Chương 1 Giới Thiệu Chung Bài Giảng Cơ Sở Kỹ Thuật Thông Tin Vô Tuyến

Slide 1 1Nguyễn Viết Đảm Fundamentals of Wireless Communication KHOA VIỄN THÔNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG Chương 1 BÀI GIẢNG CƠ SỞ KỸ THUẬT THÔNG TIN VÔ TUYẾN Hà nội 02 2017 Nguyễn Viết Đảm Khoa Viễn thông 1[.]

Fundamentals of Wireless Communication KHOA VIỄN THÔNG BÀI GIẢNG CƠ SỞ KỸ THUẬT THÔNG TIN VÔ TUYẾN Chương GIỚI THIỆU CHUNG Nguyễn Viết Đảm Khoa Viễn thông HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG Địa chỉ: PTIT- Km10- Đường Nguyễn Trãi, Quận Hà đông, Thành phố Hà nội Điện thoại: 0912699394 Email: damnvptit@gmail.com HàNguyễn nội 02-2017 Viết Đảm GIỚI THIỆU MÔN HỌC – PHÂN BỔ CHƯƠNG TRÌNH Fundamentals of Wireless Communication  Tên học phần: Cơ sở kỹ thuật thông tin vô tuyến FUNDAMENTALS OF WIRELESS COMMUNICATION  Tổng lượng kiến thức/Số tín chỉ:  Phân bổ chương trình:  Lý thuyết:  Tiểu luận/Bài tập:  Thực hành:  Tự học: 45 tiết / 03 tín 32 tiết 08 tiết 04 tiết 01 tiết  Đánh giá  Chuyên cần:  Thí nghiệm/Thực hành:  Bài tập/Tiểu luận:  Kiểm tra kỳ:  Thi kết thúc (Thi tự luận): Nguyễn Viết Đảm 10 % 10 % 10 % 10 % 60 % Fundamentals of Wireless Communication MỤC TIÊU (1/2): Kiến thức: Do đặc điểm truyền dẫn vô tuyến là: (i) tài nguyên vốn có bị hạn chế; (ii) chất lượng bị ảnh hưởng nghiêm trọng phađinh ngẫu nhiên, nhu cầu chiến dụng tài nguyên vô tuyến ngày gia tăng yêu cầu tính đa dạng, chất lượng dịch vụ ngày cao Từ lịch sử phát triển xu tất yếu hệ thống truyền dẫn vô tuyến khám phá tài nguyên, khai thác triệt để & hiệu tài nguyên, giải pháp nhằm tăng dung lượng đảm bảo chất lượng, tốn phân bổ tài ngun cơng mềm dẻo,v,v chắt lọc, tích hợp kỹ thuật với kỹ thuật tiên tiến, tính khả thi nhờ công nghệ FPGA hội tụ hệ thống vô tuyến hệ sau Là môn học sở chuyên nghành thông tin vô tuyến, nội dung kiến thức môn học sử dụng cách chọn lọc để thiết kế xây dựng hệ thống thông tin vô tuyến mức độ tối ưu khác nhau, phục vụ cho môn học như: Các công nghệ mạng truy nhập; Thông tin di động; Các chuyên đề thông tin vô tuyến Nguyễn Viết Đảm Fundamentals of Wireless Communication MỤC TIÊU (2/2): Kỹ năng: Xây dựng mơ hình chương trình mơ phần tử hệ thống truyền dẫn vơ tuyến số điển hình nhằm: (i) trực quan hóa nguyên lý hoạt động dạng biểu diễn tín hiệu hệ thống miền thời gian, miền tần số,v,v, ; (ii) tính tốn, phân tích, đánh giá hiệu năng, tối ưu tham số đối lập ưu nhược điểm hệ thống thông tin vô tuyến Quy hoạch, khai thác, quản lý bảo dưỡng hệ thống thông tin vô tuyến Thái độ, chuyên cần: Nhận thức rõ vị trí, vai trị nội dung mơn học phân tích, thiết kế, quản lý khai thác hệ thống thông tin vô tuyến Cập nhật làm chủ kỹ thuật công nghệ tiên tiến Nguyễn Viết Đảm Fundamentals of Wireless Communication TÓM TẮT NỘI DUNG: Trang bị cho sinh viên Điện tử-Viễn thông kiến thức tảng, đặc trưng thông tin vô tuyến:  Các khái niệm truyền dẫn vô tuyến số: Kênh truyền, sóng mang, tín hiệu băng tần gốc thông băng, phân tập, ghép kênh không gian v,v  Lý thuyết kênh vô tuyến: Kênh vô tuyến, đặc tính kênh vơ tuyến, mơ hình dung lượng kênh vơ tuyến, phương pháp mơ phân tích đánh giá hiệu  Các kỹ thuật điều chế/giải điều chế số, mơ phân tích đánh giá hiệu  Các kỹ thật mã hóa kênh kiểm sốt lỗi, mơ phân tích đánh giá hiệu  Các mơ hình kênh, dung lượng kênh phương pháp mô  Các phương pháp quản lý phân bổ tài ngun vơ tuyến điển hình, mơ phân tích đánh giá hiệu  Ảnh hưởng truyền sóng vơ tuyến biện pháp khắc phục  Phân tích, tính tốn đường truyền dẫn vơ tuyến số: Lựa chọn tính tốn thơng số, phân tích đường truyền vơ tuyến số mặt đất, phân tích đường truyền vệ tinh  Thiết bị hệ thống truyền dẫn vơ tuyến số: Cấu hình hệ thống, quy hoạch tần số, phần tử đặc trưng thiết bị vô tuyến, quản lý khai thác, đo đánh giá định vị cố Nguyễn Viết Đảm Fundamentals of Wireless Communication NỘI DUNG Chương Giới thiệu chung Chương Các dạng tín hiệu hệ thống thơng tin vơ tuyến Chương Khơng gian tín hiệu điều chế Chương Mã hóa kênh kiểm sốt lỗi hệ thống hệ thống thông tin vô tuyến số Chương Xử lý kênh vật lý mã hóa kiểm sốt lỗi hệ thống thơng tin di động Chương Thiết bị vi ba số Chương Quy hoạch tần số cấu hình hệ thống truyền dẫn vơ tuyến số Chương Phân tích đường truyền vô tuyến số Chương Các thách thức truyền dẫn tốc độ cao hệ thống thông tin vô tuyến băng rộng Chương 10 Kỹ thuật đa anten Chương 11 Lập biểu thích ứng đường truyền Nguyễn Viết Đảm Fundamentals of Wireless Communication TÀI LIỆU THAM KHẢO: Học liệu bắt buộc (HLBB): Cơ sở kỹ thuật thông tin vô tuyến, TS Nguyễn Phạm Anh Dũng, Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng, 2013 Học liệu tham khảo (HLTK): Mô hệ thống viễn thông ứng dụng Matlab, Nguyễn Viết Đảm, Nhà xuất Bưu Điện, 2007 Lý thuyết trải phổ đa truy nhập vô tuyến, TS Nguyễn Phạm Anh Dũng, Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng Wireless Communications, Andrea Goldsmith, Stanford University Fundamentals of Wireless Communication, Dr David Tse and Dr Pramod Viswanath, Cambridge University Press, 2005 Digital Communications, Dr Bernard Sklar, Prentice-Hall, 2004 Digital Communications, Dr John G Proakis, McGraw-Hill, 2001 Học liệu bổ trợ (HLBT): Các đề tài nghiên cứu khoa học chương trình mơ phỏng: Nghiên cứu mơ hình lớp vật lý 802.16e WiMAX di động mô kênh đường xuống Mã số: 09-HV-2007-RD-VT Phân bổ tài nguyên thích ứng lập lịch động cho