …………………………………………………….

81

4.1.1. MÃ chập (MÃ vòng xoắn) .

82

4.1.2. MÃ turbo
4.1.3. MÃ turbo khèi vµ m· LDPC ..................................................

4.2. ARQ lai – HARQ .......................................................................
4.3. Xen kẽ (Cài xen) ...........................................................................

84

4.4. ánh xạ ký hiệu ………………………………………………….
4.5. CÊu tróc kÝ hiƯu OFDM ................................................................

Vị Quang Tun – Líp cao häc §TVT 2006-2008

87
88
89
90
91


5

Kü tht OFDM vµ øng dơng – OFDM øng dơng trong WiMAX

95
4.6. Hoán vị kênh và sóng mang con ...
4.6.1. Sử dụng toàn bộ đường xuống của các sóng mang con 96
DL FUSC
4.6.2. Sử dụng một phần đường xng cđa c¸c sãng mang con – 98
DL PUSC ....................................................................................
4.6.3. Sử dụng một phần đường lên của các sóng mang con – UL 100
PUSC .........................................................................................
102

4.6.4. ViƯc sư dơng Khèi cđa các sóng mang con TUSC
103
4.6.5. Điều chế và mà hóa thích nghi băng (Band AMC) .
4.7. Cấu trúc khe và khung .

104

4.8. Phân tập tần số và MIMO .....

107

4.8.1. Phân tập phát và mà hóa không gian thời gian .

108

4.8.2. MÃ phân tập nhảy tần

111

4.9. MIMO lặp ®ãng (Closed-Loop MIMO) …………………………

112

4.9.1. Chän lùa anten ……………………………………………

115

4.9.2. Nhãm anten ………………………………………………

115

4.9.3. Håi tiÕp dùa trªn Codebook ………………………………
4.9.4. Håi tiÕp kªnh lượng tử hóa ..................................................
4.9.5. Dò kênh (Channel Sounding) ..............................................
4.10. Định tầm .....................................................................................
4.11. Điều khiển công suất ...................................................................

116

Chương 5: mô phỏng .........................................................................

117
117
118
120
122

Kết luận ...................................................................................................
Tài liệu tham khảo ...................................................................................
Phu lục .

125
126
127

Vũ Quang Tun – Líp cao häc §TVT 2006-2008


6

Kü tht OFDM vµ øng dơng – OFDM øng dơng trong WiMAX

danh sách các từ viết tắt
1xEV-DO
1xEV-DV
3G
3GPP
AAS
ACK
ADC
AM
AMC
ARQ
ATM
AWGN
BER
BF
BLER
BPSK
BS
BSN
CC
CCDF
CDF

1x evolutiondata optimized 1x tèi ­u tiÕn tr×nh sè liƯu
1x evolution—data and voice 1x cho tiến trình số liệu và
thoại
Third generation
Thế hệ thứ 3

Third-generation
Dự ¸n céng t¸c thÕ hÖ thø 3
partnership project
Advanced antenna systems Hệ thống anten tiên tiến
Acknowledgement
Bản tin ACK
Analog to digital converter Bộ chuyển đổi tương tự sang
số
Amplitude modulation
Điều chế biên độ
Adaptive modulation and
Điều chế và mã hóa thích nghi
coding
Automatic repeat request
u cu lp t ng
Asynchronous transfer
Chế độ truyền không đồng bộ
mode
Additive White Gaussian
Nhiễu Gaussian trắng cộng
Noise
Tỷ lệ lỗi bit
Bit error ratio
Beamforming
Tạo luồng
Block error ratio
Tỷ lệ lỗi khối
Binary Phase Shift Keying
Khóa dịch pha nhị phân
Base station

Trạm gốc
Block sequence number
Số chuỗi khối
Convolutional coding
MÃ chập (MÃ vòng xoắn)
Complementary cumulative Hàm phân phối tích lũy bổ
distribution function
xung
Cumulative distribution
Hàm phân phối tích lũy
function

