Tổng quan về hệ thống wimax

CHƯƠNG 1 : Tổng Quan Về Hệ thống WIMAX 1.1 Giới thiệu chương Trước khi đi vào tìm hiểu các vấn đề về ước lượng kênh trong hệ thống OFDM của WiMAX, ta sẽ tìm hiểu hệ thống WiMAX là gì?, nó có những đặc điểm gì?, và nó có những ưu điểm nào trong các ứng dụng thực tế. 1.2 Giới thiệu hệ thống WIMAX : 1.2.1 WIMAX là gì ? WIMAX là từ viết tắt của Worldwide Interoperability For Microwave Access-khả năng kết nối không dây trên diện rộng với truy nhập vi ba. Nó cho phép truy nhập băng thông rộng vô tuyến đến đầu cuối (last mile) như một phương thức thay thế cho cáp là DSL. WIMAX cho phép kết nối băng rộng vô tuyến cố định, mang xách tay được, di động mà không cần thiết ở trong tầm nhìn thẳng (line of sight) trực tiếp đến một trạm. WIMAX có 2 phiên chính : WIMAX cố định (Fixed WIMAX) WIMAX di động(Mobile WIMAX) 1.2.2 Lịch sử ra đời : Chuẩn 802.16 được xây dựng từ viện kĩ thuật điện và điện tử từ năm 1999, nhưng tiêu chuẩn đầu tiên được đưa ra và được cả thế giới công nhận vào năm 2001. 2003 > 802.16a 2004 > 802.16d 2005 > 802.16e Chuẩn được thiết kế hỗ trợ cho cả phương thức song công theo thời gian (Time Division Duplex-TDD) và song công theo tần số (Frequency Division Duplex-FDD). TDD, tại đó đường lên và đường xuống dùng chung một kênh nhưng không truyền cùng một lúc. FDD, tại đó đường lên và đường xuống hoạt động trong những kênh riêng biệt. 1.2.3 Đặc điểm của WIMAX: WIMAX di đông cũng có các đặc điểm giống EV-DO hoặc HSxPA nhằm tăng tốc độ truyền thông (Data Rate). Những đặc điểm đó bao gồm: mã hoá và điều chế thích nghi (Adaptive Modulation and coding-AMC), kĩ thuật sửa lỗi bằng dò lặp (Hybrid Automatic Repeat Request-HARQ). Phân bố nhanh (Fast Scheduling) và chuyển giao mạng (Handover) nhanh và hiệu quả. Không giống như công nghệ 3G dựa trên CDMA được xây dựng nhằm vào dịch vụ thoại, WIMAX được thiết kế để đáp ứng dịch vụ truyền dữ liệu dung lượng lớn (trong đó có cả dịch vụ thoại VoIP). WIMAX sử dụng kĩ thuật trải phổ SOFDMA và hạ tần mạng xây dựng trên nền IP. WIMAX cung cấp khả năng kết nối Internet không dây nhanh hơn WIFI, tốc độ uplink và downlink cao hơn, sử dụng được nhiều ứng dụng hơn, và quan trọng là vùng phủ ong rộng hơn và không bị ảnh hưởng bởi địa hình. WIMAX có thể thay đổi một cách tự động phương thức điều chế để có thể tăng vùng phủ ong bằng cách giảm tốc độ truyền và ngược lại. Để tăng vùng phủ ong, chuẩn WIMAX hoặc sử dụng mạng Mesh hoặc sử dụng anten thông minh hoặc MIMO. Dữ liệu truyền trong mạng WIMAX được phân chia thành 5 lớp dịch vụ với những ưu tiên khác nhau nhằm cung ứng QoS. Ngoài ra bảo mật cũng là một đặc điểm nổi trội của WIMAX so với WIFI. 1.3 Các chuẩn của WIMAX: 1.3.1 Chuẩn cơ bản 802.16 : Chuẩn 802.16 được tạo ra với mục đích là tạo ra những giao diện (Interface) không dây dựa trên một giao thức MAC (Media Access Control) chung. Kiến trúc mạng cơ bản của 802.16 bao gồm một trạm phát BS (Base Station) và người sử dụng ( SS-Subcribe Station ). Trong một vùng phủ ong, trạm BS sẽ điều khiển toàn bộ sự truyền dữ liệu (Traffic). Điều đó có nghĩa là sẽ không có sự trao đổi truyền thông giữa 2 SS với nhau. Nối kết giữa BS và SS sẽ gồm một kênh Downlink và Uplink. Kênh Uplink sẽ chia sẽ cho nhiều SS trong khi kênh Downlink có đặc điểm Broadcast. Trong trường hợp không có vật cản giữa BS và SS ( Line of sight ), thông tin sẽ được trao đổi trên băng tần cao. Ngược lại, thông tin sẽ được trao đổi ở băng tần thấp để chống lại nhiễu. 1.3.2 Các chuẩn bổ sung (Amendments) của WIMAX : Chuẩn 802.16a: Chuẩn này sử dụng băng tần có bản quyền từ 2-11 Ghz. Đây là băng tần thu hút được nhiều quan tâm nhất vì tín hiệu truyền có thể vượt được các chướng ngại trên đường truyền. 802.16a còn thích ứng cho việc triển khai mạng Mesh mà trong đó một thiết bị cuối (Terminal) có thể liên lạc với BS thông qua một thiết bị cuối khác. Với đặc tính này, vùng phủ ong của 802.16a BS sẽ được nới rộng. Chuẩn 802.16b: Chuẩn này hoạt động trên băng tần 5-6Ghz với mục đích cung ứng dịch vụ với chất lượng cao (QoS). Cụ thể chuẩn ưu tiên truyền thông tin của những ứng dụng Video, thoại, Real-time thông qua những lớp dịch vụ khác nhau (Class of Service). Chuẩn 802.16c: Chuẩn này định nghĩa ong các Profile mới cho dải băng tần từ 10-66 Ghz với mục đích cải tiến Interoperability. Chuẩn 802.16d: Có một số cải tiến nhỏ so với 802.16a. Chuẩn này được chuẩn hoá 2004. Các thiết bị Pre-WIMAX có trên thị trường là dựa vào chuẩn này. Chuẩn 802.16e: Đang trong giai đoạn hoàn thiện và chuẩn hoá. Đặc điểm nổi bật của chuẩn này là khả năng cung cấp các dịch vụ di động ( vận tốc di chuyển lớn nhất mà có thể sử dụng dịch vụ này lên đến 100 Km/h ). Ngoài ra, còn có nhiều chuẩn bổ sung khác đang được triển khai hoặc đang trong giai đoạn chuẩn hoá như 802.16g, 802.16f, 802.16h… 1.4 Các công nghệ sử dụng trong WIMAX: 1.4.1 Điều chế thứ tự cao hơn: Ngược với công nghệ tương tự có trước đây (FM,AM) và biểu đồ điều chế số hóa hiệu suất thấp. (PSK, BPSK, và QPSK) được sử dụng rộng rãi trong các mạng ngày nay, công nghệ băng rộng không dây yêu cầu sử dụng các biểu đồ điều chế theo thứ tự cao hơn với hiệu quả trải phổ tốt hơn. Tuy nhiên biểu đồ điều chế theo thứ tự cao hơn này rất dễ bị tác động bởi nhiễu (Interference) và hiện tượng đa đường dẫn. Cả hai yếu tố này đều phổ biến trong các triển khai mạng không dây có mặt khắp nơi với số lượng người ong lớn. Hình 1.1: Một số lược đồ điều chế theo thứ tự khác nhau Để biết được những tác động này, công nghệ OFDM, OFDMA và SOFDMA là những công nghệ truy cập mới cải tiến hỗ trợ kênh cần thiết để đạt được hiệu quả trải phổ cao hơn với thông lượng kênh cao hơn. Những công nghệ mới này là nền tản cho WIMAX di động và các hệ thống băng rộng di động thế hệ tiếp theo khác. 1.4.1.1 Công nghệ OFDM: Nhu cầu về các dịch vụ băng thông rộng tin cậy trong điều kiện truyền không dây bị che chắn (tầm nhìn khuất–NLOS, đặc biệt bị ảnh hưởng bởi hiện tượng đa đường dẫn và can thiệp từ các nhà cung cấp dịch vụ không dây khác) đã đưa công nghệ không dây vào triển khai rộng khắp sử dụng công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM trong các chuẩn và sản phẩm . Hình 1.2: Công nghệ OFDM Công nghệ OFDM chia luồng dữ liệu ra thành nhiều đường truyền băng hẹp trong vùng tần số sử dụng các ong mang con trực giao với một ong mang con khác. Những ong mang con này sau đó ghép thành các kênh tần số để truyền vô tuyến. Hình 1.3 : Lược đồ các ong mang con trong OFDM. Các đường truyền băng hẹp này sử dụng các kí tự có khoảng thời gian dài (Long-Duration-Sysbol) trong miền thời gian để làm cho các kí tự không bị méo do hiện tượng đa đường dẫn. Bằng cách sử dụng các khoảng thời gian của kí tự xấp xỉ 100 ms với khoảng bảo vệ khoảng 10 ms, công nghệ OFDM cho phép khắc phục được các tác động của hiện tượng đa đường . Hình 1.4 : Sự nguyên vẹn của kí tự được sử dụng làm chậm trễ hiện tượng đa đường dẫn với khoảng bảo vệ thời gian. Để đảm bảo khả năng trực giao, khoảng dãn cách giữa các ong mang con phải được chọn lựa sao ong đảo ngược với khoảng thời gian của kí tự . Hình 1.5 : Khoảng dãn cách giữa các ong mang con được lựa chọn để mỗi ong mang con trực giao với các ong mang con khác. Độ dãn cách giữa các ong mang con phải cân bằng với sự đảo ngược các khoảng thời gian của kí tự . Số lượng các ong mang con phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ rộng kênh và mức độ nhiễu. Con số này tương ứng với kích thước FFT ( Fast-Fourier-Transformer ). Chuẩn giao tiếp vô tuyến 802.16-2004 xác định rõ 256 sóng mang con, tương ứng với kích cỡ FFT từ 512 đến 2048 phù hợp với các độ rộng kênh từ 5 tới 20 Mhz để duy trì tương đối khoảng thời gian không đổi của kí tự và khoảng dãn cách giữa các ong mang con độc lập với độ rộng kênh . Vì thế với công nghệ OFDM, sự kết hợp của các ong mang con trực giao truyền song song với các kí tự có khoảng thời gian dài đảm bảo rằng lưu lượng băng thông rộng không bị hạn chế do môi trường bị che chắn tầm nhìn (NLOS) và nhiễu do hiện tượng đa đường dẫn. 1.4.1.2 Công nghệ OFDMA: Truy cập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA ) là công nghệ đa ong mang phát triển từ công nghệ OFDM, ứng dụng như một công nghệ đa truy cập. Được diễn tả như biểu đồ dưới đây, OFDMA hỗ trợ các nhiệm vụ của các ong mang con đối với các thuê bao nhất định. Mỗi một nhóm ong mang con được biểu thị như một kênh con (sub-channel), và mỗi thuê bao được chỉ định một hoặc nhiều kênh con để truyền