hệ thống vô tuyến hệ sau Mã số: 01-HV-2008RD-VT Xây dựng mơ hình truyền dẫn thích ứng đa lớp cho hệ thống thông tin di động hệ sau Mã số: 101-06-KHKT-RD Xây dựng phần mềm mô kênh phađinh cho thông tin di động Mã số: 06-HV-2003-RD-VT Nghiên cứu điều chế thích ứng cho máy thu thông minh thông tin di động Mã số: 02-HV-2004RD-VT Nghiên cứu mô hệ thống truyền dẫn vô tuyến sử dụng máy thu phát thông minh sở OFDM thích ứng Mã số: 12-HV-2005-RD-VT Nguyễn Viết Đảm Fundamentals of Wireless Communication TIẾN HÓA TRUYỀN THÔNG VÔ TUYẾN Nguyễn Viết Đảm Fundamentals of Wireless CommunicationVƠ TUYẾN TIẾN HĨA TRUYỀN THƠNG Đối tượng NC: Đặc điểm Môi trường vô tuyến Yêu cầu nhu cầu Tài nguyên bị hạn chế khan Nhu cầu chiến dụng ngày gia tăng Chất lượng an ninh Yêu cầu chất lượng ngày cao Khám phá, Khai thác hiệu & triệt để tài nguyên phải đảm bảo chất lượng Giải pháp điển hình Ý tưởng NC Mạng truyền thơng vơ tuyến Khai thác tài nguyên vô tuyến chưa triệt để Khai thác tiềm thành phần node mạng chưa triệt để Khai thác CSI chưa triệt để Việc phối kết hợp chưa cao • Mã hóa kênh sửa lỗi tiên tiến, phân tập, điều chế bậc cao, MIMO-OFDM,… • Quy hoạch tối ưu mạng, mạng tự tối ưu, SON,… • Phân bổ tài nguyên tối ưu lập lịch động, chế thích ứng: AMC, AOFDM,… Khai thác hiệu triệt để tài nguyên vô tuyến Khai thác triệt để lực tiềm thành phần nút mạng Đối phó, khắc phục nhược điểm Khai thác triệt để CSI Mục tiêu: Tối đa hóa hiệu (dung lượng chất lượng) hiệu chiếm dụng lượng Nguyễn Viết Đảm  Vô tuyến khả tri: Phát khai thác phổ tần rỗi (cảm nhận môi trường phân bổ tài nguyên)  Vô tuyến hợp tác: Hợp tác, phối kết hợp nút mạng phần tử để tăng độ xác cảm nhận, mã hóa mạng động,…  Vơ tuyến UWB, Massive MIMO, RoF… Fundamentals of Wireless Communication Tiến hóa truyền thơng vô tuyến vô tuyến UWB Đối tượng NC: Đặc điểm Môi trường vô tuyến Yêu cầu nhu cầu Tài nguyên bị hạn chế khan Nhu cầu chiến dụng ngày gia tăng Chất lượng an ninh Yêu cầu chất lượng ngày cao Mạng truyền thơng vơ tuyến • Khai thác tài nguyên VT chưa triệt để • Khai thác tiềm thành phần node mạng chưa triệt để • Khai thác CSI chưa triệt để • Việc phối kết hợp chưa cao Khám phá, Khai thác hiệu & triệt để tài nguyên phải đảm bảo chất lượng Giải pháp điển hình Vơ tuyến UWB • Mã hóa kênh sửa lỗi tiên tiến, phân tập, điều chế bậc cao, MIMO-OFDM… • Quy hoạch tối ưu mạng, mạng tự tối ưu SON… • Phân bổ tài nguyên tối ưu lập lịch động, chế thích ứng: AMC, AOFDM… Khai thác hiệu triệt để tài nguyên vô tuyến dạng đồng hoạt động chồng phổ tần Khả đề kháng với kênh pha đinh Dung lượng lớn Định vị xác Vơ tuyến hóa thiết bị cá nhân Vi mạng hóa, truyền thông xanh Nguyễn Viết Đảm Mục tiêu: Tối đa hóa hiệu (dung lượng chất lượng) hiệu sử dụng lượng 10 Fundamentals of Wireless Communication 1.3 BIỆN PHÁP NĂNG CAO HIỆU NĂNG ĐIỂN HÌNH Tổ chức quy hoạch sử dụng tài nguyên vô tuyến hợp lý: FD, TD,CD,SD, đa truy nhập… Sử dụng giải pháp cơng nghệ tiên tiến: MIMO; Cơ chế thích ứng; Lập biểu thích ứng đường truyền; Phân bổ tài nguyên tối ưu… Tổ chức cấu hình hệ thống hợp lý  Cấu hình dự phịng để đối phó cố thiết bị  Cấu hình phân tập (phân tập khơng gian, phân tập tần số, phân tập phân cực, phân tập góc, phân tập thời gian) đối phó cố đường truyền Sử dụng công nghệ xử lý số phức tạp:  Mã hoá kênh chống lỗi  Đan xen  Ngẫu nhiên hố  Cân thích ứng  Mật mã hố tín hiệu Hồn thiện mạch điện vô tuyến Nguyễn Viết Đảm 39 Fundamentals of Wireless Communication Tài nguyên vô tuyến, sử dụng hiệu tài nguyên, khái niệm Điều chế, ghép kênh Đa truy nhập, quy hoạch tần số, điều chế mã hóa thích ứng AMC, MIMO, quy hoạch mạng, mã hóa nguồn tin hiệu quả, nén tín hiệu, phân bổ tài nguyên thích ứng, lập lịch động, điều khiển truy nhập mơi trường MAC… Kênh truyền dẫn (sóng mang), kênh đường lên UL kênh đường xuống DL, phân bổ tài nguyên cho kênh (Băng tần, độ rộng băng tần, băng thông, phổ tần, dung lượng, tốc độ bit) kênh, tần số trung tâm Tín hiệu băng tần sở, tín hiệu thơng băng (thơng dải) Can nhiễu, lọc nhiễu, băng tần bảo vệ, mã hóa sửa lỗi Nguyễn Viết Đảm 40 Fundamentals of Wireless Communication Tài nguyên vô tuyến, khai thác hiệu & triệt để TỪ LỚP VẬT Lí Tài nguyên = f tần số, thời gian, mÃ, không gian Sử dụng được, sử dụng hết, sử dụng hiệu & triệt để tài nguyên Diều chế, gh ép kênh, đa truy nhập, chế thÝch øng, ®iỊu khiĨn lng.v.v Có thể nói rằng: Ghép kênh làm cho tài nguyên (tần số, thời gian, mã, khơng gian) có tính khai thác triệt để tính vào mục đích truyền thơng XU HƯỚNG Xu hướng tất yếu NGN: Sử dụng hết, sử dụng hiệu tài nguyên đảm bảo chất lượng => phân chia tài nguyên khả dụng, gán, cấp phát, phân bổ, định tuyến cách hiệu => chế động & thích ứng => tăng tính phức tạp quản lý tài nguyên (định tuyến, điều khiển luồng, tài nguyên địa chỉ) ước tính kênh (CSI) phù hợp truyền dẫn thích ứng, phân bổ tài nguyên lập lịch, MIMO thích ứng… TDD cần kênh mang tần số => thích ứng tốt cấp phát tần số khác giới Thiết kế máy phát thu TDD phức tạp => kinh tế Nguyễn Viết Đảm 44 Fundamentals of Wireless Communication Tài nguyên truyền dẫn quang-DWDM WDM, CWDM, DWDM sử dụng hết tài nguyên Triển khai đa truy nhập, chuyển mạch, IP => sử dụng hiệu Thuật toán quản lý tài nguyên cấp phát phân bổ đại IP, gán, phân bổ, định tuyến, điều khiển luồng Độ rộng phổ nguồn phát quang nhỏ tài nguyên độ rộng băng tần sợi quang lớn => WDM Càng phân nhỏ tài nguyên khả dụng