Chng I TS Nguyễn Phạm Anh Dũng 7 Chương 1 TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐA TRUY NHẬP VÔ TUYẾNVÀ KỸ THUẬT TRẢI PHỔ 1 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1 1 1 Các chủ đề được trình bầy trong chương Tổng quan FDMA Tổng[.]
TS Nguyễn Phạm Anh Dũng Chương TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐA TRUY NHẬP VÔ TUYẾNVÀ KỸ THUẬT TRẢI PHỔ 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1.1 Các chủ đề trình bầy chương Tổng quan FDMA Tổng quan TDMA Tổng quan CDMA Tổng quan SDMA So sánh dung lượng hệ thống FDMA, TDMA CDMA 1.1.2 Hướng dẫn Học kỹ tư liệu trình bầy chương Tham khảo thêm [2] Trả lời câu hỏi tập cuối chương 1.1.3 Mục đích chương Hiểu tổng quan phương pháp đa truy nhập Hiểu cách so sánh dung lượng hệ thống đa truy nhập khác 1.2 MỞ ĐẦU Các phương thức đa truy nhập vô tuyến sử dụng rộng rãi mạng thông tin di động Trong chương ta xét tổng quan phương pháp đa truy nhập sử dụng thông tin vô tuyến Ngoài ta xét kỹ thuật trải phổ kỹ thuật sở cho hệ thống thông tin di động CDMA Mơ hình hệ thống đa truy nhập cho hình 1.1 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng Bộ phát đáp vệ tinh a) Các trạm mặt đất b) Di động Trạm gốc ô Máy di động Hình 1.1 Các hệ thống đa truy nhập: a) đầu cuối mặt đất phát đáp, b) trạm di động trạm gốc Thông thường hệ thống thông tin đa truy nhập vơ tuyến có nhiều trạm đầu cuối số trạm có nhiệm vụ kết nối trạm đầu cuối với mạng chuyển tiếp tín hiệu từ trạm đầu cuối đến trạm khác Các trạm đầu cuối hệ thống thống tin di động mặt đất máy di động cịn trạm đầu cuối hệ thống thơng tin vệ tinh trạm thông tin vệ tinh mặt đất Các trạm kết nối trạm đầu cuối với mạng chuyển tiếp tín hiệu từ trạm đầu cuối đến trạm khác trạm gốc thông tin di động mặt đất phát đáp vệ tinh hệ thống thơng tin vệ tinh Do vai trị trạm gốc thông tin di động mặt đất phát đáp vệ tinh máy di động trạm mặt đất giống hệ thống đa truy nhập vô tuyến nên phần ta xét chúng đổi lẫn cho Trong hệ thống thông tin đa truy nhập vơ tuyến có hai đường truyền: đường từ trạm đầu cuối đến trạm gốc trạm phát đáp, đường theo chiều ngược lại Theo quy ước chung đường thứ đường lên đường thứ hai gọi đường xuống Các phương pháp đa truy nhập chia thành bốn loại chính: Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA: Frequency Division Multiple Access) Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA: Time Division Multiple Access) TS Nguyễn Phạm Anh Dũng Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA: Code Division Multiple Access) Đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA: Space Division Access) Các phương pháp đa truy nhập nói kết hợp với để tạo thành phương pháp đa truy nhập Các phương pháp đa truy nhập xây dựng sở phân chia tài nguyên vô tuyến cho nguồn sử dụng (các kênh truyền dẫn) khác Nguyên lý ba phương pháp đa truy nhập cho hình 1.2 Tần số Trạm gốc N f t f FDMA t B f N 2 t N FDMA Tần số Trạm gốc f Thời gian t f TDMA t B f N t N N Mã f Trạm gốc TDMA Thời gian Mã CDMA t Mã Tần số f 2 N t N N CDMA Thời gian Hình 1.2 Nguyên lý đa truy nhập: a) Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA); b) Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA); c) Đa truy nhập phân cha theo mã (CDMA) TS Nguyễn Phạm Anh Dũng Mỗi kênh người sử dụng vô tuyến hệ thống vô tuyến tổ ong mặt đất hay tram đầu cuối hệ thống thông tin vệ tinh đa trạm sử dụng sóng mang có phổ nằm băng tần kênh vào thời điểm hoạt động kênh Tài nguyên dành cho kênh trình bầy dạng hình chữ nhật mặt phẳng thời gian tần số Hình chữ nhật thể độ rộng kênh thời gian hoạt động (hình 1.2) Khi khơng có quy định trước sóng mang đồng thời chiếm hình chữ nhật gây nhiễu cho Để tránh can nhiễu máy thu trạm gốc (hay máy thu cuả trạm phát đáp vệ tinh) máy thu trạm đầu cuối phải có khả phân biệt sóng mang thu Để đạt phân biệt tài nguyên phải phân chia: Như hàm vị trí lượng sóng mang