Vũ Quang Tuyền Líp cao häc §TVT 2006-2008


7

Kü tht OFDM vµ øng dơng – OFDM øng dơng trong WiMAX

CDM
CDMA
CID
CQI
CPE
CRC
CS
CSI
CSMA
CTC
DAC

DC
DCD
DECT
DFS
DFT
DHCP
DL
DSC
DSD
DSL
EDGE
E-GPRS
ETSI

Code Division Multiplexing
Code division multiplex
access
Connection Identifier
Channel quality indicator
Customer premise
equipment
Cyclic redundancy check
Convergence sublayer
Channel state information
Carrier sense multiple
access
Convolutional turbo code
Digital to analog converter
Direct current
Downlink channel

description
Digital Enhanced Cordless
Technology
Dynamic Frequency
Selection
Dicrete Fourier transform
Dynamic Host
Configuration Protocol
Downlink
Dynamic service change
Dynamic service delete
Digital subscriber line
Enhanced Data for GSM
Environment
Enhanced GPRS
European

Vũ Quang Tuyền Lớp cao học ĐTVT 2006-2008

Ghép kênh phân chia theo mÃ
Đa truy nhập phân chia theo
mÃ
Bộ nhận dạng kết nối
Bộ chỉ thị chất lượng kênh
Thiết bị đầu cuối khách hàng
Kiểm tra dư 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 tương tự
Dòng một chiều
Mô tả kênh đường xuống
Điện thoại có dây mở rộng
chức năng số
Lựa chọn tần số động
Biến đổi Fourier rời rạc
Giao thức cấu hình máy chủ
động
Đường xuống
Thay đổi dịch vụ động
Hủy dịch vụ động
Đường dây thuê bao số
Tăng cường số liệu cho GSM
GPRS tăng cường
Viện các chuẩn viễn thông


8

Kü tht OFDM vµ øng dơng – OFDM øng dơng trong WiMAX

ETRI

FBSS
FCC
FEC
FCH
FDD
FDM

FDMA
FDP
FEQ
FFT
FH
FHDC
FIR
FM
FSK
FTP
FUSC
H-FDD
HARQ
HIPERLAN

Telecommunications
Standards Institute
Electronics and
Telecommunications
Research Institute
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
Frequency-hopping
diversity code
Finite impulse response
Frequency Modulation
Frequency shift Keying
File transfer protocol
Full usage of subcarriers
Half frequency division
duplexing
Hybrid ARQ
High Performance Local

Vò Quang Tuyền Lớp cao học ĐTVT 2006-2008

Châu âu
Viện nghiên cứu điện tử và
viễn thông
Chuyển mạch BS nhanh
ủy ban thông tin quốc gia
Sửa lỗi trước
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
MÃ phân tập nhảy tần
Đáp ứng xung giới hạn
Điều tần
Khóa dịch tần
Giao thức truyền file
Sử dụng toàn bộ sóng mang
con
Bán song công phân chia theo
tần số
ARQ lai
M¹ng LAN hiƯu st cao


9

Kü tht OFDM vµ øng dơng – OFDM øng dơng trong WiMAX

HIPERMAN
HMAC
HPA
HSDPA
HSPA
HSUPA

IBO
IDFT

Area Network
High-performance MAN
Hash – based message
authentication code
High power amplifier
High speed downlink packet
access
High-speed packet access
High-speed uplink packet
access

LOS
LSB
MAC

Input backoff
Inverse Descreat Fourier
Transform
Inter – carrier interference
Independent and Identically
Distributed
Institute of Electrical and
Electronics Engineers
Invert FFT
Internet Protocol
Inter – symbol interference
Global Position System

Local Area Network
Low density parity codes
Log likelihood ratio
Local multipoint
distribution systems
Line of sight
Least significant bit
Media access control