tính đa dạng (phức tạp) cấu hình, quản lý cao đa dạng dịch vụ cao hiệu sử dụng tài nguyên cao dung hòa tối ưu Tài nguyên hệ thống WDM hiểu cửa sổ truyền dẫn sợi quang, WDM cho phép truyền nhiều bước sóng 45 Nguyễnquang Viết Đảm sợi quang Fundamentals of Wireless Communication Quá trình phát triển DWDM IP OVERWDM Overall reduction of equipment costs and management complexity Improved bandwidth efficiency Phân loại tài nguyên: (tài nguyên tự nhiên, tài nguyên nhân tạo) Tài nguyên logic, giao thức (tài nguyên địa chỉ…); Tài nguyên phổ , tần số,… (giao diện) Sự khác WDM DWDM mức độ ghép => DWDM đạt dung lượng lớn DWDM giải pháp khai thác triệt để tài nguyên phổ tần sợi quang ? Càng phân chia nhỏ đơn vị tài nguyên => hiệu cao, đáp ứng tính đa dạng loại hình dịch vụ….=> tăng mức độ quản lý, phân bổ,… Khái niệm: kênh logic, kênh vật lý; giao diện giao thức; chồng giao thức/giao diện vật lý Tài nguyên hệ thống WDM hiểu cửa sổ truyền dẫn sợi quang, WDM cho phép truyền nhiều bước sóng 46 Nguyễnquang Viết Đảm sợi quang Fundamentals of Wireless Communication Minh họa mơ hình hệ thống WDM Kênh Tx1 Kênh 1’ Kênh N Kênh N' Rx1 TxN RxN 1 '1 N 'N MUX/ DEMUX Sợi quang 1,2, N '1,'2, 'N Nguyễn Viết Đảm MUX/ DEMUX 1 Rx1 '1 Tx1 N 'N Kênh Kênh 1’ RxN KênhN TxN KênhN' 47 Fundamentals of Wireless Communication 1.4 SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG VÔ TUYẾN SỐ Đầu vào số KĐ GD Khối xử lý băng gốc phát ĐC BĐNT KĐCS GDMT TD GDMT TD SM Kênh mặt đất Nhiễu KTD Tạp âm Tổn hao vô tuyến SM Đầu số KĐ GD Khối xử lý băng gốc thu BĐHT, KĐTT GĐC KTD Nhiễu Tổn hao vô tuyến Tạp âm KTD Tổn hao vô tuyến GDMT TD KĐTÂN Kênh vệ tinh Phát đáp vệ tinh MÁY PHÁT MÁY THU Đường lên GDMT TD Nhiễu Tạp âm Đường xuống Ký hiệu: KĐGD: Khuyếch đại+giao diện ĐC BĐNT: Điều chế biến đổi nâng tần SM: Sóng mang BĐHT, KĐTT, GĐC: Biến đổi hạ tần, khuyếch đại trung tần giải điều chế KĐCS: Khuyếch đại công suất KTD: Kênh truyền dẫn KĐTÂN: Khuyếch đại tạp âm nhỏ GDMTTD: Giao diện môi trường truyền dẫn Nguyễn Viết Đảm 48 Fundamentals of Wireless Communication 1.4 SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG TRUYỀN THƠNG VƠ TUYẾN SỐ Tõ c¸c ngn kh¸c C¸c bit kênh Nguồn tin Lập khuôn Mà hoá nguồn Mật mà Mà hoá kênh Ghép kênh Điều chế Trải phổ Đa thâm nhập Đầu vào số Luồng bit Đồng K ê n h Dạng sóng số Đầu số Nhận tin Lập khuôn Giải mà nguồn Giải mật mà Giải mà kênh Gải ghép kênh Gải điều chế Giải trải phổ TX Đa thâm nhập RX Các bit kênh Đến nơi nhận khác Tuỳ chọn Bắt buộc Minh họa tính bắt buộc tính tùy chọn hệ thống truyền thông vô tuyến số Nguyễn Viết Đảm 49 Fundamentals of Wireless Communication 1.4 SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG TRUYỀN THƠNG VƠ TUYẾN SỐ  Phía phát  Khối KĐ giao diện đường số:      Phối kháng với đường số Khuyếch đại cân cáp đường truyền số Biến đổi mã đường vào mã máy Tái sinh tín hiệu số Khơi phục xung đồng hồ  Khối xử lý số băng tần gốc phát:     Ghép thêm thông tin điều khiển quản lý đường truyền Mật mâ hoá thơng tin quan trọng Mã hố kênh chống lỗi Ngẫu nhiên hố tín hiệu số trước đưa lên điều chế  Khối điều chế biến đổi nâng tần: Điều chế sóng mang tín hiệu số để chuyển đổi tín hiệu số vào vùng tần số cao thuận tiện cho việc truyền dẫn Đối với máy phát đổi tần, điều chế thực trung tần, khối biến đổi nâng tần chuyển tín hiệu trung tần phát vào vùng tần số vô tuyền trước phát  Khối khuyếch đại công suất: Khuyếch đại công suất phát đến mức cần thiết Nguyễn Viết Đảm 50 Fundamentals of Wireless Communication 1.4 SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG TRUYỀN THƠNG VƠ TUYẾN SỐ Phía thu:  Khuyếch đại tạp âm thấp LNA:  Biến đổi hạ tần, khuyếch đại trung tần giải điều chế:  Xử lý số băng tần gốc thu: Giải ghép xen Giải mã kênh Giải ngẫu nhiên Phân luồng cho luồng số luổng số điều khiển quản lý đường truyền Cân thích ứng vùng thời gian để giảm thiểu ảnh hưởng phađinh Nguyễn Viết Đảm 51 Fundamentals of Wireless Communication 1.4 SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG VÔ TUYẾN SỐ  Khuyếch đại giao điện đường số: Khuyếch tín hiệu số đến mức cần thiết trước đưa ngòai máy Biến đổi mã máy vào mã đường Phối kháng với đường số Giao diện môi trường truyền dẫn: Hệ thống anten-phiđơ thiết bị siêu cao tần cho phép máy thu máy phát giao tiếp với môi trường truyền dẫn vô tuyến Giao diện môi trường truyền dẫn số mạch siêu cao tần đươc khảo sát giáo trình Anten-truyền sóng kỹ thuật siêu cao tần Nguyễn Viết Đảm 52 Fundamentals of Wireless Communication 1.4 SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG VÔ TUYẾN SỐ RF FRONT-END Đầu vào băng gốc DSP DAC Bộ điều chế Biến đổi nâng tần PA Duplexer Đầu băng gốc DSP ADC Bộ giải điều chế Biến đổi tần LNA Kiến trúc tổng quát hệ thống thu phát vô tuyến Nguyễn Viết Đảm 53 ... DUNG Chương Giới thiệu chung Chương Các dạng tín hiệu hệ thống thơng tin vơ tuyến Chương Khơng gian tín hiệu điều chế Chương Mã hóa kênh kiểm sốt lỗi hệ thống hệ thống thông tin vô tuyến số Chương. .. dẻo,v,v chắt lọc, tích hợp kỹ thuật với kỹ thuật tiên tiến, tính khả thi nhờ cơng nghệ FPGA hội tụ hệ thống vô tuyến hệ sau Là môn học sở chuyên nghành thông tin vô tuyến, nội dung kiến thức môn... thống WDM Kênh Tx1 Kênh 1? ?? Kênh N Kênh N'' Rx1 TxN RxN ? ?1  ''1 N ''N MUX/ DEMUX Sợi quang ? ?1, 2, N  ''1, ''2, ''N Nguyễn Viết Đảm MUX/ DEMUX ? ?1 Rx1  ''1 Tx1 N ''N Kênh Kênh 1? ?? RxN KênhN TxN KênhN''