vùng tần số Nếu phổ sóng mang chiếm băng tần khác nhau, máy thu phân biệt sóng mang cách lọc Đây nguyên lý đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA: Frequency Division Multiple Access, hình 1.2a) Như hàm vị trí thời gian lượng sóng mang Máy thu thu sóng mang tần số theo thời gian phân tách chúng cách mở cổng theo thời gian chí sóng mang chiếm băng tần số Đây nguyên lý đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA: Time Division Multiple Access; hình 1.2b) Như hàm phụ thuộc mã lượng sóng mang Máy thu thu đồng thời sóng mang tần số phân tách chúng cách giải mã sóng mang theo mã mà chúng phát Do kênh hay nguồn phát có mã riêng nên máy thu phân biệt sóng mang chí tất sóng mang đồng thời chiếm tần số Mã phân biệt kênh hay nguồn phát thường thực mã giả tạp âm (PN: Pseudo Noise Code) Phương pháp gọi đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA: Code Division Multiple Access; hình 1.2c) Việc sử dụng mã dẫn đến mở rộng đáng kể phổ tần sóng mang so với phổ mà có điều chế thơng tin hữu ích Đây lý mà CDMA gọi đa truy nhập trải phổ (SSMA: Spread Spectrum Multiple Access) Như hàm phụ thuộc vào khơng gian lương sóng mang Năng lương sóng mang kênh hay nguồn phát khác phân bổ hợp lý không gian để chúng khơng gây nhiễu cho Vì kênh hay nguồn phát sử dụng không gian quy định trước nên máy thu thu sóng mang nguồn phát cần thu chí tất sóng mang khác đồng thời phát phát băng tần Phương pháp gọi phương pháp đa truy 10 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng nhập theo không gian (SDMA: Space Division Multiple Access) Có nhiều biện pháp để thực SDMA như: Sử dụng lặp tần số cho nguồn phát khoảng cách đủ lớn không gian để chúng không gây nhiễu cho Phương pháp thường gọi phương pháp tái sử dụng tần số khoảng cách cần thiết để nguồn phát tần số không gây nhiễu cho gọi khoảng cách tái sử dụng tần số Cần lưu ý thuật ngữ tái sử dụng tần số sử dụng cho trường hợp hai nguồn phát hay hai kênh truyền dẫn sử dụng chung tần số phát hai phân cực khác Sử dụng anten thông minh (Smart Anten) Các anten cho phép tập trung lượng sóng mang nguồn phát vào hướng có lợi cho máy thu chủ định tránh gây nhiễu cho máy thu khác Các phương pháp đa truy nhập nói kết hợp với Hình 1.3 cho thấy cách kết hợp ba phương pháp đa truy nhập Kỹ thuật sở FDMA Phân chia theo tần số/mã (FD/CDMA) Phân chia theo tần số/thờì gian/mã (FD/TD/CDMA) Phân chia theo tần số/thời gian (FD/TDMA) TDMA Chu kỳ khung Tần số Mặt phẳng chiếm kênh thời giantần số B (băng thông hệ thống) Thời gian Phân chia theo thời gian/mã (TD/CDMA) CDMA Hình 1.3 Kết hợp ba dạng đa truy nhập sở thành dạng đa truy nhập lai ghép 11 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng 1.3 ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ, FDMA 1.3.1 Nguyên lý FDMA Trong phương pháp đa truy nhập độ rộng băng tần cấp phát cho hệ thống B Mhz chia thành n băng tần con, băng tần ấn định cho kênh riêng có độ rộng băng tần B/n MHz (hình 1.4) Trong dạng đa truy nhập máy vô tuyến đầu cuối phát liên tục số sóng mang đồng thời tần số khác Cần đảm bảo khoảng bảo vệ kênh bị sóng mang chiếm để phịng ngừa khơng hồn thiện lọc dao động Máy thu đường xuống dường lên chọn sóng mang cần thiết theo tần số phù hợp Như FDMA phương thức đa truy nhập mà kênh cấp phát tần số cố định Để đảm bảo FDMA tốt tần số phải phân chia quy hoạch thống toàn giới B/n MHz Đoạn bảo vệ n Nhiễu kênh lân cận B MHz Hình 1.4 FDMA nhiễu giao thoa kênh lân cận Để đảm bảo thơng tin song cơng tín hiệu phát thu máy thuê bao phải phát hai tần số khác hay tần số khoảng thời gian phát thu khác Phương pháp thứ gọi ghép song công theo tần số (FDMA/FDD, FDD: Frequency Division Duplex) phương pháp thứ hai gọi ghép song công theo thời gian (FDMA/TDD, TDD: Time Division Duplex) Phương pháp thứ mơ tả hình 1.5 Trong phương pháp băng tần dành cho hệ thống chia thành hai nửa: nửa thấp (Lower Half Band) nửa 