MAN

Metropolitan area network

ICI
i.d.d
IEEE
IFFT
IP
ISI
GPS
LAN
LDPC
LLR
LMDS

Vị Quang Tun – Líp cao häc §TVT 2006-2008

Mạng MAN hiệu suất cao
MÃ nhận thực bản tin Hash
Bộ khuếch đại công suất cao

Truy nhập gói đường xuống
tốc độ cao
Truy nhập gói tốc độ cao
Truy nhập gói đường lên tốc
độ cao
Đầu vào chờ truyền
Biến đổi Fourier rời rạc ngược
Nhiễu liên sóng mang
Phân bố xác định và độc lập
Viện kỹ sư điện và điện tử
Biến đổi FFT ngược
Giao thức Intenet
Nhiễu liên ký tự
Hệ thống định vụ toàn cầu
Mạng máy tính cơc bé
M· parity mËt ®ä thÊp
Tû sè Likelihood log
HƯ thèng phân bố đa điểm nội
hạt
Tầm nhìn thẳng
Bit có trọng số nhỏ nhất
Điều khiển truy nhập đa
phương tiện
Mạng khu vực đo thÞ


10

Kü tht OFDM vµ øng dơng – OFDM øng dơng trong WiMAX

MC-CDMA
MCM
MDHO
MF
MIMO
MMDS
MMSE
MRC
MPEG
MS
MSB
MSE
MSR
NLOS
OBO
OFDM
OFDMA
OSI
P/S
PA
PAN
PAPR
PAR

Multi – carrier CDMA
Multicarrier Modulation
Macro – diversity
handover
Maximum fairness
Multiple input multiple

output
multichannel multipoint
distribution services
Minimum mean square
error
Maximal ratio combining
Motion Picture Experts
Group
Mobile station
Most significant bit
Mean square error
Maximum sum rate
Non – line of sight
Output backoff
Orthogonal frequency
division multiplexing
Orthogonal frequency
division multiple access
Open system inter –
connect
Parallel to serial
Power amplifier
Personal Access Network
Peak – to – average
power ratio
Peak – to – average ratio

Vị Quang Tun – Líp cao häc §TVT 2006-2008

CDMA ®a sãng mang

§iỊu chÕ ®a sãng mang
Chun giao phân tập lớn
Thuật toán cân bằng lớn nhất
Đa đầu vào, đa dầu ra
Dịch vụ phân chia đa điểm đa
kênh
Lỗi bình phương trung bình
nhở nhất
Kết hợp tỷ số cực đại
Nhóm chuyên ảnh động
Thiết bị di động
Bit có trọng số lớn nhất
Sai số bình phương 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
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


11

Kü tht OFDM vµ øng dơng – OFDM øng dơng trong WiMAX

PDA
PDF
PF
PHS
PHSF
PHSI
PHSM
PIN
PM
PN
PSK
QoS
QAM
QPSK
RF
RS
RSSI
S/P
SC
SCM
SDU
SFID
SINR
SISO
SME
SNR
SOFDMA

Personal data assistant
Probability density function
Proportional fairness
Packet header suppression
PHS field
PHS index
PHS mask
Personal Identification
Number
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

Small- to medium-enterprise
signal-to-noise ratio
Scalable OFDMA

Vị Quang Tun – Líp cao học ĐTVT 2006-2008

Hỗ trợ số liệu cá nhân
Hàm mật đọ xác suất
Thuật toán cân bằng tỷ lệ
Nén tiếp đầu gói
Trường PHS
Chỉ số PHS
Mặt nạ PHS
Số nhận dạng cá nhân
Điều chế pha
Nhiễu giả
Khóa dịch pha
Chất lượng dịch vụ
Điều chế biên độ cầu phương
Khóa dịch pha cầu phương
Tần số vô tuyến
MÃ Reed Solomon
Bộ chỉ thị cường 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 tren tạp âm

Một đầu vào, một đầu ra
Đầu tư nhỏ đến trung bình
Tỷ số tín hiệu/ tạp âm
OFDM tích hỵp