phát dựa trên mỗi yêu cầu cụ thể và lưu lượng của mỗi thuê bao. Hình 1.6 : Công nghệ OFDM và OFDMA OFDMA có một số ưu điểm như khả năng linh hoạt tăng, thông lượng và tính ổn định được cải tiến. Bằng việc ấn định các kênh con cho các thuê bao cụ thể, việc truyền phát của các thuê bao có thể xảy ra đồng thời mà không cần sự can thiệp nào, do đó sẽ giảm thiểu tác động như ảnh hưởng đa truy cập –MAI (Multiplex Access interference). Hơn nữa, hiện tượng các kênh con cho phép tập trung công suất phát qua một số lượng các ong mang con ít hơn. Kết quả này làm tăng số đường truyền dẫn đến tăng phạm vi và khả năng phủ ong . Việc sửa đổi bổ sung chuẩn IEEE 802.16e-2005 được triển khai nhằm mở rộng chuẩn vô tuyến 802.16 đáp ứng các ứng dụng di động. Sự bổ sung này cho phép công nghệ OFDMA đáp ứng nhiều tính năng sử dụng một cách linh hoạt và các thách thức về việc các thuê bao di động di chuyển nhanh trong môi trường NLOS. Chuẩn 802.16e-2005 hỗ trợ 3 tuỳ chọn phân phối kênh con, tùy theo tình huống sử dụng như sau : Các ong mang con có thể được tán xạ thông qua kênh tần số. Điều này liên quan đến việc sử dụng phân hoá kênh con (sub-channelization) hoặc FUSC. Một số nhóm ong mang con tán xạ có thể được sử dụng để tạo thành một kênh con. Điều này liên quan 1 phần đến việc sử dụng phân hoá kênh con (sub-channelization) hoặc PUSC. Các kênh con có thể được tạo ra bởi các nhóm ong mang con tiếp theo. Điều này liên quan đến sự điều biến và mã hoá tuỳ ứng hoặc AMC. Với PUSC hoặc FUSC, việc phân phối các ong mang con tới các kênh con được thực hiện theo mô hình giả ngẫu nhiên mà ở đó các ong mang con của một kênh con nhất định trong một cell nhất định khác với các ong mang con tại cùng một kênh con đó trong một cell khác (VD : ong mang con trong kênh con 1 của cell 1 sẽ hoàn toàn khác với ong mang con của kênh con 1 trong cell 2). Sự hoán đổi giả ngẫu nhiên này có ảnh hưởng tương đối đến nhiễu. Điều này làm giảm tác động đối nghịch của hiện tượng nhiễu giữa các cell. Nhìn chung, FUSC và PUSC là 2 tuỳ chọn tốt nhất cho các ứng dụng di động, trong khi AMC hoàn toàn phù hợp cho các ứng dụng cố định, mang xách hoặc di chuyển chậm. 1.4.1.3 Công nghệ SOFDMA: Việc mở rộng OFDMA (SOFDMA) hỗ trợ khả năng điều chỉnh OFDMA cho phù hợp với độ rộng kênh đang được sử dụng. Theo nguyên tắc khi ấn định số lượng dải phổ dành cho các nhà cung cấp dịch vụ khác, các thông số công nghệ OFDMA có thể được tối ưu hóa sao cho tỷ lệ với dải băng tần cấp cho một nhà cung cấp dịch vụ cụ thể. Với S-OFDMA, kích cỡ FFT khác với độ rộng kênh dựa trên các thông số theo chuẩn 802.16e-2005. Trong kênh tần số 5Ghz một FFT kích cỡ 512 sóng mang con được xác định còn một kênh 10Mhz, một FFT kích cỡ 1024 được xác định. Điều đó đảm bảo rằng cả 2 hệ thống 5Mhz và 10Mhz có cùng khoảng thời gian của kí tự và do đó có cùng khả năng chống méo đa đường kể cả khi 2 hệ thống khác nhau về kích cỡ. 1.4.1.4 Các công nghệ anten sử dụng trong WIMAX: 1.4.1.4.1 Hệ thống anten thông minh: Hệ thống công nghệ anten thông minh có liên quan đến loại anten được thiết kế để tăng cường độ tín hiệu nhận được trong mạng truy cập không dây. Mục đích để làm tăng CINR (Carrier-to-interference plus noise radio). Sử dụng công nghệ anten thông minh có thể vừa làm tăng cường độ tín hiệu nhận được và làm giảm mức độ nhiễu để tăng phần lớn công dụng của một mạng giao tiếp di động. Cường độ tín hiệu nhận được dao động khi các thuê bao di động trong vùng phủ ong và việc sử dụng nhiều anten hoặc anten thông minh để tăng chất lượng đường truyền đã được nghiên cứu ngay từ khi các hệ thống di động đầu tiên mới ra đời. Bước đầu tiên là sử dụng nhiều anten để cung cấp độ phân tập thu “receiver diversity ”. Hệ thống này hoặc lựa chọn một anten với cường độ tín hiệu mạnh nhất hoặc tối ưu phối hợp các tín hiệu nhận được từ tất cả các anten. Chuẩn WIMAX hỗ trợ nhiều loại công nghệ anten thông minh, bao gồm đa cổng vào ra ( MIMO ) và hệ thống anten thông minh cải tiến (hoặc thích nghi) (ASS) trên cả hai loại thiết bị đầu cuối khách ong và trạm gốc. Trong khi MIMO đề cập đến việc sử dụng nhiều anten và kết quả quá trình yêu cầu các tín hiệu bổ sung, ASS tùy thuộc hoặc vào công nghệ “ mã hóa không gian-thời gian ” (Space-time coding) hoặc tạo chum tia “ beam-forming ”. Với beam-forming, tín hiệu với năng lượng phát đi, sẽ định hình theo dạng vật lý và truyền phát trực tiếp đến một thuê bao cụ thể dẫn đến độ lợi cao hơn, thông lượng cao hơn và khả năng chống nhiễu tốt hơn. Do công nghệ OFDMA chuyển một kênh dài tần rộng thành nhiều ong mang con phẳng và độ rộng kênh hẹp, ASS có thể được hỗ trợ với độ phức tạp ít hơn nhiều so với yêu cầu của các hệ thống băng rộng không dây khác. 1.4.1.4.2 Công nghệ đa cổng vào ra : Công nghệ đa cổng vào ra (MIMO) miêu tả các hệ thống sử dụng nhiều hơn 1 radio và hệ thống anten tại một điểm cuối của các đường kết nối không dây. Trước đây, chi phí để kết hợp nhiều anten và các radio trong một đầu cuối khách ong là rất cao. Các cải tiến gần đây trong công nghệ tích hợp và triển khai quy mô nhỏ cho hệ thống vô tuyến làm tăng tính khả thi và chi phí hiệu quả. Phối hợp nhiều tín hiệu nhận được sẽ đạt được các lợi ích tức thời khi tăng cường độ tín hiệu nhận được, tuy nhiên công nghệ MIMO cũng cho phép truyền phát các luồng dữ liệu song song để đạt được thông lượng lớn hơn. Ví dụ, trong một MIMO 2x2 (tức là gồm 2 phần tử phát và thu) với hệ thống điểm-điểm 2 phân cực, các tần số cấp cho carrier có thể được sử dụng 2 lần, làm tăng tốc độ truyền dữ liệu gấp 2 lần. Trong hệ thống điểm-đa điểm sử dụng MIMO, mỗi anten trạm gốc phát đi luồng dữ liệu khác nhau và mỗi thiết bị đầu cuối khách ong nhận nhiều thành phần của tín hiệu phát khác nhau với mỗi anten thiết bị thuê bao khách ong được minh họa trong hình dưới đây. Bằng cách sử dụng thuật toán thích hợp, thiết bị đầu cuối khách ong có thể phân chia và giải mã các luồng dữ liệu nhận được trong cùng một lúc. Chuẩn WIMAX di động bao gồm công nghệ mã hóa MIMO cho tới 4 anten tại mỗi điểm cuối đường kết nối (4x4 MIMO). Hình 1.7: Công nghệ anten MIMO. 1.4.1.5 Mã hóa không gian-thời gian: Mã hóa không gian-thời gian (Space-time coding) là kĩ thuật thực hiện phân tập truyền phát (Transmission diversity). WIMAX sử dụng kĩ thuật phân tập truyền phát trên đường Downlink để phân tập từng phần nhằm tăng cường chất lượng tín hiệu truyền đến một thuê bao cụ thể nằm tại bất cứ điểm nào trong dải chùm tia anten phát ra. Mặc dầu cung cấp độ lợi tín hiệu thấp hơn beam-forming nhưng đối với người sử dụng di động thì sự phân tập truyền phát càng cần thiết hơn bởi vì nó không yêu cầu các kiến thức hiểu biết trước về đặc tính truyền dẫn của kênh tần số cụ thể của một thuê bao. Công nghệ STC, được biết đến như Alamouti code, được công bố vào năm 1998 và nó hợp nhất với chuẩn WIMAX. Tạo chum tia (Beam-forming): Việc truyền phát các tín hiệu đi từ nhiều anten ở các pha cân bằng cụ thể có thể được sử dụng để tạo ong tia hẹp hơn. Hiện tượng này gọi là beam-forming. Beam-forming mang đến các cải tiến đáng kể trong ngân sách đường kết nối theo cả 2 hướng uplink và downlink bằng cách tăng độ lợi của anten, ngoài ra để làm giảm sự suy giảm cường độ tín hiệu do tác động bởi nhiễu. Beam-forming yêu cầu thông tin về vị trí của thuê bao đặc biệt là đối với thuê bao đang di chuyển với tốc độ lớn. Tuy nhiên, theo số liệu thống kê mạng Cellular, đa số các thuê bao hoặc không di chuyển, hoặc di chuyển với tốc độ chậm, vì thế beam-forming mang đến các lợi ích quan trọng cho hầu hết các mô hình sử dụng. Hình 1.8: Beam-forming Ví dụ, cấu hình beam-forming gồm 4 anten có thể hỗ trợ tăng cường tín hiệu có độ lợi 6dB trong khi vẫn cải tiến được tín hiệu truyền phát bị suy giảm. Kết quả là beam-forming đem lại khả năng mở rộng hơn, thông lượng cao hơn và tăng khả năng phủ ong trong nhà (indoor). Với số lượng trạm gốc ít hơn để đạt được một dung lượng cụ thể trong một hệ thống, beam-forming là công nghệ anten thông minh thứ 3 được hợp nhất trong thông số kĩ thuật của WIMAX để tăng dung lượng hệ thống và tính năng trong các mạng di động băng thông rộng. 1.4.1.7 Sử dụng lại tần số: Để tối đa hóa khả năng bao phủ và khả năng sử dụng lại tần số đồng thời giảm thiểu độ nhiễu, hệ thống không dây bao phủ vùng phục vụ với nhiều cell, được chia nhỏ thành nhiều Sector. Do một số các thuê có thể được định vị tại các ranh giới giữa các cell hoặc các Sector và thường nhận được các tín hiệu từ nhiều nguồn-do đó