Các hệ thống thông tin di động

Đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.1 Thế hệ thứ (1G) Đặc điểm: Hệ thống mạng di động tế bào hệ thứ phát triển vào năm cuối thập kỷ 70 đầu 80, sử dụng kỹ thuật tương tự (Analog).Tất hệ thống thuộc hệ sử dụng kiểu đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA ( Frequency Division Multiple Access) Chất lượng hệ thống vào thời điểm thấp thường xuyên xảy tình trạng nghẽn mạch nhiễu Các hệ thống mạng:  NMT (Nordic Mobile Telephone): Nga Đông Âu  AMPS (Advanced Mobile Phone System): Mỹ  TACS (Total Access Communications System): Anh  ETACS (Enhanced Total Access Communications System): Châu Âu 1.2 Thế hệ thứ hai (2G) Đặc điểm: Các hệ thống mạng thuộc hệ 2G triển khai từ năm 1990, ngày tồn ứng dụng phổ biến Là mạng thông tin số băng hẹp sử dụng phương pháp chuyển mạch - mạch chủ yếu Đa truy cập theo thời gian TDMA kết hợp tần số FDMA đa truy nhập kiểu mã CDMA kết hợp tần số FDMA Các hệ thống mạng:  GSM (Global System Mobile) Ra đời năm 1988 GSM chuẩn phổ biến cho thông tin di động Tế bào, tỉ người giới sử dụng loại hình dịch vụ chuẩn này, phủ sóng 200 quốc gia toàn giới Chuẩn cho phép roaming toàn cầu với mạng chuẩn mang lại tiện ích lớn cho người sử dụng, Nguyễn Thị Linh MSSV: 506102021 Đồ án tốt nghiệp họ mang máy tới nơi đâu cần nhà điều hành mạng kết nối mạng lưới sử dụng họ với Sử dụng kết hợp hai phương pháp đa truy cập theo thời gian TDMA theo tần số FDMA nhờ thời điểm có thuê bao sử dụng chung kênh toàn tốc (Full Rate) 13Kbps 16 thuê bao dùng chung kênh bán tốc (Haft Rate) 6Kbps Điện thoại GSM sử dụng SIM - CARD nhà điều hành cấp, SIM máy tính nhỏ lưu trữ danh bạ thông tin từ nhà điều hành mạng, thuê bao liên kết với mạng nhờ thẻ SIM GSM khai thác băng tần 900MHz 1800MHz, số nơi khai thác băng tần 850MHz 1900MHz Mỹ Canada băng 900MHz 1800MHz bị khai thác hết Công suất MS tối đa với GSM900 2.5W, GSM1800 1W Bán kính phủ sóng GSM phụ thuộc vào độ cao, tăng ích ăng-ten điều kiện truyền sóng Bán kính tối đa cho vùng phủ sóng 35Km Ở Việt Nam có nhà điều hành mạng khai thác băng tần GSM900: Viettel, Vinaphone, MobiPhone Riêng có MobiPhone, Viettel triển khai khai thác băng tần GSM1800  IS95 (CDMA ONE): IS95 mạng tế bào số sử dụng phương pháp đa truy nhập kiểu CDMA nên gọi CDMA ONE Qualcom đề suất triển khai Mỹ Dung lượng kênh CDMA lớn gấp khoảng lần so với dung lượng kênh GSM dó số lượng lớn thuê bao phục vụ số tế bào hơn, nhờ mà đem lại hiệu kinh tế cao so với GSM Đặc biệt với hạ tầng cơng nghệ dễ dàng để nâng cấp lên chuẩn cao với tốc độ truyền liệu cao Sử dụng đa truy nhập thep phương pháp CDMA (Code Division Multi Access), thuê bao sử dụng mạng cung cấp mã trải phổ PN (Pseudo Noise) Khác với GSM thuê bao sử dụng phương pháp đa truy Nguyễn Thị Linh MSSV: 506102021 Đồ án tốt nghiệp nhập kiểu CDMA truy nhập mạng lúc thuê bao sử dụng chung tần số sóng mang tế bào Các thuê bao phân biệt mã trải phổ mà cấp 1.3 Thế hệ 2.5G Đặc điểm: Hệ thống mạng 2.5G chuyển tiếp hệ 2G 3G thực sản phẩm cải tiến hệ thống 2G phát triển lên Hệ thống hoạt động dựa hình thức chuyển mạch gói nhờ có ưu điểm tiết kiệm không gian truyền dẫn tăng