12

Kü tht OFDM vµ øng dơng – OFDM øng dơng trong WiMAX

SOHO
SOVA
SPID
SS
STBC
TDD
TDMA
TDP
TUSC
UCD
UHF
UL
ULA
UMTS
USIM
VDSL
VLAN
VLR
VoD
VoIP

VPI
VPN
WAN
WAP
WiMAX

Small office/home office

Văn phòng nhỏ/ nhà văn
phòng
Soft input/ soft output
Đầu vào mềm/ đầu ra mềm
Sub packet identity
Xác định gói con
Subscriber station
Trạm thuê bao
Space/time block code
MÃ khối không gian/ thời gian
Time division duplexing
Song công phân chia theo thời
gian
Time division multiple
Đa truy nhập phân chia theo
access
thời gian
Time Domain Pilot
Pilot miền thêi gian
Tile usage of sub – carriers Sư dơng Tile của các sóng
mang con
Uplink channel descriptor

Bộ mô tả kênh đường lên
Ultra-high frequency
Tần số siêu cao
Uplink
Đường lên
Uniform linear array
Mảng tuyến tính không đổi
Universal Mobile Telecom
Hệ thống viễn thông di động
System
toàn cầu
Universal subscriber
Mô-đun nhận dạng thêu bao
identity module
toàn cầu
Very high data rate digital
Vòng lặp thuê bao số tốc độ
subscriber loop
số liệu rất cao
Virtual local area
Mạng LAN ảo
networking
Thanh ghi định vị tạm trú
Visitor Location Register
Video on demand
Video theo yêu cầu
Voice over IP
Thoại rên nền IP
Virtual path indicator
Bộ chỉ thị đường ảo

Virtual private network
Mạng riêng ảo
Wide area network
Mạng diện rộng
Wireless access protocol
Giao thức truy nhập vô tuyến
Worldwide interoperability Khả năng khai thác liên mạng

Vũ Quang Tun – Líp cao häc §TVT 2006-2008


13

Kü tht OFDM vµ øng dơng – OFDM øng dơng trong WiMAX

for microwave access
WCDMA
WCS
WiBro
Wi-Fi
WISP
WLAN
WLL
WRAN
WMAN
WSS
WSSUS

Wideband CDMA
Wireless communications

services
Wireless broadband
Wireless fidelity
Wireless Internet service
provider
Wireless Local Area
Network
Wireless local loop
Wireless regional area
network
Wireless Metropolitan Area
Network
Wide-sense stationary
Wide-sense stationary
uncorrelated scattering

Vũ Quang Tuyền Lớp cao học ĐTVT 2006-2008

trên toàn cầu đối với truy nhập
viba
CDMA băng rộng
Dịch vụ thông tin không dây
Băng rộng không dây
Wi-Fi
Nhà cung cấp dịch vụ Internet
không dây
Mạng LAN không dây
Lặp cục bộ không dây
Mạng RAN không dây
Mạng MAN không dây

ổn định rò diện rộng
Tán xạ không t­¬ng quan
WSS


14

Kü tht OFDM vµ øng dơng – OFDM øng dơng trong WiMAX

Danh sách các hình vẽ
Hình 1.1. Tăng trưởng của thuê bao sử dụng điện thoại di động,
Internet và truy nhập băng rộng (1990 2006) .

19

Hình 1.2. Minh họa các ứng dụng Điểm-Đa điểm của WiMAX
Hình 2.1: Ví dụ một kênh pha đinh đa đường .........................................
Hình 2.2: Phân bố Rice và phân bố Rayleigh .
Hình 2.3: Quan hệ giữa h() và h(,t)
Hình 2.4: Quan hệ giữa H(f,t) và DH() ..................................................
Hinh 2.5: Ví dụ về profile trễ đa đường; (a) profile trễ đa đường suy
giảm theo hàm mũ; (b) profile trễ đa đường i.i.d

29

Hình 2.6: Mô hình Jake ..

53

Hình 2.7: Phổ công suất Doppler

Hình 2.8: Biến đổi thời gian của một tín hiệu nhận được thông kênh
thông qua một kênh pha đinh Rayleigh; (a) đường bao; (b) pha .

54

Hình 3.1: So sánh SCM và MCM; (a) phổ tần của các tín hiệu phát ..
Hình 3.2: So sánh dạng sóng truyền; (a) Hệ thống truyền số liệu theo
ký tự băng sơ bản; (b) hệ thống OFDM ..................................................
Hình 3.3: HƯ thèng OFDM; (a) m¸y ph¸t; (b) m¸y thu ..
Hình 3.4: Đáp ứng xung tức thời của một kênh pha đinh lựa chọn tần số
Hình 3.5: Các tín hiệu phát; (a) không chèn khoảng bảo vệ; (b) chèn
khoảng bảo vệ; (c) chèn khoảng bảo vệ với tiền tố tuần hoàn .
Hinh 3.6: Các tín hiệu nhận; (a) không chèn kho¶ng b¶o vƯ; (b) chÌn
kho¶ng b¶o vƯ; (c) chÌn kho¶ng bảo vệ với tiền tố tuần hoàn .

57

Hình 3.7: Mô hình kênh vô tuyến ..
Hình 3.8: Sơ đồ truyền dẫn cđa mét hƯ thèng OFDM CPSK; (a) m¸y
ph¸t; (b) m¸y thu .
Hình 3.9: Sơ đồ truyền dẫn của một hệ thèng OFDM DPSK; (a) m¸y
ph¸t; (b) m¸y thu ……………………………………………………….

66

Vị Quang Tun – Líp cao häc §TVT 2006-2008

43
47
48

51
52

55

60
61
62
63
64

67
69


15

Kü tht OFDM vµ øng dơng – OFDM øng dơng trong WiMAX

Hình 3.10: Quan hệ giữa số lượng sóng mang con, tính lựa chọn tần số
và tính lựa chọn thời gian ........................................................................
Hình 3.11: Quan hệ giữa chiều dài khoảng bảo vệ, hiệu suất năng lượng
và tính lựa chọn tần số ............................................................................
Hình 3.12: Tối ưu hoá số lượng sóng mang con và chiều dài khoảng
bảo vệ; (a) tối ưu hoá số lượng sóng mang con và chiều dài khoảng bảo
vệ chống lại tần số Doppler; (b) tối ưu hoá số lượng sóng mang con và
chiều dài khoảng bảo vệ chống lại trải trễ RMS .....................................
Hình 3.13: Minh hoạ GSN ..

72

Hình 3.14: ảnh hưởng của tạp âm xung tại thời điểm lấy mẫu ..............

78

Hình 4.1: Các khối chức năng của lớp vật lý WiMAX

80

Hình 4.2: Phân đoạn khối mà hóa ...

82

Hình 4.3: Bé m· hãa chËp víi tailbiting trong IEEE 802.16e – 2005 ...

83

H×nh 4.4: Bé m· hãa turbo trong IEEE 802.16e 2005 ...
Hình 4.5. Cài xen các khối con ...............................................................
Hình 4.6: Qui trình HARQ với Dư thừa gia tăng .
Hình 4.7: Sơ đồ chòm sao ký hiệu của điều chế QPSK, 16 QAM và 6 4
QAM ...

86

Hình 4.8: Ký hiệu OFDM trong miền tần số ..

94

Hình 4.9: Phương thức hoán vị sóng mang con FUSC

97

Hình 4.10: Phương thức hoán vị sóng mang con DL PUSC .
Hình 4.11. Cơ chế hoán vị sóng mang con UL PUSC .

100
101

Hình 4.12: Cơ chế hoán vị sóng mang con UL PUSC tối ưu ..

102

Hình 4.13: Hoán vị sóng mang Band AMC

103

Hình 4.14: Cấu trúc khung TDD ...

105

73
74

76

87
89
92

Hình 4.15: Phân tập phát sử dụng mà hóa không gian/ thời gian 108
Hình 4.16: (a) m· hãa theo chiÒu ngang cho 2 anten; (b) m· hãa theo 110
chiỊu däc cho 2 anten ………………………………………………….
H×nh 4.17: Cluster PUSC cho (a) hai anten ph¸t; (b) bèn anten phát . 111
Hình 4.18: MÃ phân tập nhảy tần
Hình 4.19: Cấu trúc của MIMO lặp đóng trong IEEE 802.16e-2005 ….