12 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng cao (Upper Half Band) Trong nửa băng tần người ta bố trí tần số cho kênh (xem hình 1.5a) Trong hình 1.5a cặp tần số nửa băng thấp nửa băng cao có số gọi cặp tần số thu phát hay song công, tần số sử dụng cho máy phát tần số sử dụng cho máy thu kênh, khoảng cách hai tần số gọi khoảng cách thu phát hay song công Khoảng cách gần hai tần số nửa băng gọi khoảng cách hai kênh lân cận (x), khoảng cách phải chọn đủ lớn để tỷ số tín hiệu tạp âm cho trước (SNR: Signal to Noise Ratio) hai kênh cạnh gây nhiễu cho Như kênh bao gồm cặp tần số: tần số băng tần thấp tần số băng tần cao để đảm bảo thu phát song công Thông thường đường phát từ trạm gốc (hay phát đáp) xuống trạm đầu cuối (thu trạm đầu cuối) gọi đường xuống, đường phát từ trạm đầu cuối đến trạm gốc (hay trạm phát đáp) gọi đường lên Khoảng cách hai tần số đường xuống đường lên ∆Y thấy hình vẽ Trong thơng tin di dộng tần số đường xuống cao tần số đường lên để suy hao đường lên thấp đường xuống công suất phát từ máy cầm tay lớn Trong thông tin vệ tinh tuỳ thuộc vào hệ thống, tần số đường xuống thấp cao tần số đường lên, chẳng hạn hệ thống sử dụng trạm thông tin vệ tinh mặt đất lớn người ta thường sử đụng tần số đường lên cao đường xuống, ngược lại hệ thống thông tin vệ tinh (như di động chẳng hạn) trạm mặt đất nhỏ nên tần số đường lên sử dụng thấp tần số đường xuống 13 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng a) Nửa băng thấp f1 f2 f3 f0 fn-1 fn Nửa băng cao f’1 f’2 f’3 f’n-1 f’n x y B b) MS1 f’1 f1 Trạm gốc MS2 MS3 f’2 f2 f’3 f3 Ký hiệu x: Khoảng cách tần số hai kênh lân cận y: Khoảng cách tần số thu phát B: Băng thông cấp phát cho hệ thống f0: Tần số trung tâm f’i: Tần số đường xuống fi: Tần số đường lên Hình 1.5 Phân bố tần số phương pháp FDMA/FDD Trong phương pháp thứ hai (FDMA/TDD) máy thu máy phát sử dụng chung tần số (nhưng phân chia theo thời gian) băng tần kênh chọn tần số băng tần (phương pháp ghép song công theo thời gian: TDD) Phương pháp mô tả hình 1.6 Hình 1.6 cho thấy kênh vơ tuyến giưã trạm gốc máy đầu cuối sử dụng tần số f i cho phát thu Tuy nhiên phát thu luân phiên, chẳng hạn trước tiên trạm gốc phát xuống máy thu đầu cuối khe thời gian ký hiệu Tx, sau ngừng phát thu tín hiệu phát từ trạm đầu cuối khe thời gian ký hiệu Rx, sau lại phát khe Tx 14 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng a) f1 f2 fn-1 fn f3 x B b) MS1 RX RX MS2 RX TX TX TX RX RX RX TX f1 TX TX MS3 Trạm gốc f2 f3 Ký hiệu x: Khoảng cách tần số hai kênh lân cận B: Băng thông cấp phát cho hệ thống fi: Tần số chung cho đường xuống đường lên Hình 1.6 Phân bố tần số phương pháp FDMA/TDD 1.3.2 Nhiễu giao thoa kênh lân cận Từ hình 1.4 ta thấy độ rộng kênh bị chiếm dụng số sóng mang tần số khác Các sóng mang phát từ trạm gốc đến tất máy vô tuyến đầu cuối nằm vùng phủ anten trạm Máy thu máy vô tuyến đầu cuối phải lọc sóng mang tương ứng với chúng, việc lọc thực dễ dàng phổ sóng mang phân cách với băng tần bảo vệ rộng Tuy nhiên việc sử dụng băng tần bảo vệ rộng dẫn đến việc sử dụng không hịêu độ rộng băng tần kênh Vì phải thực dung hòa kỹ thuật tiết kiệm phổ tần Dù có chọn giải pháp dung hịa phần cơng suất sóng mang lân cận với sóng mang cho trước bị thu máy thu điều hưởng đến tần số sóng mang cho trước nói Điều dẫn đến nhiễu giao thoa gọi nhiễu kênh lân cận (ACI: Adjacent Channel Interference) Dung lượng truyền dẫn kênh (tốc độ bit Rb) xác định độ rộng băng tần điều chế (Bm) cần thiết phải có thêm khoảng bảo vệ để tránh nhiễu giao thoa kênh lân cận nên Bm < B/n Do dung lượng thực tế lớn dung lượng cực 15 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng đại nhận kỹ thuật điều chế cho trước.Vì hiệu suất sử dụng tần số thực n/B kênh lưu lượng MHz Trong hệ thống điện thoại khơng dây FDMA điển hình châu Âu hiệu suất sử dụng tần số thực hệ thống điện thoại khơng dây 20 kênh/Mhz cịn điện