nó tạo ra nhiễu-mỗi sector được ấn định một kênh tần số khác nhau. Khi đó để phù hợp với quy mô phủ ong vô tuyến tại một khu vực, mỗi kênh tần số được sử dụng lại với một sự phân chia về mặt không gian để tối đa hóa việc sử dụng của dải quang phổ bị hạn chế trong khi vẫn giảm thiểu hiện tượng tự nhiễu từ cùng kênh được sử dụng lại trong mạng. Điều này thường liên quan đến hiện tượng nhiễu cùng kênh CSI. Chức năng sử dụng lại, là thước đo một dải tần cung cấp được sử dụng lại linh hoạt như thế nào, được thể hiện như một phần nhỏ của sector hoặc cell hoạt động với cùng một kênh tần số. Các hệ số sử dụng lại điển hình đối với các hệ thống cellular truyền thống là hệ số 3 hoặc 7-tùy theo nhu cầu 3-7 kênh tần số khác nhau để triển khai một mô hình mạng cụ thể. Hình 1.9 : Mô hình sử dụng lại tần số (a)-3 tần số ( hệ thống Digital ) (b)-7 tần số ( Analog FDMA ) ©-OFDMA và CDMA Mục đích khác được sử dụng trong cả 2 công nghệ OFDMA và CDMA là sử dụng tất cả các kênh tần số trong mỗi sector sẵn có và sử dụng biểu đồ điều chế như OFDMA hoặc CDMA, để xử lý nhiễu tại mức độ cao từ các sector hoặc các cell lân cận. Quá trình này liên quan tới việc khi có một hệ số sử dụng lại của 1 đôi khi được gọi là “ Reuse 1 ” hoặc “universal frequency reuse”-và rất phổ biến với các nhà cung cấp dịch vụ mạng ngày nay bởi vì từ khi nó giảm thiểu các nhu cầu đối với việc hoạch định vô tuyến của mạng cụ thể. Để hỗ trợ sử dụng lại tần số phổ biến, những biểu đồ điều chế này quản lý nhiễu bằng cách sử dụng các mã sửa lỗi như mã CTC (Convolution turbo code) và bằng cách sử dụng dải băng tần sẵn có thông qua việc sử dụng các mã truy nhập trong trường hợp sử dụng CDMA, và các ong mang con trong trường hợp sử dụng OFDM. Chuẩn WIMAX di động cũng cung cấp khả năng phân chia trực giao với các nguồn tài nguyên trong 1 cell đồng thời vẫn định vị ngẫu nhiên các ong mang con giữa các cell. Phân chia trực giao trong cell đảm bảo rằng hiện tượng nhiễu giữa các sector gần nhau là rất ít hoặc không xảy ra, trong khi hiện tượng định vị các ong mang con giữa các cell đảm bảo rằng hiện tượng chồng chéo giữa các ong mang con được sử dụng trong các thuê bao cụ thể tại các cell liền kề là rất ít. Điều này làm giảm khả năng nhiễu giữa các cell và cho phép các kết nối vô tuyến hoạt động với hiệu quả điều chế cao hơn, dẫn đến thông lượng dữ liệu cao hơn. 1.4.1.8 Điều khiển công suất: Điều khiển công suất phát thích hợp là một chức năng quan trọng nhằm mục đích đảm bảo chất lượng đường truyền. Trong luồng upstream, điều khiển công suất phát thích ứng được sử dụng để tối đa hóa các mức độ điều khiển tiện ích, nhằm đạt được thông lượng cao nhất trong khi vẫn tiếp tục kiểm soát độ nhiễu đến các cell kế cận. Trong luồng Downstream, các kênh con cụ thể được phân chia luồng công suất khác nhau có thể được sử dụng để cung cấp dịch vụ tốt hơn tới các thuê bao tại các cạnh của cell, trong khi vẫn cung cấp đầy đủ các mức độ tín hiệu tới các thuê bao gần nhất với trạm gốc. 1.4.1.9 Điều khiển sắp xếp: Điều khiển sắp xếp là một cơ chế được đặt tại trạm gốc, để quản lí vị trí các gói tin theo hướng lên và xuống dựa trên các yêu cầu về lưu lượng và các trạng thái kênh phát tại bất kỳ thời điểm đã định nào. Bảng phân bố các nguồn tài nguyên vô tuyến tại các dải tần số và khoảng thời gian, dựa trên các chỉ tiêu như: tham số QoS dành cho các loại lưu lượng cụ thể, chấp nhận mức dịch vụ thuê bao cá nhân (SLA) và các trạng thái của các đường dẫn dạng connection-to-connection… Do lưu lượng dữ liệu có thể thay đổi đáng kể giữa 2 đường uplink và downlink nên cũng cần hỗ trợ việc cấp phát dữ liệu không đối xứng trong việc thực hiện ghép kênh phân chia thời gian –TDD với các nguồn tài nguyên vô tuyến và ấn định các gói tin được thực hiện trên mỗi sector trong một khoảng thời ong hay đổi tùy theo nhu cầu thực. Cơ chế điều khiển sắp xếp này là một phần của WIMAX di động. 1.4.1.10 Điều khiển chấp nhận: Là một quá trình xác định xem liệu nó có cho phép thiết lập một kết nối mới hay không dựa trên: các trạng thái hiện thời của lưu lượng, các nguồn tài nguyên có sẵn và các yêu cầu QoS có được. Lưu lượng vượt mức trong một cell làm tăng lượng nhiễu tới các cell lân cận do đó làm giảm khả năng phủ ong của các cell. Điều khiển chấp nhận được sử dụng nhằm chấp nhận hoặc từ chối các yêu cầu kết nối để duy trì sự nhận dữ liệu của cell trong lượng giới hạn được chấp nhận. Chức năng điều khiển chấp nhận có tại trạm gốc WIMAX hoặc tại cổng mạng dịch vụ truy cập (ASN) nơi mà các thông tin được nhận về dành cho một số trạm gốc có thể kiểm soát được. 1.4.1.11 Chất lượng dịch vụ QoS: Hỗ trợ chất lượng dịch vụ rất cần thiết đối với hệ thống băng rộng không dây với các kênh được thiết kế để đồng thời cung cấp các dịch vụ thoại, dữ liệu và video. Các thuật toán QoS là cần thiết để đảm bảo việc sử dụng chung kênh không dẫn tới việc làm giảm chất lượng dịch vụ hoặc các lỗi dịch vụ. Mặc dầu trong thực tế các thuê bao đang ong chung một đường kết nối băng thông rộng với nhiều thuê bao khác nhưng họ mong đợi nhà cung cấp dịch vụ cung cấp các tính năng ở một mức độ chấp nhận được trong mọi điều kiện. Chuẩn WIMAX di động cung cấp gói công cụ cần thiết để hỗ trợ QoS cho đa ứng dụng. Trạm gốc WIMAX định vị các đường uplink và downlink thông qua việc sử dụng một quy trình quản lý lưu lượng. Quy trình này phản ánh các nhu cầu về lưu lượng và các thông tin về thuê bao cá nhân. Sau đó các thuê bao tổng hợp được triển khai nhằm đảm bảo đáp ứng các tham số QoS ứng dụng cụ thể. Bảng dưới đây là một bản tóm tắt các loại QoS, các ứng dụng và các tham số QoS được sử dụng trong chuẩn 802.16e-2005. Hình 1.10: Các tham số QoS. 1.5 Ứng dụng của WIMAX : WIMAX là chuẩn không dây băng thông rộng hỗ trợ cho cả lĩnh vực máy tính và truyền thông, với hiệu quả chi phí cao. Nó được thiết kế để phục vụ cho nhiều môi trường khác nhau (doanh nghiệp, người ong bình thường, hay dịch vụ công cộng), không kể đến vị trí vật lý (vùng thành thị, ngoại ô, hay nông thôn) hay khoảng cách gần xa. Về kĩ thuật, chuẩn WIMAX được phát triển với nhiều mục tiêu đề ra, tập trung ở tính đa dụng, hiệu suất cao mà chi phí thấp. Hình 1.11 :Mô tả hệ thống WIMAX Kiến trúc mềm dẻo : WIMAX hỗ trợ một vài kiến trúc hệ thống bao gồm Point-to-Point, Point-to-MultiPoint và Uniquitous coverage (bao phủ toàn bộ). WIMAX MAC (Media Access Control) hỗ trợ Point-to-MultiPoint và Ubiquitous bằng cách định một khoảng thời gian cho mỗi Subcriber Station (SS-trạm đăng kí). Nếu chỉ có một SS trong mạng thì WIMAX Base Station (BS-trạm cơ sở) sẽ giao tiếp với SS bằng Point-to-Point. Bảo mật cao : WIMAX hỗ trợ AES (Advanced Encryption Standard) và 3DES (Triple Data Encryption Standard). Đường truyền giữa SS và BS được mã hoá hoàn toàn, đảm bảo độ tin cậy của dịch vụ. Ngoài ra WIMAX hỗ trợ VLAN, đảm bảo tín riêng tư dữ liệu của mỗi người dùng trong cùng BS. WIMAX QoS : WIMAX có thể tối ưu truyền các loại dữ liệu khác nhau, dựa trên các loại dịch vụ là: Unsolicited Grant Service (UGS), Real Time Polling Service (rtPS), Non Real Time Polling Service (nrtPS) và Best Effort (BE). Triển khai nhanh : Triển khai không cần kéo cáp, chỉ cần một dải băng thông, một cột thu phát ong (antenna) và một thiết bị được cài đặt cùng với nguồn điện, WIMAX có thể sẵn ong hoạt động . Trong đa số các trường hợp, WIMAX có thể triển khai trong vòng một vài giờ, so sánh với hàng tháng với những giải pháp khác. Multi-Level-Service : Quản lý băng thông có thể thực hiện xa hơn dựa trên nền tảng Service Level Agreement (SLA-mức độ phục vụ chấp nhận được) giữa nhà cung cấp và người ong cuối. Và nhà cung cấp có thể đáp ứng SLA khác nhau cho mỗi người ong thậm chí trên cùng một SS. Interoperability-tương tác : WIMAX dựa trên nền tảng quốc tế, trung lập với nhà sản xuất. Điều này thuận lợi cho người ong di chuyển và sử dụng đăng kí của họ ở nhiều vùng khác nhau và hơn nữa là khác nhà cung cấp. Tính tương tác bảo vệ cho nhà điều hành khi sử dụng nhiều thiết bị của các ong khác nhau trong cùng mạng, chống tính độc quyền và kết quả là giá cả thiết bị giảm đi đáng kể. Portability-di chuyển được: Như hệ thống cellular hiện nay, một khi WIMAX SS bật lên, nó sẽ tự động kết nối với BS, xác định các đặc tính của đường truyền với BS dựa trên cơ sở dữ liệu SS đã đăng kí và thực hiện truyền dữ liệu. Mobility-di động : Chuẩn IEEE 802.16e bổ sung ong đặc tính hỗ trợ di động, cho phép tốc độ di chuyển lên đến 160 km/h . Hiệu quả chi phí : WIMAX là