Vị Quang Tun – Líp cao häc §TVT 2006-2008

112
114


16

Kü tht OFDM vµ øng dơng – OFDM øng dơng trong WiMAX

Hình 4.20: Cấu trúc ký hiệu định tầm .

119

Hình 5.1. Giao diện mô phỏng

123

Hình 5.2. Kết quả tính toán khi không có lỗi bit .

124

Hình 5.3. Kết quả tính toán khi có lỗi xảy ra ... 124

Vũ Quang Tun – Líp cao häc §TVT 2006-2008


17

Kü tht OFDM vµ øng dơng – OFDM øng dơng trong WiMAX

Danh sách các bảng
Bảng 1.1. Những mốc quan trọng trong quá trình phát triển của hệ
thống không dây băng rộng .....................................................................
Bảng 1.2: Tóm tắt lịch sử OFDM ............................................................
Bảng 1.3: WiMAX với các công nghệ không dây băng rộng khác .........
Bảng 4.1: Tốc độ dữ liệu theo Mbps cho các chế độ mà hóa bắt buộc

25

Bảng 4.2: Các thông số cơ bản của mỗi ký hiệu OFDM ..

93

Bảng 4.3: Tiểu sử cụm đường lên và xuống trong IEEE 802.16e-2005 ...

96

Bảng 4.4: Các thông số của hoán vị sóng mang con FUSC .

98

Bảng 4.5: Các thông số hoán vị sóng mang con DL FUSC …………….

99

Vị Quang Tun – Líp cao häc §TVT 2006-2008

28
40
84


18

Kü tht OFDM vµ øng dơng – OFDM øng dơng trong WiMAX

Chương 1:
TổNG QUAN Về Sự PHáT TRIểN của CáC Hệ THốNG KHÔNG
DÂY BĂNG RộNG
Mạng băng rộng là sự kết hợp của hai vấn đề đáng quan tâm nhất của
ngành công nghiệp truyền thông trong những năm gần đây. Cả Không dây
(Wireless) và Băng rộng (Broadband) đà có được những sự đồng thuận lớn của
thị. Các dịch vụ di động không dây đà tăng từ 11 triệu thuê bao trong năm
1990 đến hơn 2 tỷ thuê bao vào năm 2005. Trong thời kỳ này thì mạng Internet
từ chỗ là một công cụ hàn lâm đà trở thành công cụ có 1 tỷ người dùng. Sự phát
triển đáng kinh ngạc này của Internet đang đòi hỏi các yêu cầu dịch vụ truy
nhập Internet tốc độ cao hơn, dẫn đến sự phát triển song song trong mạng băng
rộng. Chưa đầy một thập kỷ trước, số lượng thuê bao băng rộng toàn cầu đÃ
phát triển từ con số 0 lên đến 200 triệu.
Mục ®Ých kÕt hỵp sù héi tơ cđa wireless víi hiƯu suất cao của băng rộng
là giới hạn tiếp theo cho sự phát triển của công nghiệp viễn thông? Liệu có thể
làm được việc kết hợp giữa kỹ thuật và thương mại được hay không? wireless

có thể cung cấp các dịch vụ và ứng dụng băng rộng thỏa mÃn người dùng hay
không? Nhiều nhà quan sát tin tưởng sẽ làm được như vậy. Trước khi chúng ta
đi sâu nghiên cứu vô tuyến băng rộng, chúng ta hÃy xem xét sự phát triển của
mạng băng rộng hiện nay. Công nghệ Đường dây thuê bao số (DSL) cung cấp
băng rộng thông qua đường dây điện thoại, công nghệ Cable modem cung cấp
dịch vụ thông qua cáp TV hiện nay đang chiếm ưu thế trong công nghệ truy
nhập băng rộng. Cả hai công nghệ này đều cung cấp cho người dùng tốc độ
khoảng vài Mbps, và vẫn đang tiếp tục được nghiên cứu để nâng cấp tốc độ lên
nhiều chục Mbps, và điều này có thể thực hiện được.
Kể từ khi được triển khai lần đầu vào cuối những năm 1990, các dịch vụ
này đà có được sự phát triển đáng kể. Mỹ đà có hơn 50 triệu thuê bao băng
rộng, bao gồm hơn một nửa thuê bao Internet gia đình. Trên toàn thế giíi sè