thoại không dây số 10 kênh/MHz Về mặt kết cấu, FDMA có nhược điểm sóng mang tần số vơ tuyến truyền Erlang trạm gốc cần cung cấp N Erlang dung lượng phải cần N thu phát cho trạm Ngoài phải cần kết hợp tần số vô tuyến cho kênh Để tăng hiệu suất sử dụng tần số sử dụng FDMA kết hợp với ghép song công theo thời gian (FDMA/TDD) Ở phương pháp máy thu phát sử dụng tần số thời gian phát thu luân phiên (hình 1.6) Phương pháp FDMA nhậy cảm với phân tán thời gian truyền lan sóng, khơng cần đồng không xẩy trễ không cần xử lý tín hiệu nhiều, giảm trễ hồi âm 1.4 ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO THỜI GIAN, TDMA 1.4.1 Nguyên lý TDMA Hình 1.7 cho thấy hoạt động hệ thống theo nguyên lý đa truy nhập phân chia theo thời gian Các máy đầu cuối vô tuyến phát không liên tục thời gian T B Sự truyền dẫn gọi cụm Sự phát cụm đưa vào cấu trúc thời gian dài gọi chu kỳ khung, tất máy đầu cuối vô tuyến phải phát theo cấu trúc Mỗi sóng mang thể cụm chiếm toàn độ rộng kênh vơ tuyến mang tần số sóng mang fi 16 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng Khe thêi gian ph¸t (k bit) Mét khung T Tf 2Tf 3T f t T=Tf /M, M số khe thời gian mét khung Hình 1.14 Trải phổ nhẩy thời gian (THSS) Trong hệ thống THSS khối bit số liệu nén phát ngắt quãng hay nhiều khe thời gian khung chứa số lượng lớn khe thời gian Một mẫu nhẩy thời gian xác định khe thời gian sử dụng để truyền dẫn khung Lúc đầu kỹ thuật SS sử dụng hệ thống thông tin quân Ý tưởng lúc đầu làm cho tín hiệu phát giống tạp âm máy thu không mong muốn cách gây khó khăn cho máy thu việc tách lấy tin Để biến đổi tin vào tín hiệu tựa tạp âm, ta sử dụng mã đươc "coi là" ngẫu nhiên để mã hoá cho tin Ta muốn mã giống ngẫu nhiên Tuy nhiên máy thu chủ định phải biết mã này, cần tạo mã cách xác đồng với mã phát để lấy tin (giải mã) Vì mã "giả định" ngẫu nhiên phải xác định Nên ta phải sử dụng mã giả ngẫu nhiên (hay mã giả tạp âm) Mã giả ngẫu nhiên phải thiết kế để có độ rộng băng lớn nhiều so với độ rộng băng cuả tin Bản tin biến đổi mã cho tín hiệu nhận có độ rộng phổ gần độ rộng phổ tín hiệu giả ngẫu nhiên Có thể coi biến đổi trình "mã hố" Q trình gọi q trình trải phổ Ta nói máy phát tin trải phổ mã giả ngẫu nhiên Máy thu phải giải trải phổ tín hiệu thu để trả lại độ rộng phổ độ rộng phổ tin Hiện phần lớn quan tâm hệ thống SS ứng dụng đa truy nhập mà nhiều người sử dụng chia sẻ độ rộng băng tần truyền dẫn Trong hệ thống DSSS tất người sử dụng dùng chung băng tần phát tín hiệu họ đồng thời Máy thu sử dụng tín hiệu giả ngẫu nhiên xác để lấy tín hiệu mong muốn cách giải trải phổ Các tín hiệu khác xuất dạng nhiễu phổ rộng công suất thấp tựa tạp âm Ở hệ thống FHSS THSS người sử dụng ấn định mã giả ngẫu nhiên cho khơng có cặp máy phát sử dụng tần số hay 25 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng khe thời gian, máy phát tránh xung đột Như FH TH kiểu hệ thống tránh xung đột, DS kiểu hệ thống lấy trung bình Các mã trải phổ mã giả tạp âm (PN code) mã tạo từ hàm trực giao Để hiểu tổng quan vai trị trải phổ hệ thống thơng tin vơ tuyến phàn ta xét tổng quan trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) Cụ thể phương pháp trải phổ DSSS, FHSS THSS khảo sát chương 1.5.2 Mơ hình đơn giản hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp, DSSS Mơ hình đơn giản hệ thống trải phổ gồm K người sử dụng chung băng tần với tần số sóng mang fc điều chế BPSK cho hình 1.15 Tx1 Rx1 b1(t), c1(t) Txk Chuyển đổi mức b1(t), c1(t) Rxk Trải phổ dk(t) bk(t) 0®+1 {0,1} 1®-1 {+1,-1} 1 Rb = Rb = Tb Tb ck(t) Bộ tạo {+1,-1} mã Rc = Tc TxK Điều chế BPSK Giải điều chế Giải trải phổ u(t) 2Eb cos(2pfct) Tb cos(2pfct) Tb Tb (.)dt Bộ lọc v(t) Rb = ck(t) Bộ tạo {+1,-1} mã Rc = Tc Mạch định Tb bk(t) {0,1} RxK b1(t), c1(t) b1(t), c1(t) Hình 1.15 Mơ hình đơn giản hệ thống DSSS gồm K người sử dụng chung tần với sóng mang fc điều chế BPSK Mơ hình xét hình 1.14 gồm K máy