chuẩn mở mang tính quốc tế, sử dụng các công nghệ chipset chi phí thấp, nên giá thành giảm xuống đáng kể .Và kết quả là người ong cùng với nhà cung cấp dịch vụ đều tiết kiệm được chi phí. Bao phủ rộng: WIMAX có khả năng bao phủ một vùng địa lý rộng lớn khi mà con đường giữa BS và SS không có vật cản. Non-line-of-sight ( NLOS ): Khả năng giúp sản phẩm WIMAX có thể phân phối băng thông rộng ở môi trường NLOS, đặc tính mà các thiết bị không dây khác không có. Công suất lớn: Sử dụng những bộ phát ong và kênh băng thông lớn, WIMAX có thể cung cấp băng thông đáng kể cho người ong . Kĩ thuật WIMAX thực sự sẽ làm được một cuộc cách mạng trong phương tiện liên lạc. Nó sẽ cung cấp đầy đủ tự do cho người ong yêu cầu khả năng di động cao, cho phép họ sử dụng cả dịch vụ voice, data, và video trên cùng một thiết bị. Ngoài ra WIMAX cho phép người ta có thể di chuyển địa điểm từ ở nhà, văn phòng, trên đường đi hay tất cả mọi nơi trên thế giới mà dịch vụ được cung cấp vẫn không hề ảnh hưởng gì. Để hình dung được khả năng của WIMAX có thể đáp ứng nhu cầu của mọi người như thế nào, ta có thể xem xét một số mô hình ứng dụng của WIMAX trong mạng nội bộ cũng như ở các dịch vụ công cộng. 1.6 Kết luận chương Có thể nói WIMAX là chuẩn sẽ được mọi người mong đợi nhất vì tính ưu việt của nó trong thiết kế cũng như trong ứng dụng. Hệ thống của WIMAX được tích hợp rất nhiều công nghệ nhanh và hiệu quả. WIMAX sử dụng các kĩ thuật OFDM và OFDMA nhằm tận dụng tối đa băng thông tiết kiệm được nguồn tài nguyên về tần số, đồng thời nâng cao tốc độ của đường truyền đáp ứng được các nhu cầu của các dịch vụ đòi hỏi các ứng dụng thời gian thực. CHƯƠNG 2 : Kĩ thuật OFDM và OFDMA trong WIMAX 2.1 Giới thiệu chương WIMAX sử dụng kĩ thuật điều chế OFDM và OFDMA, ứng dụng triển khai thương mại, công nghệ anten thông minh, quản lý tài nguyên vô tuyến và chuyển vùng (handoff). Có nhiều công nghệ và thuật toán cải tiến sẵn có nhằm đáp ứng các thách thức cung cấp các dịch vụ băng rộng di động và đảm bảo mô hình kinh doanh hấp dẫn đối với nhà cung cấp dịch vụ. Từ những giới thiệu ở trên, chúng ta có thể thấy rằng OFDM có tầm quan trọng nhất định trong hệ thống WIMAX. Để tìm hiểu điều này, ta sẽ tìm hiểu cấu trúc của một hệ thống OFDM cơ bản, phương thức điều chế thu-phát tín hiệu và các ứng dụng thực tế của nó trong hệ thống WIMAX (hệ thống OFDMA). 2.2 Công nghệ điều chế OFDM: 2.2.1 Cơ sở của OFDM: Cơ sở ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM-Orthogonal Frequency Division Multiplex) nó chia nhỏ băng thông thành các tần số ong mang con. Trong một hệ thống OFDM, luồng dữ liệu đầu vào được chia thành các luồng song song với tốc độ giảm (và như vậy tăng khoảng thời gian của kí hiệu –sysbol) và mỗi luồng con được điều chế và truyền trên một ong mang con (sub-carrier) trực giao tách biệt. Khoảng thời gian cho mỗi biểu trưng tăng sẽ cải thiện khả năng chống lại trễ lan truyền của OFDM. 2.2.1.1 Cơ sở trực giao: Sự trực giao chỉ ra rằng có mối quan hệ toán học chính xác giữa các tần số của các ong mang trong hệ thống OFDM. Trong hệ thống FDM thông thường, nhiều ong mang cách nhau một khoảng phù hợp để tín hiệu có thể nhận lại bằng cách sử dụng các bộ lọc và các bộ giải điều chế thông thường. Trong các máy như vậy, các khoảng bảo vệ cần được dự liệu trước giữa các ong mang khác nhau và việc đưa vào các khoảng bảo vệ này làm giảm hiệu quả sử dụng phổ. Tuy nhiên có sự sắp xếp giữa các ong mang trong OFDM sao cho các dải biên của chúng che phủ lên nhau mà các tín hiệu vẫn có thể thu được chính xác mà không có sự can nhiễu giữa các ong mang. Muốn như vậy các ong mang phải trực giao về mặt toán học. Máy thu hoạt động như các bộ gồm các bộ giải điều chế, dịch tần mỗi ong mang xuống mức DC, tín hiệu nhận được lấy tích phân trên một chu kỳ của sysbol để phục hồi dữ liệu gốc. Nếu tất cả các ong mang khác đều được dịch xuống tần số tích phân của ong mang này (trong một chu kỳ sysbol ), thì kết quả tích phân cho các ong mang khác sẽ bằng 0. Do đó các ong mang độc lập tuyến tính với nhau (trực giao) nếu khoảng cách giữa các ong là bội số của 1/. Bất kỳ sự phi tuyến nào gây ra bởi can nhiễu bởi các sóng mang ICI (Inter-Carrier-Interference) cũng làm mất đi tính trực giao. (2.1) Như vậy với . Ngoài ra có thể biểu diễn sự trực giao theo hàm phức: (2.2) Khoảng cách giữa 2 sóng mang trực giao cạnh nhau sẽ là . Ở đây dấu * chỉ liên hiệp phức. Ví dụ nếu tín hiệu là sin(mx) với m=1,2,3….thì nó trực giao trong khoảng từ - đến +. Việc xử lý (điều chế và giải điều chế) tín hiệu OFDM được thực hiện trong miền tần số, bằng cách sử dụng các thuật toán xử lý tín hiệu số DSP (Digital-Signal-Processing). Trong toán học, số hạng trực giao có được từ việc nghiên cứu các vector. Theo định nghĩa, hai vector được gọi là trực giao với nhau khi chúng vuông góc với nhau và tích vô hướng giữa chúng bằng 0. Điểm chính ở đây là ý tưởng nhân 2 hàm số với nhau, tổng hợp các tích và nhận được kết quả bằng 0. Hình 2.1: Tích của 2 vector trực giao bằng 0. Nếu chúng ta cộng bán kì âm và dương của dạng ong sin ta sẽ có được kết quả bằng 0. Diện tích của 1 sóng sin có thể được viết: (2.3) Hình 2.2: Giá trị trung bình của ong sin bằng 0. Nếu chúng ta nhận hay cộng (tích phân) hai dạng sóng sin có tần số khác nhau ta nhận được kết quả bằng 0, nếu cùng tần số thì kết quả khác 0. Hình 2.3: Tích phân của 2 sóng sin khác tần số. Điều này gọi là tính trực giao của dạng sóng sin. Nó cho thấy rằng miễn là 2 sóng sin khác tần số thì tích phân của chúng sẽ bằng 0. Đây chính là cơ sở then chốt của quá trình điều chế OFDM. Nếu 2 sóng sin cùng tần số : Hình 2.4: Tích phân 2 sóng sin cùng tần số. Nếu 2 sóng sin có cùng tần số như nhau thì dạng sóng hợp thành luôn luôn dương, giá trị trung bình của nó luôn luôn khác 0. Đây chính là cơ sở của quá trình giải điều chế tín hiệu OFDM. Các máy thu biến đổi tín hiệu thu được từ miền tần số nhờ sử dụng kĩ thuật biến đổi Fourier nhanh (FFT). Việc giải điều chế chặc chẽ được thực hiện kế tiếp trong miền tần số bằng cách nhân một sóng mang được tạo ra trong máy thu đơn với một sóng mang được tạo ra trong máy thu có cùng tần số và pha. Sau đó phép tích phân sẽ làm tất cả các ong mang bằng 0 ngoại trừ ong mang cần điều chế. 2.2.1.2 Tiền tố vòng CP (Cyclic prefix): Tiền tố vòng CP (Cyclic prefix) có thể hoàn toàn loại bỏ nhiễu xuyên kí tự ISI miễn là thời lượng CP lâu hơn trễ lan truyền. CP chính là sự lặp lại phần dữ liệu gồm các mẫu cuối của khối được gắn vào trước một tải tin. Chính CP chống lại nhiễu liên khối và làm kênh quay vòng và cho phép cân bằng miền tần số với độ phức tạp thấp. Hình 2.5: Mô tả tiền tố vòng (Cyclic prefix). Tuy vậy một hạn chế của CP là nó được thêm vào trước tải tin làm giảm hiệu suất sử dụng băng thông. CP không chỉ làm giảm hiệu suất băng thông, ảnh hưởng của CP cũng tương tự như hệ số roll-off trong các hệ thống ong mang đơn được lọc cosin nâng. Do OFDM có một phổ “tường gạch” đan xen rất nhọn, một tỉ lệ lớn các băng thông kênh cấp phát có thể được sử dụng cho truyền số liệu, giúp làm giảm suy hao hiệu suất do tiền tố vòng CP. OFDM khai thác sự phân tập tần số của kênh đa đường bằng cách mã hoá và chèn thông tin trên các ong mang con trước khi truyền đi. Điều chế OFDM có thể thực hiện được với biến đổi ngược Forrier nhanh –IFFT, phép biến đổi này cho phép một số lượng lớn các ong mang con (lên tới 2048) với độ phức tạp thấp. Trong một hệ thống OFDM, tài nguyên sẵn có trong miền thời gian chính là các sysbol OFDM và trong miền tần số chính là các ong mang con. Tài nguyên về thời gian và tần số có thể được tổ chức thành các kênh con (sub-channel) cấp phát cho người ong. OFDMA là một nguyên lý đa truy nhập-ghép kênh cung cấp khả năng ghép kênh các luồng dữ liệu từ nhiều người ong trên các kênh con hướng xuống và đa truy nhập hướng lên nhờ các kênh con hướng lên. 2.2.1.3 biểu tượng pilot: Các biểu tượng Pilot đóng vài trò quan trọng trong việc cân bằng và ước lượng kênh. Trong quá trình truyền tín hiệu, máy thu và máy phát cần phải báo cho nhau về tình trạng của kênh hay về tham số của bộ giải điều chế được sử dụng cho gói tin đã nhận được … thông tin này có thể lấy trong bản ong sysbol OFDM nhờ các ong mang Pilot. 