Vị Quang Tun – Líp cao häc §TVT 2006-2008


19

Kü tht OFDM vµ øng dơng – OFDM øng dơng trong WiMAX

lượng này hiện nay là hơn 200 triệu và được đặt mục tiêu phát triển hơn 400
triệu vào năm 2010. Sự đa dạng của các giải pháp không dây cho mạng băng
rộng có thể làm gia tăng nhanh hơn nữa sự phát triển này. Những ứng dụng nào
sẽ dẫn đường cho sự phát triển này? Người dùng trên toàn cầu đang mong đợi
một sự đột biến trong việc chia sẻ thông tin, và tìm kiếm giải trí?

Hình 1.1. Tăng trưởng của số lượng thuê bao sử dụng điện thoại di động,
Internet và truy nhập băng rộng (1990 2006)

Truy nhập băng rộng không chỉ cung cấp việc lướt Web và tải các files

trên mạng nhanh mà còn cung cấp được nhiều các dịch vụ đa phương tiện như
audio thời gian thực và video streaming (Video theo dòng), hội nghị đa phương
tiện và các trò chơi tương tác. Các kết nối băng rộng cũng được sử dụng cho
thoại dùng công nghệ VoIP. Các hệ thống truy nhập băng rộng tiên tiÕn h¬n
nh­ Fiber to the home (FTTH); VDSL (Very high data rate digital subscriber
loop) vµ Video on demand (VoD). Khi mà thị trường băng rộng đang tiếp tục
phát triển, nhiều ứng dụng mới đang nổi lên vì vậy rất khó để dự đoán được
ứng dụng nào sẽ thành công trong tương lai.
Vậy băng rộng không dây là gi? Băng rộng không dây là những gì đang
làm cho những người sử dụng băng rộng (Broadband) được tham gia vào môi

Vũ Quang Tun – Líp cao häc §TVT 2006-2008


20

Kü tht OFDM vµ øng dơng – OFDM øng dơng trong WiMAX

trường không dây (wireless) , nó cung cấp cho người dùng những lợi ích và sự
thuận lợi đáng quan tâm. Có hai kiểu dịch vụ băng rộng không dây khác nhau
cơ bản. Kiểu thứ nhất cố gắng cung cấp các dịch vụ tương tự như băng rộng cố
định truyền thống nhưng sử dụng vô tuyến (Wireless) như là một phương tiện
truyền dẫn. Kiểu này thường gọi là Băng rộng không dây cố định (Fixed
wireless broadband), có thể coi rằng nã nh­ mét lùa chän cã tÝnh c¹nh tranh
víi DSL hay Cable modem. Kiểu thứ hai của băng rộng không dây được gọi là
Băng rộng di động, có thêm các tính năng xách tay (portability), di cư
(nomadicity) và di động (Mobility). (Nomadicity: tức là khả năng kết nối đến
mạng từ các vùng khác nhau thông qua các trạm gốc khác nhau; Mobility: tức
là khả năng giữ kết nối liên tục trong khi di di chuyển ở tốc độ của phương tiện
giao thông)

Vô tuyến băng rộng cố gắng mang lại các ứng dụng băng rộng đến các
người dùng mới trong tương lai và do đó có thể cung cấp đến người sử dụng
cuối cùng các giá trị khác nhau. Trong phần này ta sẽ xem xét môt cách tổng
quan về mạng Băng rộng không dây. Mục tiêu là diễn giải các kiến thức cơ bản
cần thiết để hiểu về công nghệ WiMAX (worldwide interoperability for
microware access). Chóng ta cịng xem xÐt lịch sử của băng rộng không dây,
liệt kê các ứng dụng của nó và thảo luận về xu hướng kinh doanh cũng như các
thách thức.