phát thu ký hiệu Txj Rxj tương ứng với j=1 k…K, cấu trúc chúng giống nến ta vẽ chi tiết cho khối (Txk Rxk), khối lại vẽ dạng hộp đen với thông số riêng cho 26 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng khối như: bk (t) thể chuỗi bit phát, ck(t) thể mã trải phổ b k ( t ) thể chuỗi bit thu Tín hiệu đầu vào máy phát k luồng số thông tin người sử dụng bk(t) có tốc độ bit Rb=1/Tb Đây tín hiệu số hai ngẫu nhiên đơn cực với hai mức giá trị {0,1} đồng xác suất biểu diễn sau: b k (t) b k (i)pTb t (1.2) iTb i p(t) hàm xung vng đơn vị xác định sau: nÕu t nÕu kh¸c pTb (t) Tb (1.3) bk(i) ={0,1} với xuất đồng xác suất Sau chuyển đổi mức ta luồng bit ngẫu nhiên lưỡng cực d(t) với hai mức {+1,-1} đồng xác suất biểu diễn sau: d k (t) d k (i)pTb t (1.4) iTb i pTb(t) xác định theo (1.3) di={+1.-1} với xuất +1 -1 đồng xác suất Sau luồng bit lưỡng cực đưa lên trải phổ cách nhân với mã trải phổ gọi mã giả tạp âm với tốc độ gọi tốc độ chip Rc=1/Tc Các mã có chu kỳ Tb thông thường Tb=NTc với N lớn Để máy thu phân biệt mã trải phổ, mã phải mã trực giao chu kỳ Tb thoả mãn điều kiện sau: Tb Tb c k (t)c j (t)dt nÕu k nÕu k j j (1.5) tích hai mã trực giao tích mã trực giao tập mã trực giao nêu tích hai mã khác nhau: c k (t)c j (t) nÕu k c i (t) nÕu k j j (1.6) Mã trải phổ chuỗi chip nhận giá trị {+1,-1} gần đồng xác suất N lớn biểu diễn sau: 27 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng N c k (t) c k (j)pTc (t (1.7) jTc ) j ck(j)={+1,-1} chuỗi xung nhận hai giá trị +1 -1 xung gọi chip, Tc độ rộng chip, N=Tb/Tc, pTc(t) hàm xung vuông xác định sau: pTc (t) nÕu t nÕu kh¸c Tc (1.8) Sau trải phổ tín hiệu số có tốc độ chip Rc đưa lên điều chế BPSK cách 2E b nhân với sóng mang: s(t) 2E b Tb Tb cos(2 fc t) để tín hiệu phát vào không gian sau: d k (t)c k (t) cos(2 fc t) , 0tTb (1.9) Eb lượng bit, Tb độ rộng bit fc tần số sóng mang Bây ta xét trình xẩy tai máy thu k Để đơn giản ta máy thu đồng sóng mang mã trải phổ với máy phát, nghĩa tần số, pha sóng mang mã trải phổ máy thu giống máy phát Ngoài ta coi công phát từ K máy phát thu máy thu nhau, ta bỏ qua tạp âm nhiệt đường truyền xét nhiễu K-1 người sử dụng hệ thống, hiệu thu máy thu k sau: K 2E br rk (t) Tb j d j (t j )c j (t j ) cos(2 fc ( t j )) (1.10) Ebr=Eb/Lp lượng bit thu, Lp suy hao đường truyền j trễ truyền sóng Trường hợp truyền dẫn đồng (thường từ BTS đến MS) ta bỏ qua trễ truyền sóng đặt j=0 Tín hiệu thu đưa lên phần đầu trình giải điều chế để nhân với u(t) E br Tb Tb cos(2 fc t) , sau đưa lên giải trải phổ, kết cho ta: K K d j (t)c j (t)c k (t) j d j (t)c j (t)c k (t) cos(4 fc t) (1.11) j 28 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng Sau tích phân thành phần thứ hai (1.11) thành phần cao tần bị loại bỏ, ta dj(t) không đổi chu kỳ lấy tích phân Tb, ta được: Tb v(t) E br u(t)dt Tb K d j (t) Tb j (1.12) c j (t)c k (t)dt Lưu ý đến tính trực giao mã trải phổ theo (1.5) dj(i)={+1,-1} ta kết tích phân (1.12) sau: v(t) d k (t) E br (1.13) E br Mạch định cho mức V(t) dương âm Kết qủa ta chuỗi bit ˆ thu b(t) ước tính chuỗi phát Trường hợp lý tưởng ta chuỗi chuỗi bit phát bk(t) Trường hợp truyền dẫn không đồng (thường từ MS đến BTS), ta phải nhân với Tb cos(2 fc ( t k ) cho giải điều chế ck(t-k) cho giải trải phổ, ta được: E br u(t) Tb K d j (t j )c j (t k )c k (t k ) (1.14) j cos c ( ) j k cos c t c k j Sau lấy tích phân loại bỏ thành phần cao tần, ta được: v(t) d k (t k ) E br E br Tb j K d (t )cos j1 j k j j c k j Tb c (t )c j j k (t k ) (1.15) k Trong thành phần thứ tín hiệu thu từ máy phát k, cịn thành phần thứ hai tín hiệu nhiếu từ K-1 máy phát lại Thành phần nhiễu gọi MAI (Multiple Access Interference: nhiễu đa truy nhập) hay MUI (Multi User Interference: nhiễu đa người sử dụng) Trong phần ta thấy nhờ trải phổ mà phần nhiễu MAI loại bỏ lọc 1.5.3 Phổ tín hiệu Để hiểu rõ ý nghĩa trải phổ hệ thống thông tin vô tuyến trải phổ, ta xét dạng