2.3 Kĩ thuật OFDMA trong WIMAX: 2.3.1 Cấu trúc biểu tượng OFDMA và kênh con hoá: Cấu trúc biểu tượng OFDMA gồm 3 loại ong mang con như hình 2.6: ong mang con dữ liệu (Dat) cho truyền dữ liệu. ong mang con dẫn đường (Pilot) cho mục đích ước lượng và đồng bộ. ong mang con vô dụng (Null) không để truyền dẫn, được sử dụng cho các băng bảo vệ và các ong mang DC. Hình 2.6: Cấu trúc ong mang con OFDMA. Các kênh con tích cực (dữ liệu và dẫn đường) được nhóm lại thành các tập con các ong mang con gọi là các kênh. OFDMA PHY hỗ trợ kênh con hoá ở cả hướng xuống DL và hướng lên UL. Đơn vị tài nguyên tần số thời gian tối thiểu là một khe bằng với 48 âm điệu dự liệu (các ong mang con). Có 2 kiểu hoán vị các kiểu sóng mang con cho kênh con hoá: phân tập (Diversity) và lân cận (Contiguous). Hoán vị phân tập kéo theo các ong mang con ngẫu nhiên tạo thành các kênh con. Nó cung cấp phân tập tần số và lấy trung bình nhiễu liên tế bào. Các hoán vị phân tập gồm DL FUSC (Fully used sub-carrier: ong mang con sử dụng hoàn toàn), DL PUSC (Patially used sub-carrier: ong mang con sử dụng một phần) và UL PUSC và các hoán vị tuỳ chọn thêm vào. Với DL PUSC, mỗi cặp biểu tượng OFDM, các ong mang con khả dụng được nhóm lại thành các cluster chứa 14 sóng mang con lân cận trên mỗi khoảng thời gian của biểu tượng, với cấp phát dữ liệu và dẫn đường trong mỗi Cluster trong các biểu tượng chẵn và lẻ như mô tả ở hình 2.7. Hình 2.7: Tần số DL gồm nhiều kênh con. Một nguyên lý săp xếp lại được sử dụng để tạo thành các nhóm cluster chẳng hạn mỗi nhóm được tạo thành bởi các cluster được phân bố qua không gian các ong mang con. Mỗi kênh con trong một nhóm chứa 2 cluster và được tạo bởi 48 sóng mang con và 8 sóng mang dẫn đường (Pilot). Các ong mang dữ liệu trong mỗi nhóm được tiếp tục hoán vị để tạo thành các kênh con trong phạm vi nhóm. Vì vậy, chỉ các vị trí dẫn đường trong cluster là được biểu thị trong hình 2.8. Các ong mang con dữ liệu trong các cluster được phân bố cho nhiều kênh con. Cấu trúc cluster cho DL, một cấu trúc lát (tile) được định nghĩa cho UL PUSC có định dạng như hình 2.8. Hình 2.8: Cấu trúc Tile cho đường lên UL PUSC. Không gian ong mang con khả dụng sẽ được chia thành các lát (Tile) và 6 lát được chọn từ toàn bộ phổ theo nguyên lý hoán vị \ sắp xếp lại. Và được nhóm lại với nhau tạo thành khe (slot). Một slot gồm 48 sóng mang con dữ liệu và 24 sóng mang con dẫn đường trong 3 biểu tượng OFDM. Hoán vị lân cận nhóm một khối các ong mang lân cận tạo thành một kênh con. Các hoán vị lân cận gồm AMC hướng DL và AMC hướng UL có cùng cấu trúc. Trong một biểu tượng có 9 sóng mang con lân cận gọi là BIN, với 8 trong số đó được ấn định cho dữ liệu và một được ấn định cho dẫn đường ( Pilot ). Một slot trong AMC được định nghĩa như một tập các Bin của kiểu (NxM=6), trong đó N là số các Bin lân cận và M là số các biểu tượng lân cận. Do vậy các tổ hợp cho phép là ( 6 Bin, 1 sysbol ). 2.3.2 Scalable OFDMA: Chế độ OFDM cho mạng không dây diện rộng (Wireless MAN) theo chuẩn IEEE 16-e dựa trên kĩ thuật S-OFDMA. S-OFDMA hỗ trợ nhiều dải băng thông khác nhau để xác định hoạt động nhu cầu cấp phát phổ khác nhau và các yêu cầu mô hình sử dụng. Khả năng tỉ lệ được hỗ trợ nhờ điều chỉnh kích thước FFT trong khi vẫn giữ nguyên độ rộng băng tần ong mang con là 10.94 Khz. Do vậy băng thông ong mang con theo đơn vị tài nguyên và độ dài của sysbol là cố định, ảnh hưởng của các lớp cao hơn cũng được tối thiểu hoá khi lấy tỷ lệ băng thông. Các tham số S-OFDMA được liệt kê trong bảng 1. Các băng thông hệ thống cho 2 hồ sơ mà nhóm kĩ thuật WIMAX Forum đưa ra lần đầu là 5 và 10 Mhz. 2.3.3 Cấu trúc khung TDD: Chuẩn 802.16e hỗ trợ TDD và FDD bán song công, tuy nhiên phê chuẩn WIMAX di động đưa ra lần đầu tiên chỉ có TDD. Với những phát hành sắp tới, WIMAX Forum sẽ đề cập đến FDD cho các thị trường xác định-nơi mà các yêu cầu ổn định phổ cục bộ sẽ hoặc kế thừa TDD hoặc sẽ triển khai FDD. Đối với các vấn đề nhiễu, TDD không yêu cầu sự đồng bộ ở diện rộng, trái lại TDD sẽ ưu tiên chế độ song công bởi các lý do: TDD cho phép điều chỉnh tỉ lệ UL/DL để hỗ trợ hiệu quả lưu lượng không đối xứng giữa đường xuống và đường lên (với FDD thì tỉ lệ đường xuống và đường lên là không đổi và thường là bằng băng thông của đường xuống và đường lên). TDD đảm bảo sự trao đổi kênh để: hỗ trợ khả năng điều chỉnh đường truyền, MIMO và các công nghệ anten vòng kín cao cấp khác. Không như FDD yêu cầu một cặp kênh, TDD chỉ yêu cầu một kênh đơn cho cả đường lên và đường xuống đem lại khả năng điều chỉnh linh động sự cấp phát tần số toàn cục. Các thiết kế bộ thu phát để triển khai TDD cũng ít phức tạp và ít tốn kém hơn. Hình 2.9: Cấu trúc khung WIMAX OFDMA. Hình 14 mô tả cấu trúc khung OFDM ở chế độ TDD. Mỗi khung được chia thành các khung con hướng xuống (DL) và hướng lên (UL) bởi bộ phát/thu và thu/phát (TTG và RTG ) để tránh xung đột giữa hướng lên và hướng xuống. Trong một khung, thông tin điều khiển ong để đảm bảo hoạt động hệ thống được tối ưu: Phần đầu khung (Preamble): là biểu tượng OFDM đầu tiên của khung ong để đồng bộ. Tiêu đề điều khiển khung (FCH): FCH nằm sau phần mở đầu khung. Nó cho biết thông tin cấu hình khung như độ dài bản tin MAP, nguyên lý mã hoá và các kênh con khả dụng. DL-MAP và UL-MAP: DL-MAP và UL-MAP cho biết cấp phát kênh con và các thông tin điều khiển khác lần lượt cho các khung con DL và UL. Sắp xếp UL: kênh con sắp xếp cho UL được cấp phát cho trạm di động MS để thực hiện điều chỉnh: thời gian vòng kín, tần số và công suất cung cấp cũng như yêu cầu băng thông. UL CQICH: kênh UL CQICH cấp phát cho MS để phản hồi trạng thái kênh. UL ACK: kênh UL ACK cấp cho MS để xác nhận phản hồi DL HARQ. 2.3.4 Các đặc tính lớp vật lý cao cấp khác: WIMAX di động đưa ra các kĩ thuật: AMC-điều chế thích nghi và mã hoá, HARQ-yêu cầu tự động lặp lại tự động lại kiểu kết hợp, CQICH-phản hồi kênh nhanh để nâng cao khả năng phủ ong, dung lượng cho WIMAX trong các ứng dụng di động. Trong WIMAX di động ở đường xuống, bắt buộc phải có các hỗ trợ điều chế QPSK, 16 QAM và 64 QAM, còn ở đường lên, 64 QAM là tuỳ chọn. Cả mã hoá vòng và mã hoá Turbo vòng với tốc độ mã thay đổi và mã lặp cũng được hỗ trợ. Ngoài ra, mã khối Turbo và mã kiểm tra chẵn lẻ mức độ thấp (LDPC) cũng được hỗ trợ tuỳ chọn. Bảng 2 tổng kết các nguyên lý mã hoá và điều chế hỗ trợ trong WIMAX di động (điều chế và mã hoá hướng lên tuỳ chọn được in nghiêng). Sự tổ hợp các kĩ thuật điều chế và các tốc độ mã đem lại sự tinh phân giải tốc độ dữ liệu như minh hoạ trong bảng 3 (với độ rộng các kênh là 5 Mhz và 10 Mhz với các kênh con PUSC), độ dài khung là 5ms. Mỗi khung có 48 biểu trưng OFDM gồm 44 biểu trưng OFDM sẵn ong để truyền dữ liệu. Các giá trị được đánh dấu màu là để chỉ các tốc độ cho kĩ thuật 64 QAM tuỳ chọn ở đường lên. Bộ lập lịch trạm gốc xác định tốc độ dữ liệu phù hợp cho mỗi cấp phát cụm (burst) dựa trên kích thước bộ đệm và điều khiển truyền sóng ở phía thu,…Một kênh chỉ thị chất lượng kênh (CQI-channel quality indicator) được sử dụng để cung cấp thông tin trạng thái kênh từ thiết bị đầu cuối người ong đến bộ lập lịch trạm gốc. Thông tin trạng thái kênh tương ứng từ kênh CQICH gồm: CINR vật lý, CINR hiệu quả, lựa chọn chế độ MIMO và lựa chọn kênh con lựa chọn tần số. Với kĩ thuật TDD, khả năng điều chỉnh kênh lợi dụng ưu điểm khả năng trao đổi kênh để cung cấp thông tin chính xác hơn về tình trạng kênh. WIMAX di động cũng hỗ trợ HARQ. HARQ được phép sử dụng giao thức “dừng và đợi ” N kênh để cung cấp khả năng đáp ứng nhanh để đóng gói lỗi và cải tiến khả năng phủ ong đường biên cell. Ngoài ra để cải thiện hơn nữa sự ổn định của đường truyền. Một kênh dành riêng ACK cũng được cung cấp ở đường lên để báo hiệu ACK /NACK của HARQ. Hoạt độngs đa kênh HARQ cũng được hỗ trợ. ARQ đa kênh dừng và đợi (stop and wait) với một số lượng nhỏ kênh là một giao thức đơn giản mà hiệu quả cho phép tối thiểu bộ nhớ yêu cầu cho HARQ. WIMAX cũng cung cấp báo hiệu cho phép hoạt động ở chế độ không đồng bộ. Chế độ không đồng bộ cho phép các độ trễ khác nhau giữa những lần truyền lại và chính điều này đem lại sự linh hoạt cho bộ lập lịch do sự hiệu quả của mào đầu thêm vào khi cấp phát phiên truyền lại. HARQ kết hợp với CQICH và AMC sẽ cung cấp khả năng thay đổi đường truyền trong môi trường di động với tốc độ xe tải không vượt quá 120 Km/h. 2.4 Phân bố rayleigh và Rice: Khi nghiên cứu các kênh vô tuyến di động, thường các phân bố Rayleigh và Rice được sử dụng để mô tả tính chất thống kê thay đổi theo thời gian của tín hiệu phading phẳng. Trong phần này, ta sẽ xét các phân bố này và đưa ra các tính chất của chúng. 