1.1. Tiến trình phát triển của băng rộng không dây
Lịch sử của băng rộng không dây có liên quan đến WiMAX có thể được
nhận thấy nhờ vào mong muốn tìm kiếm các công nghệ có tính cạnh tranh với
công nghệ truy nhập có dây (wireline-access) truyền thống. Được kích thích
bởi sự bÃi bỏ của ngành công nghiệp viễn thông và sự phát triển nhanh của
Internet, nhiều nhà khai thác viễn thông có sức cạnh tranh được thúc đẩy trong
việc tìm kiếm các giải pháp không dây để vượt qua các nhà cung cấp dịch vụ
đang tồn tại. Trong suốt một thập kỷ trước hay xa hơn, một số các hệ thống
truy nhập không dây đà được triển khai, hầu hết bởi các công ty tiên phong
(Start-up) được thúc đẩy bởi tiềm năng bất ngờ của không dây. Các hệ thống

Vũ Quang Tuyền Lớp cao học §TVT 2006-2008


21

Kü tht OFDM vµ øng dơng – OFDM øng dơng trong WiMAX

này có sự thay đổi rộng rÃi các thông số về hiệu suất, giao thức, tần số sử dụng,
các ứng dụng kỹ thuật và một loạt các thông số khác.
Vài sự triển khai đà thành công nhưng chỉ giới hạn ở một vài ứng dụng

và chừng mực nào đó. Rõ ràng, băng rộng không dây cho đến thời điểm này
vẫn trong thời kỳ kiểm thử, và có tính riêng lẻ bởi vì sự phân đoạn của công
nghiệp viễn thống, dẫn đến thiếu các chuẩn chung mang tính toàn cầu. Sự xuất
hiện của WiMAX như là một chuẩn công nghiệp được mong đợi có thể thay
đổi được tình hình này. Dựa vào tính đa dạng của các giải pháp nghiên cứu và
triển khai cho mạng vô tuyến băng rộng trong quá khứ, một cuộc khảo sát về
lịch sử phát triển của vấn đề này sẽ được thực hiện trong phạm vi của chương
này. Thay vì cung cấp một bản tóm tắt của các mô hình rộng lớn về sự phát
triển này. Một bản danh sách theo thứ tự thời gian của một vài sự kiện quan
trọng liên quan đến sự phát triển của băng rộng không dây được cho trong
bảng 1.1. Công nghệ WiMAX đà trải qua 4 thời kỳ: Hệ thống lặp nội bộ không
dây băng hẹp (Narrowband WLL), Hệ thống băng rộng thế hệ thứ nhất, Hệ
thống băng rộng thế hệ thứ hai, Công nghệ dựa trên các tiêu chuẩn (StandardsBased Technology).

1.1.1. Hệ thống lặp nội bộ không dây băng hẹp (Narrowband WLL)
ứng dụng đầu tiên về việc lựa chọn wireless được thực hiện và triển khai
là dành cho thoại (Voice). Các hệ thống này có tên là wireless local-loop
(WLL) và đà khá thành công tại các nước đang phát triển như Trung Quốc, ấn
độ, Indonesia, Brazil, và Nga nơi mà các yêu cầu của người dùng khá cao về
các dịch vụ thoại cơ bản không thể được đáp ứng bởi việc sử dụng cấu trúc hạ
tầng có dây sẵn có. Trên thực tế, hệ thống WLL dựa trên các tiêu chuẩn Điện
thoại có dây mở rộng thêm chức năng số (DECT) và CDMA đang tiếp tục được
thực hiện trên thị trường. Trên những thị trường, nơi mà cơ sở hạ tầng của lặp
nội bộ (local-loop infrastructure) đà có sẵn và khá mạnh dành cho các ứng
dụng thoại thì các hệ thống WLL cung cấp các giá trị mới là khá cạnh tranh.
Tiếp sau sự thương mại hóa của Internet vào năm 1993, yêu cầu truy nhập
Internet bắt đầu tăng mạnh và việc cung cấp nhanh chóng các truy nhËp

Vị Quang Tun – Líp cao häc §TVT 2006-2008