phổ tín hiệu mơ hình hình 1.15 Tương tự ta xét phổ hệ thống phát thu Txk Rxk làm thí dụ 29 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng Phổ của luồng số đơn cực bk(t) xác định theo công thức sau: b b2kmax (i) (f) 4 Tb Sinc (fTb ) Tb Sinc (fTb ) b2kmax (i) (f) (1.16) (f) Nếu xét cho phổ dương không ta được: b TbSinc (fTb ) (f) đó: Sincx= sin x (f) x (f) (1.17) , (f) hàm delta xác định sau: f0 (f)df =1 (1.18) Phổ luồng số lưỡng cực xác định sau: d (f) dk2 (i)TbSinc (fTb ) = TbSinc2 (fTb ) (1.19) Nếu xét cho phổ dương ta được: d(f) = 2TbSinc2 (fTb ) (1.20) Phổ luồng số sau trải phổ xác định sau: dc (f) d k (i)c k (j) Tc Sinc (fTc ) = Tc Sinc2 (fTc ) (1.21) Nếu xét cho phổ dương ta được: dc(f) = 2Tc Sinc2 (fTc ) (1.22) Phổ tín hiệu sau điều chế xác định sau: s (f) PTc Sinc (f fc )Tc PTc Sinc (f fc )Tc (1.23) Nếu xét phổ dương ta được: 30 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng s Pr (f) Rc Sinc (f (1.24) fc )Tc P =Eb/Tb cơng suất trung bình sóng mang Phổ tín hiệu thu đầu vào máy thu k gồm xác định sau: K Pjr j Rc (f) r Sin (f (1.25) fc )Tc Pjr = Pj /Lp suất thu từ máy thu j Lp suy hao truyền sóng Từ điều kiện mã trải phổ (1.6), sau giải trải phổ máy thu k có tín hiệu đến từ máy phát k trải phổ cịn tín hiệu đến từ máy phát khác lại bị trải phổ mã trải phổ khác mật độ phổ công suất xác định sau: Pkr (f) u Rb K Sinc (f fc )Tb J j k Pjr Rc Sinc (f (1.26) fc )Tc thành phần thứ phổ tín hiệu thu từ máy phát k thành phần thứ hai tổng phổ tín hiệu thư từ máy phát cịn lại Hình 1.16 cho thấy mật độ phổ công suất (PSD) luồng bit lương cực d(f), phổ tín hiệu sau trải phổ c(f) (cho trường hợp Tb=5Tc) Hình 1.17 cho thấy mật độ phổ cơng suất (PSD) tín hiệu thu gồm hai thành phần: phổ nhận từ Txk (ký hiệu k(f)) phổ từ tất máy phát khác trừ máy k cho trường hợp Tb=NTc (ký hiệu S-k (f)) với N>>1 PSD, W /Hz 2Tb Tb 5Tc d (f ) dc (f ) 2Tc Tb Tb Tb Tb Tb Tc Tb Tb Tb Tb 10 Tb Tc f, Hz Hình 1.16 Mật độ phổ công suất luồng bit lưỡng cực d(f) luồng số sau trải phổ dc(f) Tb=5Tc 31 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng Pkr Rb PSD, W /Hz k (f ) k (f ) = Phỉ cđa tÝn hiÖu thu tõ Txk k (f ) = Phổ tín hiệu thu từ tất máy ph¸t trõ m¸y k Tb NTc , N>>1 Pjr k (f ) Rc Tc Tb Tb Tb Tb Tb f f c , Hz Tb Tc Hình 1.17 Mật độ phổ cơng suất thu từ máy phát k: k(f) từ tất máy phát trừ máy k: -k(f) Để loại bỏ nhiễu máy phát khác phổ tín hiệu sau trải phổ máy thu k đưa qua lọc băng thông Rb hay lọc thông thấp RRC (Root Raised Cosine) với băng thông Rb/2 hình vẽ, kết cho ta phổ hình 1.18 Từ hình 1.18 ta thấy nhờ có trải phổ, công suất nhiễu đến từ máy phát khác bị loại bỏ kể cách gần coi nhiễu cịn lại chúng tạp âm Gauss trắng cộng Pkr Rb PSD, W /Hz k (f ) Phổ tín hiệu sau lọc băng thông có độ rộng B W k (f ) Pjr Rc Tc Tb Tb Tb R b , Hz Tb Tb Tb Tb f f c , Hz Tc Hình 1.18 Phổ tín hiệu nhận sau lọc băng thông 32 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng 1.5.4 CDMA/FDD Hệ thống CDMA/FDD làm việc hai băng tần với hai sóng mang: cho đường lên cho đừơng xuống Trên cặp sóng mang đồng thời M người sử dụng truy nhập vào mạng sở trải phổ M chuỗi trực giao khác Mỗi cặp sóng mang gọi kênh CDMA Thí dụ hệ thống CDMA với N kênh CDMA kênh cho phép M người sử dụng đồng thời truy nhập mạng cho hỡnh 1.19 Sóng mang ( X) Chuỗi mà Chuỗi mà Chuỗi mà M Sóng mang ( X) Chuỗi mà Chuỗi mà Chuỗi mà M Y Sóng mang N ( X) Chuỗi mà Chuỗi mà Chuỗi mà M Đ-ờng xuống Sóng mang ( X) Sãng mang ( X) Sãng mang N ( X) Chuỗi mà Chuỗi mà Chuỗi mà M Chuỗi mà Chuỗi mà Chuỗi mà M Chuỗi mà Chuỗi mà Chuỗi mà M Đ-ờng lên X : Độ rộng băng tần kênh CDMA Y : Phân cách tân số sóng mang đ-ờng xuống đ-ờng lên Hỡnh 1.19 Nguyờn lý CDMA/FDD 33 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng 1.5.5 CDMA/TDD Khác với FDD phải sử dụng cặp sóng mang cho truyền dẫn song cơng, TDD sử dụng sóng mang cho truyền dẫn song công Sự khác phân bổ tần số