2.4.1 Phân bố Rayleigh: Trong các đường truyền vô tuyến, tín hiệu RF từ nơi truyền sẽ bị phản xạ bởi nhà cửa và các vật chắn trên đường truyền … Điều này sẽ làm tăng bội số đường truyền tại máy thu. Nếu giữa anten phát và anten thu không có đường truyền tầm nhìn thẳng (LOS) thì tia phát được thu bằng nhiều đường ong khác nhau do phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ. Do vậy điện trường tổng hợp thu được lớn hơn nhiều so với tia tương tự truyền trong không gian tự do. Ngoài ra, các thăng giáng tức thời của điện trường thu được phức tạp hơn so với tương tác 2 tia do nhiễu từ nhiều đường truyền ong. Hiện tượng này gọi là phading Rayleigh. Ta có thể xem phân bố phading Rayleigh là phân bố đường bao của tổng 2 tín hiệu phân bố GAUSS vuông góc. Hàm mật độ xác suất (PDF) của phân bố phading Rayleigh được biểu diễn như sau: Trong đó, là biến ngẫu nhiên của điện áp đường bao tín hiệu thu và r là giá trị của biến này, là giá trị trung bình quân phương của tín hiệu thu của từng thành phần Gauss, là công suất trung bình theo thời gian của tín hiệu thu của từng thành phần Gauss. Giá trị trung bình, của phân bố Rayleigh trở thành: Phương sai của phân bố Rayleigh, (thể hiện thành phần công suất xoay chiều trong đường bao) được xác định như sau: 2.4.2 Phân bố Rice : Khi tín hiệu thu có thành phần ổn định (không bị phading) vượt trội, đường truyền trực tiếp (Line of sight), phân bố phading đường bao phạm vi hẹp có dạng phân bố Rice. Trong phân bố Rice, các thành phần đa đường đến máy thu theo các góc khác nhau và xếp chồng lên tín hiệu vượt trội này. Phân bố Rice được biểu diễn như sau: Trong đó A là biên độ đỉnh của tín hiệu vượt trội và là hàm Bessel cải tiến loại một bậc 0 được xác định như sau: Phân bố Rice thường được mô tả bằng thừa số K như sau: K=(Công suất trong các đường vượt trội/công suất trong các đường tán xạ)= Khi K tiến đến 0 thì kênh suy thoái thành kênh Rayleigh, khi K tiến đến vô hạn thì kênh chỉ có đường trực tiếp. Hình 2.10: Pdf Ricean với K=0(rayleigh), và K=2,4,8,16,32 Hình 2.11: Khả năng khi năng lượng chắc chắn thấp hơn giá trị cho kênh Rice với K=0 ( Rayleigh ) và K= 1,2,4,8,16,32 CHƯƠNG 3 : Ước Lượng Kênh Trong OFDM 3.1 Giới thiệu chương: Chúng ta đã biết rằng OFDM có rất nhiều ưu điểm, tuy nhiên muốn sử dụng có hiệu quả các đặc tính của hệ thống này một cách tốt nhất thì việc thực hiện các yêu cầu sau đây là cần thiết: +Ước lượng tham số kênh. +Đồng bộ aus mang. +Giảm tỷ số công suất tương đối cực đại. Như vậy ước lượng kênh là một trong những yêu cầu đầu tiên và cần thiết của hệ thống OFDM. Ước lượng tham số kênh, bao gồm hàm truyền đạt của các kênh nhánh và thời gian để thực hiện giải điều chế bên thu. Để ước lượng tham số kênh có thể sử dụng phương pháp aus tín hiệu dẫn đường Pilot hoặc không sử dụng tín hiệu dẫn đường. Ước lượng kênh nhằm mục đích giảm sự sai khác của hàm truyền của kênh phát so với kênh thu do nhiều nguyên nhân trong quá trình truyền dẫn. Ở đây ta thực hiện ước lượng kênh không dựa vào biểu tượng Pilot mà dựa vào đáp ứng xung của kênh. Sử dụng điều chế DPSK trong hệ thống OFDM để bám đuổi kênh thời gian biến đổi. 3.1.1 Mô tả hệ thống: Cho một hệ thống OFDM biểu diễn như hình sau: Hình 3.1: Hệ thống OFDM cơ sở IDFT: Chuyển đổi Fourier ngược. MUX: Bộ ghép kênh. D/A: Chuyển đổi digital sang analog. A/D: Chuyển đổi analog sang digital. DEMUX: Bộ tách kênh. DFT:Chuyển đổi fourier. : Là biểu tượng truyền. g(t) : Là đáp ứng xung của kênh. là nhiễu Gauss trắng. y là biểu tượng nhận. Biểu tượng truyền là được lấy từ chòm sao của tín hiệu. Chuyển đổi A/D và D/A bao gồm những tiêu chuẩn của bộ lọc thông thấp với băng thông , với là khoảng thời gian lấy mẫu. Một chu kỳ thời gian mở rộng có độ dài là được sử dụng để loại trừ nhiễu liên khối và bảo toàn tính trực giao của tones. Chúng ta xem đáp ứng xung của kênh g(t) như là chuỗi xung thời gian giới hạn có dạng: Khi biên độ có giá trị phức tạp và , thì toàn bộ đáp ứng xung nằm trong khoảng bảo vệ. Hình 3.2: khoảng hở giữa những điểm cho những kênh liên tục Hệ thống khi đó là mô hình sử dụng N điểm chuyển đổi Fourier thời gian rời rạc () như sau: (3.1) Với , , là vector tập hợp của nhiễu Gauss trắng thay đổi, và được xác định với chu kỳ tương đương của hàm Sinc. Vector là đối tượng quan sát của đáp ứng xung của kênh sau khi lấy mẫu đáp ứng tần số của g(t), và: (3.2) Tính hiệu quả của mẫu tuần hoàn được mô tả bởi (3.1) và (3.2) phụ thuộc vào những mục tiêu phù hợp của khoảng bảo vệ, làm thế nào để nó có thể loại được nhiễu liên khối. Nếu trễ là một số nguyên, khi đó mọi năng lượng từ được sắp xếp đến điểm . Tuy nhiên, với xung non-T-spaced, nếu không phải là số nguyên, năng lượng của nó sẽ chảy qua mọi điểm . Hình 3.2 minh họa những trường hợp năng lượng chảy qua cho những trường hợp đặc biệt. Chú ý rằng hầu hết mọi năng lượng là được giữ trong những vùng lân cận của vị trí xung đầu tiên. Hệ thống mô tả bởi 3.1 có thể viết lại như là một tập hợp của N kênh Gauss độc lập: Hình 3.3: Các kênh Gauss song song. , với k=0,1,…,N-1 (3.3) Khilà hàm truyền của kênh với và là tập hợp vector nhiễu Gauss tối thiểu không. Để thuận lợi, ta viết (3.3) trong ma trận ký hiệu như sau: Y=XFg + n (3.4) Khi X là ma trận với phần tử của x trên đường chéo của nó và (3.5) là ma trận Fourier với (3.6) 3.1.2 Các kĩ thuật ước lượng kênh : Chúng ta sẽ tìm thấy vài cơ sở ước lượng trên mô hình của hệ thống, mọi kĩ thuật ước lượng kênh đều có cấu trúc mô tả như hình sau : Hình 3.4: Cấu trúc của ước lượng. Biểu tượng truyền xuất hiện trong biểu thức ước lượng, là biểu tượng huấn luyện hoặc biến lượng tử hóa thay đổi trong ước lượng trực tiếp. 3.1.2.1 Ước lượng MMSE (Minimum mean square error estimation): Nếu kênh vector g là aussian và không tương quan với kênh nhiễu n, ước lượng MMSE của g trở thành: (3.7) : là đáp ứng xung của ước lượng MMSE. Khi đó:  : là ma trận tương quan giữa g và y.  : là ma trận tự tương quan của g. là ma trận chuyển vị của F. là ma trận chuyển vị của X . là phương sai. Hơn nữa, là ma trận tự tương quan của g và biểu hiện nhiễu tương quan . Hai lượng này được giả thiết là đã biết. Khi đó số cột trong F là đa thức trực chuẩn (orthonormal) , sinh ra miền tần số ước lượng MMSE bởi: (3.8) : là hàm ước lượng MMSE . : là đáp ứng xung của ước lượng MMSE .  : là ma trận chuyển vị của F.  : là ma trận chuyển vị của X . Khi đó có thể biểu diễn như sau : (3.9) Ước lượng kênh MMSE (3.8) có dạng biểu diễn trong hình 3.4. Nếu g là không aussian , không nhất thiết là ước lượng MMSE(minimum mean square error). (MMSE-bình phương sai số trung bình nhỏ nhất). Tuy nhiên nó là ước lượng tuyến tính tốt nhất trong ước lượng MSE. Trong trường hợp (g là Gaussian hoặc không) chúng ta cũng sẽ biểu diễn ước lượng kênh là . 3.1.2.2 Ước lượng LS (Least square error estimation): Ước lượng LS cho đáp ứng xung tuần hoàn g nhỏ nhất và sinh ra: (3.10) là hàm ước lượng LS (ước lượng bình phương bé nhất – least square). Khi đó (3.11) Chú ý rằng cũng tương ứng với cấu trúc ước lượng trong hình 3.4. Hình 3.4 : Sơ đồ cấu trúc của ước lượng Rút gọn biểu thức (3.10) (3.12) Ước lượng LS là tương đương với cái gì đó được quy cho là thấp nhất. Cả hai ước lượng (3.8) và (3.12) đều có những nhược điểm của nó. Ước lượng MMSE yêu cầu việc tính toán có độ phức tạp cao, nhưng ngược lại ước lượng LS có bình phương sai số trung bình lớn. 3.2 Giảm kích thước FFT của ước lượng MMSE và LS: 3.2.1 Mục đích của phương pháp: Ước lượng MMSE yêu cầu việc tính toán ma trận NxN. Nó bao hàm độ phức tạp cao khi N càng lớn. Con đường ngắn nhất để giảm sự phức tạp là giảm kích thước của . Như trong hình 3.2, hầu hết năng lương trong g là chứa trong đó, hoặc gần hơn, điểm đầu tiên là . Bởi vậy phải cải tiến ước lượng MSE, khi đó chỉ những điểm với năng lượng có ý nghĩa là được chọn. Những phần tửđáp ứng đến những điểm năng lượng thấp nhất trong g là gần bằng 0. Nếu chúng ta đưa vào tính toán điểm L đầu tiên của g và đặt với r,s , khi đó giảm đi một cách hiệu quả với ma trận LxL. Nếu ma trận T biểu thị cột L đầu tiên của ma trận_DFT F và biểu thị góc trái phía trên LxL của . 