Bài giảng Chương 3: Nền tảng kỹ thuật của wimax

TS.Võ Trường Sơn Chuyên ñề vô tuyến số CHƯƠNG III NỀN TẢNG KỸ THUẬT CỦA WIMAX (7 Tiết) CHUYÊN ðỀ VÔ TUYẾN SỐ TS.Võ Trường Sơn Chuyên ñề vô tuyến số Nội dung của chương III ða truy nhập phân chia tần số trực giao3.3 Các kỹ thuật ña anten3.2 OFDM và ñiều chế ña sóng mang3.1 TS.Võ Trường Sơn Chuyên ñề vô tuyến số ðiều chế ña sóng mang ° Truyền dẫn tốt ñộ thấp, chu kỳ của symbol lớn TS.Võ Trường Sơn Chuyên ñề vô tuyến số ðiều chế ña sóng mang ° Truyền dẫn tốt ñộ cao, chu kỳ của symbol nhỏ TS.Võ Trường Sơn Chuyên ñề vô tuyến số ðiều chế ña sóng mang ° Quan hệ giữa tốc dộ truyền dẫn với băng thông TS.Võ Trường Sơn Chuyên ñề vô tuyến số ðiều chế ña sóng mang ° Chia nhỏ băng tầ thành K kênh nhỏ, không chịu ảnh hưởng của ISI TS.Võ Trường Sơn Chuyên ñề vô tuyến số ðiều chế ña sóng mang ° Truyền dẫn nối tiếp ñơn sóng mang: —Chu ký của Symbol nhỏ —Bị ảnh hưởng lớn của ISI —Phải cân bằng trong miền thời gian, phức tạp ° Truyền dẫn song song ña sóng mang: —Chu ký của Symbol lớn —Tránh ñược ảnh hưởng lớn của ISI —Phải cân bằng trong miền tần sô, ñơn giản TS.Võ Trường Sơn Chuyên ñề vô tuyến số ðiều chế ña sóng mang ° So sánh giữa ñiều chế ñơn sóng mang và ña sóng mang TS.Võ Trường Sơn Chuyên ñề vô tuyến số ðiều chế ña sóng mang ° Sơ ñồ ñiều chế ña sóng mang 10 OFDM: Nguyên lý trực giao ° Không gian Vector —Các vector A, B và C trong không gian trực giao từng ñôi một với nhau:
A.B=B.C=C.A=0
(A+B+C).A=(mod A)^2
(A+B+C).B=(mod B)^2
(A+B+C).C=(mod C)^2 A B C TS.Võ Trường Sơn Chuyên ñề vô tuyến số OFDM: Nguyên lý trực giao (cont..) ° Không gian hàm thực: 0)()( )cos()( )sin()( 0)()( )cos()( )sin()( 21 2 1 = = = = = = ∫ ∫ + + dttftf nwtNtf mwtMtf dttftf wtBtf wtAtf n T m n m T τ τ τ τ TS.Võ Trường Sơn Chuyên ñề vô tuyến số OFDM: Nguyên lý trực giao (cont..) )2sin()sin()( wtwttf = ∫ = ≠∫ = ∈∀ T 0 0s(nwt)dtsin(mwt)co nmwhere T 0 0n(nwt)dtsin(mwt)si Νm.n Trong ñó: mw và nw ñược gọi là các hài bậc m và n của tần số w tng ng 13 Nguyên lý OFDM ° Nó là một dạng ñặc biệt của FDM ° Khoảng cách giữa các sóng mang ñược lựa chọn sao cho chúng trực giao với nhau ° Vì vậy không cần khoảng bảo vệ giữa các sóng mang với nhau. TS.Võ Trường Sơn Chuyên ñề vô tuyến số Ví dụ về OFDM ° Giả sử ta có các bit thông tin sau: —1, 1, -1, -1, 1, 1, 1, -1, 1, -1, -1, -1, -1, 1, -1, -1, ° Cần chuyển ñổi các bit này từ nối tiếp thành song: 11-1-1 -111-1 -1-11-1 -1-1-11 -1111 -1-111 C4C3C2C1 TS.Võ Trường Sơn Chuyên ñề vô tuyến số Ví dụ về OFDM (cont..) Tín hiệu ñiều chế với C1 Tín hiệu ñiều chế với C2 Tín hiệu ñiều chế với C3 Tín hiệu ñiều chế với C4 ðiều chế mỗi cột với sóng mang con tương ứng, sử dụng BPSK TS.Võ Trường Sơn Chuyên ñề vô tuyến số Ví dụ về OFDM (cont..) ° Final OFDM Signal = Sum of all signal )2sin()()( 1 0 nttItV N n n π∑ − = = Generated OFDM signal, V(t) V(t) TS.Võ Trường Sơn Chuyên ñề vô tuyến số