FDD TDD cho hỡnh 1.20 FDD t TDD Độ rộng băng tần X Độ rộng băng tần X Đ-ờng lên Độ rộng băng tần X t Đ-ờng xuống Đ-ờng xuống Khoảng bảo vệ Đ-ờng lên Phân cách sóng công Y f f Hình 1.20 Sự khác FDD TDD Để minh hoạ ta xét thí dụ hệ thống đa truy nhập CDMA/TDD kênh CDMA/TDD bao gồm cấu trúc khung chứa 15 khe thời gian cho hình 1.21 T Năng lượng a) Cấu hình chuyển mạch đa điểm (cấp phát đường xuống/đường lên đối xứng) T b) Cấu hình chuyển mạch đa điểm (cấp phát đường xuống/ đường lên không đối xứng) T Mã 1-8 Tần số 10 12 14 Thời gian Khung có 15 khe thời gian c) Cấu hình chuyển mạch đa điểm (cấp phát đường xuống/ đường lên đối xứng) T d) Cấu hình chuyển mạch đa điểm (cấp phát đường xuống/ đường lên không đối xứng) Hình 2.21 CDMA/TDD Từ hình 1.21 ta thấy kênh CDMA bao gồm tần số và tám mã trực giao Mỗi kênh mã trực giao tạo nên bao gồm khung TDMA có độ dài TF 34 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng chia thành 15 khe thời gian (TS) việc kết hợp TDMA với CDMA cho phép cấp phát kênh thông minh Các kênh đươc cấp phát đối xứng không đối xứng cho nhiều người sử dụng, đối xứng không đối xứng cho người sử dụng Chẳng hạn hình 1.21a, trừ khe đường xuống dành cho điều khiển 14 khe lại phân cho bẩy người sử dụng người có khe đường xuống khe đường lên Ở hình 1.21b, trừ khe dành cho người điều khiển, ba người sử dụng cấp phát ba khe đường xuống khe đường lên, người sử dụng cấp phát hai khe đường xuống Ở hình 1.21c, trừ khe đường xuống dành cho người điều khiển khe lại đựơc cấp phát đối xứng cho người sử dụng Ở hình 1.21d, trừ khe đường xuống dành cho điều khiển cịn khe cịn lại cấp khơng đối xứng cho người sử dụng CDMA có nhiều ưu điểm phương pháp đa truy nhập FDMA TDMA như: Cho dung lượng cao Khả chống nhiễu phađinh tốt Bảo mật thông tin tốt Dễ dàng áp dụng cho hệ thống đòi hỏi cung cấp linh hoạt dung lượng kênh cho người sử dụng Cho phép chuyển giao lưu lượng mềm vùng phủ sóng nhờ không xẩy thông tin thực chuyển giao Vì sử dụng chung tần số cho nhiều người sử dụng nên quy hoạch mạng đơn giản Tuy nhiên CDMA không tránh khỏi nhược điểm sau: Đồng phức tạp Ở ngồi đồng định thời cịn phải thực đồng mã Cần nhiều mạch điện xử lý số Mạng cho hiệu suất sử dụng cao nhiều người sử dụng chung tần số 1.6 ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO KHÔNG GIAN, SDMA Đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA) sử dụng tất hệ thống thông tin vô tuyến tổ ong: hệ thống tương tự hệ thống số Các hệ thống thông tin vô tuyến tổ ong cho phép đa truy nhập đến kênh vô tuyến chung (hay tập kênh) sở (tuỳ theo vị trí máy di động mặt đất) Các hệ thông thông tin vô tuyến tổ ong minh hoạ cụ thể SDMA Yếu tố hạn chế kiểu SDMA hệ số tái sử dụng tần số Tái sử dụng tần số khái niệm chủ yếu vơ tuyến tổ ong, nhiều người sử dụng chia sẻ đồng thời tần số Các người 35 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng sử dụng phải đủ cách xa để giảm thiểu ảnh hưởng nhiễu đồng kênh (nhiễu tần số) Tập tần số đựơc lặp lại ô khác hệ thống đảm bảo đủ khoảng cách giưã ô sử dụng tần số để ngăn chặn nhiễu giao thoa đồng kênh Có nhiều sơ đồ SDMA hệ thống tổ ong nay: ô mini, ô micro, ô phân đoạn, ô dù che anten thông minh Đây phương pháp phân chia khơng gian máy di động làm việc với độ phân giải không gian cao nhờ rút ngắn khoảng cách người sử dụng mà không vi phạm quy định nhiễu đồng kênh Ô micro phủ sóng trạm gốc có cơng suất thấp vùng mật độ lưu lượng cao hệ thống Ơ dù phủ lớn thiết kế để gánh đỡ tải cho ô micro Các ô phân đoạn ô phủ sóng bới đoạn 1200 600 anten có tính hướng nhờ tăng dung lượng hệ thống Thí dụ khơng phân đoạn phủ sóng anten vơ hướng có phân đoạn phủ sóng ba anten có hướng với độ rông búp hướng 1200 cho hình 1.22) Các anten thơng minh phát kiến cho hệ thống thông tin tổ ong vô tuyến Các anten tạo búp sóng hẹp nhờ tăng đáng kể vùng phủ sóng dung lượng hệ thống a) b) Hình 1.22 Vùng phủ sóng trạm