3.2.2 Giảm kích thước FFT với ước lượng MMSE: Từ những đặc điểm trên, phương trình của ước lượng MMSE sẽ trở thành: (3.13) Khi đó: (3.14) Những biến đổi này được minh hoạ ở hình 3.5. Hình 3.5: Cấu trúc sơ đồ cải tiến ước lượng. Hệ thống OFDM thường được thiết kế sao cho L là nhỏ so với N. Như vậy, sự phức tạp của ước lượng MMSE sẽ giảm đáng kể. 3.2.3 Giảm FFT với ước lượng LS: Mặc dầu sự phức tạp của ước lượng LS không yêu cầu phải thay đổi, nó biểu diễn trong điều kiện của MSE có thể được cải tiến cho độ lớn của SNR bởi những khái niệm tổng quát ở trên. Ước lượng LS không sử dụng thống kê của kênh. Một cách trực quan, nó loại trừ những điểm năng lượng thấp của g, sẽ bổ sung một số vị trí thiếu sót của năng lượng g, giảm nhanh chóng những điểm nằm ngoài điểm đầu tiên (L), khi năng lượng của nhiễu được cho là không thay đổi trên toàn bộ dãy. Chỉ xét đến điểm đầu tiên L của g vào phép tính, như vậy hoàn toàn sử dụng thống kê kênh, cải tiến ước lượng LS trở thành : (3.15) Khi đó: (3.16) Giảm kích thước FFT với ước lượng LS sẽ có cấu trúc như hình 3.5. CHƯƠNG 4: Mô Phỏng Ước Lượng 4.1 Giới thiệu chương Chúng ta đã biết rằng các phương pháp ước lượng MMSE và ước lượng LS đều có những ưu và nhược điểm của nó. Tùy theo những trường hợp và các đòi hỏi của các ứng dụng cụ thể mà phương pháp này hay phương pháp kia được lựa chọn. Để đánh giá được các đặc điểm của các phương pháp này, ta phải dựa vào các thông số cụ thể để đưa ra những so sánh và kết luận thực tế. 4.2 Mô phỏng SER với MMSE và LS : SER ( symbol error rate) là mô phỏng tốc độ lỗi biểu tượng lỗi trên số biểu tượng truyền đi. Về cơ bản, nếu mỗi biểu tượng là một bit thì tốc độ lỗi biểu tượng là tốc độ bit, tuy nhiên nếu biểu tượng là một số bit thì tốc độ biểu tượng khác tốc độ bit. Nhìn vào kết quả ở hình 4.1( đường màu đen-là SER của MMSE, đường màu xanh-là SER của LS ), ta thấy tỷ lệ lỗi biểu tượng của MMSE nhỏ hơn so với LS ở từng SNR (6 mức SNR). Nếu nhìn vào của sổ Command thì ta thấy kết quả SER của MMSE có giá trị nhỏ hơn nhiều so với SER của LS ở từng mức SNR khác nhau. Hình 4.1: Mô phỏng SER của MMSE và LS. 4.3 Mô phỏng ước lượng MMSE so với LS: Hình 4.2: So sánh MMSE và LS. 4.3.1 Ưu điểm của MMSE: Từ biểu đồ ta thấy, đường màu xanh mô tả ước lượng MMSE, đường màu đỏ mô tả ước lượng LS. Có thể nói ước lượng MMSE có chất lượng tốt hơn ước lượng LS (tại cùng một SNR trên biểu đồ thì điểm ước lượng MMSE luôn nằm dưới điểm ước lượng LS). Ta cũng có thể chứng minh điều đó bởi những thông số của và trong cửa sổ Command của Matlab. Ước lượng MMSE luôn cho những con số thấp hơn ước lượng LS từ 0.1 cho đến 0.01. 4.3.2 Nhược điểm của MMSE: Tuy MMSE cho kết quả chính xác hơn LS nhưng quá trình tính toán cũng như công thức của ước lượng MMSE phức tạp hơn ước lượng LS nhiều. Hơn nữa ước lượng MMSE là kiểu ước lượng có liên quan đến các thông số thống kê của kênh và kích thước của ma trận Fourier nên quá trình tính toán thực hiện chậm hơn, nhưng ước lượng LS hoàn toàn không tuân theo quy luật thống kê. 4.4 Mô phỏng phương pháp giảm kích thước FFT: 4.4.1 Ưu điểm: Như ta đã biết, với ước lượng MMSE thì độ phức tạp càng tăng dần khi ta tăng số lượng các sóng mang con, điều này sẽ làm tăng khoảng thời gian tính toán, cũng như gây ra việc chậm trễ sẽ ảnh hưởng đến các chất lượng dịch vụ đòi hỏi việc xử lý nhanh chóng. Để giảm thời gian tính toán thì ta phải giảm bớt kích thước FFT bằng cách dựa vào đáp ứng xung. Như vậy chỉ những đáp ứng xung có mức năng lượng cần thiết mới được giữ lại còn những đáp ứng xung có mức năng lượng gần bằng 0 thì ta bỏ đi, khi đó sẽ làm giảm đi đáng kể kích thước của ma trận Fourier. 4.4.3.2 Nhược điểm: Tuy phương pháp này cho kết qủa tính toán nhanh hơn nhưng thiếu tính chính xác, việc giảm bớt kích thước FFT sẽ tỷ lệ nghịch với mức độ chính xác. Ở biểu đồ sau dây ta có thể thấy mức độ chính xác sẽ tăng dần khi ta tăng kích thước của FFT thì các đường có kích thước cửa sổ lớn hơn (như MMSE5, MMSE10) tiến gần hơn với đường MMSE mặc định. Hình 4.3: Mô phỏng giảm kích thước FFT Đường màu đỏ mô tả ước lượng MMSE0. Đường màu đen mô tả ước lượng MMSE5. Đường màu xanh biển mô tả ước lượng MMSE10. Đường màu xanh lục mô tả ước lượng MMSE với FFT là 64 phần tử. Ta thấy rằng khi kích thước FFT tăng lên thì mức độ chính xác của ước lượng MMSE cũng tăng dần đến đường mặc định. Tuy nhiên với việc giảm kích thước FFT ta vẫn thấy rằng với một số điểm nhất định, nó vẫn có tính chính xác hơn ước lượng LS, đó là những điểm nằm dưới đường LS. 4.5 Kết luận Như vậy, với việc so sánh ước lượng kênh giữa MMSE và LS, cùng với phương pháp giảm kích thước FFT, cho ta thấy những ưu nhược điểm của từng phương pháp. Nó giúp ta xác định cũng như lựa chọn trong các ứng dụng cụ thể để lựa chọn từng phương pháp cho phù hợp nhằm đạt được hàm truyền của kênh gần với yêu cầu đề ra. 4.6 Hướng phát triển đề tài: Công nghệ OFDM ngày nay được ứng dụng rất nhiều trong các hệ thống đòi hỏi tốc độ cao và được phát triển không ngừng vì những ưu điểm của nó. Các bộ ước lượng kênh càng trở nên cần thiết trong các máy phát cũng như máy thu để đảm bảo được chất lương tín hiệu cũng như tốc độ ngày càng cao. Hiện nay, nó được ứng dụng nhiều trong hệ thống OFDMA, MC_CDMA với việc có sử dụng hoặc không sử dụng biểu tượng Pilot. Tài liệu tham khảo [1] Artech-Multicarrier Techniques for 4G Mobile Communications. [2]Apress.WiMax.Operators.Manual.Building.802.16.Wireless.Networks.2nd.Edition.Nov.2005. [3]John.Wiley.and.Sons.Advanced.Wireless.Networks.4G.Technologies.Jun.2006. [4]Wiley.Interscience.OFDM Based.Broadband.Wireless.Networks.Design.and.Optimization.Nov.2005.eBook-DDU. Phụ lục %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%CHUONG TRINH CHINH%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%So Sanh Uoc Luong Kenh LS Va MMSE Cho 64 Song Mang Con Cua He Thong OFDM%%% %%%%%%Co So Tren Phep Do SER (symbol error rate ) %%%%%%Cho dap ung xung cua kenh la g(t)=delta(t-0.5 Ts)+delta(t-3.5 Ts) %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% clc; clear all; %Cho dieu che BPSK ...symbols:+1/-1 X=zeros(64,64); d=rand(64,1); for i=1:64 if(d(i)>=0.5) d(i)=+1; else d(i)=-1; end end for i=1:64 X(i,i)=d(i); end %Tinh ma tran G tau=[0.5 3.5]; for k=1:64 s=0; for m=1:2 s=s+(exp(-j*pi*(1/64)*(k+63*tau(m))) * (( sin(pi*tau(m)) / sin(pi*(1/64)*(tau(m)-k))))); end g(k)=s/sqrt(64); end G=g'; H=fft(G); XFG=X*H; n1=ones(64,1); n1=n1*0.000000000000000001i;%cong nhieu gauss vao tin hieu noise=awgn(n1,8);%cho kenh suy hao 8db variance=var(noise); N=fft(noise); Y=XFG+N; %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % gia tri cua ma tran tuong quan Rgg %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% gg=zeros(64,64); for i=1:64 gg(i,i)=G(i); end gg_myu = sum(gg, 1)/64; gg_mid = gg - gg_myu(ones(64,1),:); sum_gg_mid= sum(gg_mid, 1); Rgg = (gg_mid' * gg_mid- (sum_gg_mid' * sum_gg_mid) / 64) / (64 - 1); %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % Su dung thuat toan LS va MMSE %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %Gia tri cua Hls %Hmmse=inv(X)*Y; %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% H_ls=(inv(X)) * Y; Hls=zeros(64,64); for i=1:64 Hls(i,i)=H_ls(i); end %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % Gia tri cua Hmmse %Hmmse=F*Rgg*inv(Rgy)*Y; %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% u=rand(64,64); F=fft(u)*inv(u);%tao ma tran F 64x64 I=eye(64,64); Rgy=Rgg * F'* X'; Ryy=X * F * Rgg * F' *X' + variance * I; for i=1:64 yy(i,i)=Y(i); end Gmmse=Rgy * inv(Ryy)* Y; H_mmse=fft(Gmmse); for i=1:64 Hmmse(i,i)=H_mmse(i); end %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %Mo phong thoi gian thuc for n=1:6 SNR_send=5*n; error_count_ls=0;%cho error-count ban đầu bằng 0 error_count_mmse=0;%cho error-count ban đầu bằng 0 %gui 1000 vector du lieu qua kenh for c=1:1000 %phat du lieu ngau nhien[i/p matrix..] X=zeros(64,64); d=rand(64,1); for i=1:64 if(d(i)>=0.5) d(i)=+1; else d(i)=-1; end end for i=1:64 X(i,i)=d(i); end XFG=X*H;%dan no qua kenh thuc n1=ones(64,1); n1=n1*0.000000000000000001i;%cong nhieu gauss trang noise=awgn(n1,SNR_send); variance=var(noise); N=fft(noise); Y=XFG+N; %bat dau nhan %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % I:LS ESTIMATOR BASED RECEIVER: %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% I=inv(Hls)* Y; for k=1:64 if(real(I(k))>0) I(k)=1; else I(k)=-1; end end for k=1:64 if(I(k)~=d(k)) error_count_ls=error_count_ls+1; end end %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % I:MMSE ESTIMATOR BASED RECEIVER: %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% I=inv(Hmmse)* Y; for k=1:64 if(real(I(k))>0) I(k)=1; else I(k)=-1; end end for k=1:64 if(I(k)~=d(k)) error_count_mmse=error_count_mmse+1; end end %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% end ser_ls(n)=error_count_ls/64000; ser_mmse(n)=error_count_mmse/64000; ser_ls ser_mmse SNR(n)=SNR_send; end; %hienthi semilogy(SNR,ser_mmse,'k-'); grid on; xlabel('SNR in DB'); ylabel('Symbol Error Rate'); title('PLOT OF SNR V/S SER FOR AN OFDM SYSTEM WITH MMSE/LS ESTIMATOR BASED RECEIVERS'); hold on; semilogy(SNR,ser_ls,'b*'); semilogy(SNR,ser_ls,'b-'); semilogy(SNR,ser_mmse,'kv'); grid on; xlabel('SNR in DB'); ylabel('Symbol Error Rate'); title('PLOT OF SNR V/S SER FOR AN OFDM SYSTEM WITH MMSE/LS ESTIMATOR BASED RECEIVERS') 4.3 Mô phỏng so sánh ước lượng MMSE và LS: %tao ham MSE voi uoc luong MMSE function ms_error=MMSE_MSE_calc(X,H,Y,Rgg,F,variance) %gia tri cua Hmmse %Hmmse=F*Rgg*inv(Rgy)*Y; I=eye(64,64); Rgy=Rgg * F'* X'; Ryy=X * F * Rgg * F' *X' + variance * I; Gmmse=Rgy * inv(Ryy)* Y; Hmmse=fft(Gmmse); ms_error_mat=mean(((abs(H)-abs(Hmmse))/abs(H)).