Nguyên lý OFDM TS.Võ Trường Sơn Chuyên ñề vô tuyến số Nguyên lý OFDM TS.Võ Trường Sơn Chuyên ñề vô tuyến số Các sóng mang con trực giao Cyclic Prefix trong miền tần số Cyclic Prefix trong miền thời gian Nguyên lý OFDM TS.Võ Trường Sơn Chuyên ñề vô tuyến số Nội dung của chương III ða truy nhập phân chia tần số trực giao3.3 Các kỹ thuật ña anten3.2 OFDM và ñiều chế ña sóng mang3.1 TS.Võ Trường Sơn Chuyên ñề vô tuyến số Các kỹ thuật ña anten: tổng quan ° Kỹ thuật ña anten: —Sử dụng nhiều anten, —Kỹ thuật xử lý tín hiệu, —ðược gọi là MIMO ° ðược sử dụng ñể nâng cao hiệu năng hệ thống: —Tăng dung lượng —Tăng vùng phủ —Tăng tăng tốc ñộ dữ liệu TS.Võ Trường Sơn Chuyên ñề vô tuyến số Các kỹ thuật ña anten: Cấu hình ° Một ñặc tính quan trọng trong cấu hình ña anten: —Khoảng cách giữa hai phần tử anten —Do khoảng cách các anten có mối quan hệ với ñộ tương quan giữa các tín hiệu fading của kênh vô tuyến. ° Các anten xa nhau có ñộ tương quan fading thấp. ° Các anten gần nhau có ñộ tương quan fading cao, —Do các anten khác nhau sẽ có fading tức thời giống nhau. TS.Võ Trường Sơn Chuyên ñề vô tuyến số Các kỹ thuật ña anten: Cấu hình ° Khoảng cách giữa các anten ñể ñộ tương quan cao/ thấp phụ thuộc vào: —Bước sóng (tần số sóng mang). —Kịch bản khi triển khai
macro-cell (tức là ô lớn và vị trí anten trạm gốc phải cao)
micro-cell (anten BS thấp hơn nóc nhà, triển khai trong nhà) TS.Võ Trường Sơn Chuyên ñề vô tuyến số Các kỹ thuật ña anten: Cấu hình ° Khoảng cách anten theo kịch bản macro-cell: —Tại BS: ~ 10 bước sóng —Tại MS: ~ ½ bước sóng ° Khoảng cách anten theo kịch bản micro-cell: —Tại BS: ~ ½ bước sóng —Tại MS: ~ ½ bước sóng TS.Võ Trường Sơn Chuyên ñề vô tuyến số Các kỹ thuật ña anten: ưu ñiểm ° Sử dụng ñể phân tập —Chống lại fading kênh vô tuyến ° ðịnh hình búp sóng anten theo một hướng, nhằm: —Tối ña hóa ñộ lợi anten theo một hướng nhất ñịnh —Triệt nhiễu lấn át tín hiệu ° Tạo ra nhiều kênh truyền song song thông qua giao diên vô tuyến: —Tăng tốc ñộ dữ liệu —ðược gọi là kỹ thuật ghép kênh không gian TS.Võ Trường Sơn Chuyên ñề vô tuyến số Các kỹ thuật ña anten: Mô hình tổng quát ° Gồm Nt anten phát và Nr anten thu TS.Võ Trường Sơn Chuyên ñề vô tuyến số Các kỹ thuật ña anten trong WIMAX MIMO Multiple Input - Multiple Input MIMO vòng mở MIMO vòng ñóng MIMO Matrix A Mã hóa khối thời gian không gian (STBC) MIMO Matrix B Ghép kênh không gian (SM-MIMO) ðịnh hình búp sóng (Anten thích nghi) TS.Võ Trường Sơn Chuyên ñề vô tuyến số Các kỹ thuật ña anten trong WIMAX ° MIMO vòng mở: —Thông tin trạng thái của kênh truyền không tham gia vào quá trình phát tín hiệu ° MIMO vòng ñóng: —Thông tin trạng thái của kênh truyền tham gia vào quá trình phát tín hiệu ñể tối ưu hóa truyền dẫn. TS.Võ Trường Sơn Chuyên ñề vô tuyến số Các kỹ thuật ña anten: STBC ° Mã hóa khối không gian – thời gian: —Một luồng dữ liệu ñơn ñược nhân lên thành nhiều luồng —Mỗi luồng ñược mã hóa khối không gian – thời gian (trực giao) —ðược phát qua nhiều anten ° Chống ñược fading ° Cải thiện vùng phủ sóng TS.Võ Trường Sơn Chuyên ñề vô tuyến số Các kỹ thuật ña anten: SM-MIMO ° Ghép kênh không gian: —Tín hiệu ñược chia thành nhiều luồng song song —Mỗi luồng ñược phát trên một anten (khác nhau) ° Tăng dung lượng kênh TS.Võ Trường Sơn Chuyên ñề vô tuyến số Các kỹ thuật ña anten: ° ðịnh hình búp sóng: —Sử dụng các mảng anten thu phát ñể kiểm soát hướng và hình dạng của các mô hình bức xạ. ° Tăng vùng phủ và dung lượng hệ thống TS.Võ Trường Sơn Chuyên ñề vô tuyến số Nội dung của chương III ða truy nhập phân chia tần số trực giao3.3 Các kỹ thuật ña anten3.2 OFDM và ñiều chế ña sóng mang3.1 TS.Võ Trường Sơn Chuyên ñề vô tuyến số ða truy nhập phân chia tần số trực giao ° Mỗi ñầu cuối chiếm dụng một tập con các sóng mang con ° Tập con ñược gọi là một kênh lưu lượng OFDMA ° Mỗi kênh lưu lượng ñược giao ñộc quyền cho một người sử dụng bất cứ lúc nào user1 user2 user3 user4 TS.Võ Trường Sơn Chuyên ñề vô tuyến số ða truy nhập phân chia tần số trực giao ° The IEEE 802.16e/ WiMax sử dụng OFDMA là kỹ thuật ña truy nhập —Các tùy chọn băng thông 1.25, 5, 10, hoặc 20 MHz —Toàn bộ băng thông ñược chia thành 128, 512, 1024 hay 2048 sóng mang con —20 MHz băng thông với 2048 sóng mang con -> 9.8 KHz khoảng cách giữa các sóng mang con TS.Võ Trường Sơn Chuyên ñề vô tuyến số ða truy nhập phân chia tần số trực giao 36 Ưu ñiểm của OFDMA ° Phân tập ña người dùng: —Các tín hiệu băng rộng chịu ảnh hưởng của fading lựa chọn tần số. —OFDMA cho phép người dùng khác nhau ñể truyền tải trên các phần khác nhau của phổ băng rộng (kênh lưu lượng) —Người sử dụng khác nhau cảm nhận ñược phẩm chất kênh khác nhau, một kênh fading sâu cho một người sử dụng vẫn có thể thuận lợi cho người khác TS.Võ Trường Sơn Chuyên ñề vô tuyến số Ưu ñiểm của OFDMA Multi-user Diversity TS.Võ Trường Sơn Chuyên ñề vô tuyến số Ưu ñiểm của OFDMA ° Sử dụng phổ hiệu quả 4/3 Hz per symbol 6/5 Hz per symbol TS.Võ Trường Sơn Chuyên ñề vô tuyến số Ưu ñiểm của OFDMA ° Máy thu ñơn giản —Loại bỏ ñược nhiễu trong tế bào như xảy ra với dạng tách sóng ña người dùng trong CDMA. —Sự trực giao của mã bị phá hủy bởi fading lựa chọn tần số —Chỉ yêu cầu bộ xử lý FFT ° BER tốt hơn chỉ trong môi trường Fading TS.Võ Trường Sơn Chuyên ñề vô tuyến số Nhược ñiểm of OFDMA ° Tỷ số công suất ñỉnh trên công suất trung bình (PAPR) lớn avg P tx PAPR 2 )( = Sự biến thiên biên ñộ lớn tăng lên trong băng tần có tạp âm và BER tăng khi tín hiệu ñi qua bộ khuyếch ñại phi tuyến. 41 Nhược ñiểm của OFDMA ° Sự ñồng bộ —Sự ñồng bộ chặt chẽ giữa các người dùng ñược yêu cầu cho FFT trong máy thu —Các tín hiệu Pilot ñược sử dụng cho ñồng bộ. ° Nhiễu ñồng kênh —ðối phó với ñiều này là phức tạp hơn trong OFDM so với CDMA —Sự phân bổ kênh ñộng cần có sự phối hợp tốt giữa các trạm gốc kề cận