gốc vơ tuyến tổ ong: a) phủ sóng vơ hướng; b) phủ sóng có hướng: ô chia thành ba đoạn ô lệch 1200 36 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng Anten thông minh Anten thông minh bao gồm hệ thống anten búp hướng chuyển mạch (SBS: Switched Beam System) hay hệ thống anten thích ứng (hình 1.23 1.24) SBS sử dụng nhiều búp cố định đoạn ô chuyển mạch để chọn búp tốt cho việc thu tín hiệu Ở hệ thống anten thích ứng, tín hiệu thu từ nhiều anten đánh trọng số, kết hợp theo tiêu chuẩn như: sai lỗi bình phương trung bình cực tiểu (MMSE= Minimum Mean Square Error) hay bình phương thấp (LS= Least Squares) để đạt tỷ số tín hiệu tạp âm SNR cực đại Ưu điểm hệ thống anten thích ứng so với SBS việc đạt độ khuyếch đại M lần, cịn đảm bảo độ lợi phân tập M lần Khi công suất phát không đổi anten thông minh tăng vùng phủ cách tăng hệ số khuyếch đại anten Aten có hệ số khuyếch đại tăng M lần cho phép tăng vùng phủ M1/n lần, n luỹ thừa tổn hao đường truyền Nhờ giảm số BS M2/n lần Một SBS với M búp tăng dung lượng hệ thống M lần nhờ giảm nhiễu Một hệ thống anten thích ứng cịn cung cấp độ lợi bổ sung nhờ việc triệt nhiễu tốt a) b) Ngn nhiƠu Tia th¼ng MS Tia th¼ng MS1 MS1 Các tia phản xạ MS2 Nhiễu MS2 Tia phản xạ Hỡnh 1.23 Anten thụng minh a) h thống búp hướng chuyển mạch; b) hệ thống anten thích ứng 37 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng Bóp hĐp h-ớng đến MS Các phần tử anten Dịch pha khuyếch đại Đến máy phát máy thu Hỡnh 1.24 Anten thơng minh thích ứng dạng dàn SDMA thường sử dụng phương pháp đa truy nhập bổ sung cho ba phương pháp đa truy nhập để tăng dung lượng cho mạng thông tin đa truy nhập vô tuyến sử dụng phương pháp 1.7 TỔNG KẾT Chương xét tổng quan bốn công nghệ đa truy nhập vô tuyến ứng dụng thông tin di động: FDMA, TDMA, CDMA SDMA Chương phân tích ưu nhược điểm công nghệ so sánh dung lượng ba công nghệ đa truy nhâp FDMA, TDMA CDMA Từ phân tích so sánh dung lượng ba cơng nghệ ta thấy CDMA lựa chọn cho hệ thống thông tin di động hệ ba Mội số khái niệm trải phổ ứng dụng cho CDMA trình bầy chương Hiểu khái niệm giúp cho sinh viên dễ ràng nắm bắt chương sau đề cập cụ thể trải phổ CDMA Trên sở FDMA người ta nghiên cứu công nghệ OFDMA cho phép đạt dung lượng cao nhiều OFDMA ứng cử viên sang giá cho hệ thống thông tin di động 4G OFDMA đề cập chương tài liệu 1.8 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP Trình bầy nguyên lý đa truy nhập phân chia theo tần số Trình bầy nguyên lý đa truy nhập phân chia theo thời gian Trình bầy nguyên lý đa truy nhập phân chia theo theo mã Trình bầy nguyên lý đa truy nhập phân chia theo không gian Một tín hiệu ngẫu nhiên nhị phân có tốc độ bit 10kbps Độ rộng băng tần búp tín hiệu bao nhiêu? 38 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng Nếu PSD tín hiệu x(t) (f)=0,021000(f)+3(f)+0,5(f-106)+ 0,5(f+106) Cơng suất trung bình tín hiệu giá trị đây? Lưu ý 1000(f) có dạng : f ; f 1000 1000 nÕu kh¸c 1000 (f) (a) 3,52W; (b) 4,02W; (c) 4,2W; (d) 24W Cho chuỗi mã {ck}={+1,-1,+1,-1,+1,-1,+1,-1} Các chuỗi mã trực giao với chuỗi này? (a) {+1,+1,+1,+1,+1,+1,+1,+1}; (b) {-1,+1,-1,+1,-1,+1,-1,+1}; (c) {-1,-1,-1,-1,-1,1,-1,-1}; (d) {-1,+1,-1,+1,-1,+1,-1,+1} 39 ... {ck}={ +1, -1, +1, -1, +1, -1, +1, -1} Các chuỗi mã trực giao với chuỗi này? (a) { +1, +1, +1, +1, +1, +1, +1, +1} ; (b) { -1, +1, -1, +1, -1, +1, -1, +1} ; (c) { -1, -1, -1, -1, -1, 1, -1, -1} ; (d) { -1, +1, -1, +1, -1, +1, -1, +1} 39... thành phương pháp đa truy nhập Các phương pháp đa truy nhập xây dựng sở phân chia tài nguyên vô tuyến cho nguồn sử dụng (các kênh truy? ??n dẫn) khác Nguyên lý ba phương pháp đa truy nhập cho hình 1. 2... Hình 1. 3 Kết hợp ba dạng đa truy nhập sở thành dạng đa truy nhập lai ghép 11 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng 1. 3 ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ, FDMA 1. 3 .1 Nguyên lý FDMA Trong phương pháp đa truy nhập