^2); for i=1:64 if(ms_error_mat(i)~=0) ms_error=ms_error_mat(i); end end ---------------------------------------------------------------------------------------- %tao ham MSE voi uoc luong LS function ms_error=LS_MSE_calc(X,H,Y) %gia tri cua Hls Hls=inv(X)*Y; ms_error_mat_LS=mean((abs(H-Hls)/abs(H)).^2); for i=1:64 if(ms_error_mat_LS(i)~=0) ms_error=ms_error_mat_LS(i); end end %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % SO SANH UOC LUONG MMSE VA LS TRONG HE THONG OFDM VOI 64 SONG MANG CON %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %gia thiet dieu che BPSK ...symbols:+1/-1 clc clear X=zeros(64,64); d=rand(64,1); for i=1:64 if(d(i)>=0.5) d(i)=+1; else d(i)=-1; end end for i=1:64 X(i,i)=d(i); End %TINH MA TRAN G tau=[0.5 3.5];%tre lan truyen dan for k=1:64 s=0; for m=1:2 s=s+(exp(-j*pi*(1/64)*(k+63*tau(m))) * (( sin(pi*tau(m)) / sin(pi*(1/64)*(tau(m)-k))))); end g(k)=s/sqrt(64);%bieu thuc toan hoc cua dap ung xung g(k) end G=g'; H=fft(G); u=rand(64,64); F=fft(u)*inv(u); %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %GIA TRI CUA MA TRAN TUONG QUAN G-Rgg %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% gg=zeros(64,64); for i=1:64 gg(i,i)=G(i); end gg_myu = sum(gg, 1)/64; gg_mid = gg - gg_myu(ones(64,1),:); sum_gg_mid= sum(gg_mid, 1); Rgg = (gg_mid' * gg_mid- (sum_gg_mid' * sum_gg_mid) / 63) /64; %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% for m=1:15 for n=1:7 SNR_send=5*n; XFG=X*H; n1=ones(64,1); n1=n1*0.0000000000001i;%cong nhieu gau vao tin hieu noise=awgn(n1,SNR_send); variance=var(noise); N=fft(noise); Y=XFG+N; %gia tri cua uoc luong LS cho uoc luong MSE mean_squared_error_ls=LS_MSE_calc(X,H,Y); %gia tri cua uoc luong MMSE cho uoc luong MSE mean_squared_error_mmse=MMSE_MSE_calc(X,H,Y,Rgg,F,variance); SNR(n)=SNR_send; mmse_mse(m,n)=mean_squared_error_mmse; ls_mse(m,n)=mean_squared_error_ls; end end ls_mse mmse_mse mmse_mse_ave=mean(mmse_mse); ls_mse_ave=mean(ls_mse); %hien thi tren do thi semilogy(SNR,mmse_mse_ave,'g-'); grid on; xlabel('SNR in DB'); ylabel('mean squared error'); title('So sanh uoc luong LS va MMSE cho he thong OFDM'); hold on; semilogy(SNR,ls_mse_ave,'b*'); semilogy(SNR,ls_mse_ave,'b-'); semilogy(SNR,mmse_mse_ave,'gv'); grid on; xlabel('SNR in DB'); ylabel('mean squared error'); title('So sanh uoc luong LS va MMSE cho he thong OFDM'); 4.4 Mô phỏng giảm kích thước FFT với ước lượng MMSE : %%%%%%%%%tao ham Hmmse MMSE-0%%%%%% function ms_error=Mo_MMSE_calc(X,Y,F,Rgg,H) %Mo_Hmmse=T*Qmmse*T'*X'*Y; %tinh variance for n=1:15 n1=ones(64,1); SNR_send=5*n; noise=awgn(n1,SNR_send); variance=var(noise); end %Tinh T0 T0=F(1:5,1:5); %tinh R0 R0=Rgg(1:5,1:5); %tinh X0 X0=X(1:5,1:5); %tinh Y0 Y0=Y(1:5,1); %tinh H0 H0=H(1:5,1); I0=eye(5,5); Rgy=R0 * T0'* X0'; Ryy=X0 * T0 * R0 * T0' *X0' + variance * I0; Gmmse=Rgy * inv(Ryy)* Y0; Hmmse=T0*Gmmse; ms_error_mat=mean(((abs(H0)-abs(Hmmse))/abs(H0)).^2); for i=1:5 if(ms_error_mat(i)~=0) ms_error=ms_error_mat(i); end end ------------------------------------------------------------------------- %%%%%%%%%tao ham Hmmse MMSE-5%%%%%% function ms_error=M5_MMSE_calc(X,Y,F,Rgg,H) %Mo_Hmmse=T*Qmmse*T'*X'*Y; %Tinh variance for n=1:15 n1=ones(64,1); SNR_send=5*n; noise=awgn(n1,SNR_send); variance=var(noise); end %tinh ma tran T T3=F(1:15,1:10); T4=F(1:15,60:64); T5=[T3,T4]; %Tinh ma tran R R1=Rgg(1:10,1:10); R2=[R1;zeros(5,10)]; R3=Rgg(60:64,60:64); R4=[zeros(10,5);R3]; R5=[R2,R4]; %Tinh X1 X3=X(1:15,1:10); X4=X(50:64,60:64); X5=[X3,X4]; %Tinh Y1 Y2=Y(1:10,1); Y3=Y(60:64,1); Y5=[Y2;Y3]; %Tinh H1 H2=H(1:10,1); H3=H(60:64,1); H5=[H2;H3]; I5=eye(15,15); Rgy=R5 * T5'* X5'; Ryy=X5 * T5 * R5 * T5' *X5' + variance * I5; Gmmse=Rgy * inv(Ryy)* Y5; Hmmse5=T5*Gmmse; ms_error_mat=mean(((abs(H5)-abs(Hmmse5))/abs(H5)).^2); for i=1:15 if(ms_error_mat(i)~=0) ms_error=ms_error_mat(i); end end ------------------------------------------------------------------------------ %%%%%%%%%tao ham cai tien Hmmse MMSE-10%%%%%% function ms_error=M10_MMSE_calc(X,Y,Rgg,H,F) %Mo_Hmmse=T*Qmmse*T'*X'*Y; %tinh ma tran T for n=1:15 n1=ones(64,1); SNR_send=5*n; noise=awgn(n1,SNR_send); variance=var(noise); end %tinh ma tran T T8=F(1:25,1:15); T9=F(1:25,55:64); T10=[T8,T9]; %Tinh ma tran R R6=Rgg(1:15,1:15); R7=[R6;zeros(10,15)]; R8=Rgg(55:64,55:64); R9=[zeros(15,10);R8]; R10=[R7,R9]; %Tinh X1 X8=X(1:25,1:15); X9=X(40:64,55:64); X10=[X8,X9]; %Tinh Y1 Y8=Y(1:15,1); Y9=Y(55:64,1); Y10=[Y8;Y9]; %Tinh H1 H8=H(1:15,1); H9=H(55:64,1); H10=[H8;H9]; I10=eye(25,25); Rgy=R10 * T10'* X10'; Ryy=X10 * T10 * R10 * T10' *X10' + variance * I10; Gmmse=Rgy * inv(Ryy)* Y10; Hmmse10=T10*Gmmse; ms_error_mat=mean(((abs(H10)-abs(Hmmse10))/abs(H10)).^2); for i=1:25 if(ms_error_mat(i)~=0) ms_error=ms_error_mat(i); end end %%%%%%%%%%%%%%%%Chuong trinh chinh%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % SO SANH UOC LUONG MMSE VA LS TRONG HE THONG OFDM VOI 64 SONG MANG CON %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %gia thiet dieu che BPSK ...symbols:+1/-1 clc clear X=zeros(64,64); d=rand(64,1); for i=1:64 if(d(i)>=0.5) d(i)=+1; else d(i)=-1; end end for i=1:64 X(i,i)=d(i); End %TINH MA TRAN G tau=[0.5 3.5];%tre lan truyen dan for k=1:64 s=0; for m=1:2 s=s+(exp(-j*pi*(1/64)*(k+63*tau(m))) * (( sin(pi*tau(m)) / sin(pi*(1/64)*(tau(m)-k))))); end g(k)=s/sqrt(64);%bieu thuc toan hoc cua dap ung xung g(k) end G=g'; H=fft(G); u=rand(64,64); F=fft(u)*inv(u); %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %GIA TRI CUA MA TRAN TUONG QUAN G-Rgg %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% gg=zeros(64,64); for i=1:64 gg(i,i)=G(i); end gg_myu = sum(gg, 1)/64; gg_mid = gg - gg_myu(ones(64,1),:); sum_gg_mid= sum(gg_mid, 1); Rgg = (gg_mid' * gg_mid- (sum_gg_mid' * sum_gg_mid) / 63) /64; %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% for m=1:15 for n=1:7 SNR_send=5*n; XFG=X*H; n1=ones(64,1); n1=n1*0.0000000000001i;%cong nhieu gau vao tin hieu noise=awgn(n1,SNR_send); variance=var(noise); N=fft(noise); Y=XFG+N; %gia tri cua uoc luong LS cho uoc luong MSE mean_squared_error_ls=LS_MSE_calc(X,H,Y); %gia tri cua uoc luong MMSE cho uoc luong MSE mean_squared_error_mmse=MMSE_MSE_calc(X,H,Y,Rgg,F,variance) %gia tri cua cai tien uoc luong MMSE-0 mean_Mo_squared_error_mmse=Mo_MMSE_calc(X,Y,F,Rgg,H); %gia tri cua cai tien uoc luong MMSE-5 mean_M5_squared_error_mmse=M5_MMSE_calc(X,Y,F,Rgg,H); %gia tri cua cai tien uoc luong MMSE-10 mean_M10_squared_error_mmse=M10_MMSE_calc(X,Y,Rgg,H,F); SNR(n)=SNR_send; mmse_mse(m,n)=mean_squared_error_mmse; ls_mse(m,n)=mean_squared_error_ls; Mo_mmse_mse(m,n)=mean_Mo_squared_error_mmse; M5_mmse_mse(m,n)=mean_M5_squared_error_mmse; M10_mmse_mse(m,n)=mean_M10_squared_error_mmse; end end ls_mse mmse_mse Mo_mmse_mse M5_mmse_mse M10_mmse_mse mmse_mse_ave=mean(mmse_mse); ls_mse_ave=mean(ls_mse); Mo_mmse_mse_ave=mean(Mo_mmse_mse); M5_mmse_mse_ave=mean(M5_mmse_mse); M10_mmse_mse_ave=mean(M10_mmse_mse); %hien thi tren do thi semilogy(SNR,mmse_mse_ave,'g-'); grid on; xlabel('SNR in DB'); ylabel('mean squared error'); title('So sanh uoc luong LS va MMSE,MMSE-0,MMSE-5,MMSE-10 cho he thong OFDM'); hold on; semilogy(SNR,ls_mse_ave,'b*'); semilogy(SNR,ls_mse_ave,'b-'); semilogy(SNR,mmse_mse_ave,'gv'); semilogy(SNR,Mo_mmse_mse_ave,'r-'); semilogy(SNR,Mo_mmse_mse_ave,'ro'); semilogy(SNR,M5_mmse_mse_ave,'k-'); semilogy(SNR,M5_mmse_mse_ave,'kp'); semilogy(SNR,M10_mmse_mse_ave,'m-'); semilogy(SNR,M10_mmse_mse_ave,'mp'); grid on; xlabel('SNR in DB'); ylabel('mean squared error'); title('So sanh uoc luong LS va MMSE,MMSE-0,MMSE-5,MMSE-10 cho he thong OFDM');