tốc độ truyền dẫn Nâng cấp từ 2G lên 2.5G nhanh dễ so với chuyển trực tiếp lên 3G từ 2G, chuyển tiếp mềm dẻo không gây thay đổi cách đột biến  GPRS (General Packet Radio Service): GPRS hệ thống nâng cấp lên từ hệ thống GSM Nó sử dụng phương thức chuyển mạch gói, người dùng nhận thơng tin dạng gói liệu, mà giá cước tính theo dung lượng mà người dùng nhận gửi, khác với GSM tính cước dựa thời gian đàm thoại người sử dụng Cũng nhờ phương pháp mà tốc độ truyền dẫn tăng lên giá thành sử dụng lại kinh tế GPRS cho phép cung cấp dịch vụ kết nối ảo, truyền số liệu lên đến 171.2Kbps cho người sử dụng nhờ sử dụng lúc nhiều khe thời gian để truyền dẫn Bên cạnh mục đích nâng cao dung lượng chất lượng phục vụ, GPRS xem bước đệm để tiến lên 3G Với việc xây dựng hệ thống GPRS, nhà khai thác xây dựng cấu trúc mạng lõi dựa IP (Internet Protocol) để hỗ trợ cho ứng dụng số liệu, tạo môi trường để thử nghiệm khai thác dịch vụ tích hợp thoại số liệu hệ 3G sau Trong hệ thống tập trung hỗ trợ cho dịch vụ thoại chủ yếu GSM mục đích GPRS cung cấp tiện ích truy nhập mạng sử dụng chuẩn TCP/IP Nguyễn Thị Linh MSSV: 506102021 Đồ án tốt nghiệp  EDGE (Data rates for GSM Evolution): EDGE hay gọi E-GPRS, coi sản phẩm cải tiến GPRS Cũng giống GPRS, EDGE sản phẩm nghiên cứu triển khai GSM để tiến lên 3G Sử dụng dịch vụ chuyển mạch gói với tốc độ cao gấp lần so với GPRS nhờ mà EDGE cung cấp dịch vụ truyền số liệu tốc độ cao, ngòai truyền thoại cịn truyền Video với chất lượng tương đối tốt, ngồi cịn kết nối Internet EDGE sử dụng phương thức điều chế, phương thức mã hóa chế thích ứng đuờng truyền để đạt tốc độ truyền liệu tối đa (với MCS-9) gấp lần tốc độ tối đa GPRS (với CS4) Trong GSM, GPRS sử dụng điều chế GMSK, EDGE sử dụng thêm điều chế 8-PSK cho mã hóa tốc độ cao MCS5-MCS9, bên cạnh GMSK cho mã hóa tốc độ thấp MCS1-MCS4 Bảng 1.1 Các phương pháp mã hố thơng tin di động Phương pháp Mã hóa & Điều chế MCS-1 MCS-2 MCS-3 MCS-4 MCS-5 MCS-6 MCS-7 MCS-8 MCS-9 Tốc độ (Kbps) 8.8 11.2 14.8 17.6 22.4 29.6 44.8 54.4 59.2 Kiểu Điều Chế GMSK GMSK GMSK GMSK 8-PSK 8-PSK 8-PSK 8-PSK 8-PSK 1.4 Thế hệ 3G Đặc điểm: Là hệ di động số cho phép chuyển mạng cho phép truyền thông đa phương tiện chất lượng cao Các hệ thống 3G xây dựng chuẩn CDMA CDMA kết hợp với TDMA, có khả cung cấp băng tần theo yêu cầu hỗ trợ dịch vụ có tốc độ khác Nguyễn Thị Linh MSSV: 506102021 Đồ án tốt nghiệp Ở hệ thứ 3, hệ thống có xu hướng tiến đến chuẩn chung nhất, cung cấp dich vụ truyền với tốc độ 2Mbps Mặc dù tính toàn chuẩn chung cho toàn cầu chi phí để triển khai lớn Các hệ thống:  WCDMA (Wideband-CDMA): Được nghiên cứu phát triển tập đồn viễn thơng NTT DOCOMO sau đề xuất lên tổ chức viễn thông quốc tế ITU làm chuẩn cho hệ thứ biết đến với tên khác IMT-2000 Phát triển lên chuẩn CDMA, độ phân cách sóng mang cho kênh truyền 5MHz CDMA2000 1.25MHz qua thấy dung lượng WCDMA lớn, cho phép hỗ trợ truyền liệu tốc độ cao, hỗ trợ truyền thoại, hình ảnh Video chất lượng cao UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) UMTS mạng di động thuộc hệ 3G Nó kết hợp công nghệ hệ 3G kết hợp với chuẩn GSM mà đơi người ta gọi UMTS 3GSM Hỗ trợ truyền liệu với tốc độ lên đến 2Mbps cho phép truyền hình ảnh đa phương tiện chất lượng cao 1.5 Thế hệ 4G Đặc điểm:  Cho phép truyền tải liệu, âm hình ảnh với chất lượng cao  Yêu cầu tốc độ từ 100Mbps đến 1Gbps  Có thể roaming từ mạng di động sang mạng di động khác từ công nghệ khơng dây khác  Mạng lõi hịan tồn ứng dụng IP, khác với hệ trước sử dụng phương thức chuyển mạch gói Các công nghệ ứng dụng cho hệ 4G:  OFDM Một cơng nghệ mạng 4G ghép kênh phân chia tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) OFDM dạng điều chế đa sóng mang, làm việc theo nguyên tắc phân chia dòng Nguyễn Thị Linh MSSV: 506102021 Đồ án tốt nghiệp bit truyền dải thơng B thành nhiều dịng bit song song N với khoảng cách B/ N Các sóng mang trực giao N điều chế dòng bit song song, sau tổng hợp lại trước truyền dẫn Một phát OFDM chấp nhận liệu từ mạng IP, biến đổi mã hoá liệu trước điều chế Một IFFT (biến đổi ngược Fourier nhanh) biến đổi tín hiệu OFDM thành tín hiệu tương tự IF gửi tới thu RF Mạch thu khôi phục lại liệu cách đảo chiều chu trình Với sóng mang trực giao, thu tách biệt xử lý sóng mang mà khơng có nhiễu từ sóng mang khác Không bị phađinh trễ đa đường công nghệ truyền dẫn khác, OFDM cung cấp liên kết chất lượng thông tốt  Công nghệ MIMO: Hệ thống MIMO (Multi Input Multi Output) sử dụng hệ thống ăng-ten dàn phần phát phần thu Tín hiệu cần gửi tách thành N luồng nhỏ phát N ăng-ten qua mơi trường có đặc tính pha-đinh khác Về lý thuyết có nghĩa ta tăng hiệu suất sử dụng phổ tần lên gấp N lần tỉ lệ lỗi bit cho ảnh hưởng pha-đinh điều kiện kênh truyền giảm Khi truyền qua kênh không tương quan hệ thống phát thu, tín hiệu từ ăng-ten phát vị trí thu có khác tham số khơng gian Hệ thống máy thu sử dụng khác biệt để tách tín hiệu có tần số phát đồng thời từ ăng-ten khác  Công nghệ Wimax: WiMax di động giải pháp vô tuyến băng rộng cho phép hội tụ mạng băng rộng cố định di động thông qua công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng diện rộng kiến trúc mạng mềm dẻo Giao diện không gian WiMax di động thông qua công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) để cải thiện hiệu suất đa đường môi trường tầm nhìn khơng thẳng NLOS OFDMA theo tỷ lệ (SOFDMA) giới thiệu bổ sung IEEE 802.16e để hỗ trợ băng tần kênh truyền theo tỷ lệ từ 1.25 đến 20MHz Nhóm kỹ thuật di dộng (Mobile Technical Group) diễn đàn WiMax phát triển tham số hệ thống cho WiMax di động qua xác định đặc Nguyễn Thị Linh MSSV: 506102021 Đồ án tốt nghiệp tính bắt buộc tùy chọn chuẩn IEEE mà cần thiết để xây dựng giao diện không gian tuân theo WiMax di động chứng nhận diễn đàn WiMax Các tham số hệ thống WiMax di động cho phép hệ thống di động cấu hình dựa tập hợp đặc tính phổ biến đảm bảo chức cho thiết bị đầu cuối trạm gốc tương tác hồn tồn Một số phần tử tham số trạm gốc đưa tùy chọn để cung cấp thêm tính linh hoạt cho việc triển khai, dựa điều kiện triển khai cụ thể mà yêu cầu cấu hình khác dung lượng tối ưu hay độ bao phủ tối ưu Các tham số WiMax di động phiên bao phủ băng tần kênh 5, 7, 8.75 10MHz cho ấn định phổ cấp phép toàn cầu băng tần 2.3, 3.3 3.5 GHz Nhóm làm việc diễn đàn WiMax phát triển đặc điểm kỹ thuật mạng mức cao cho hệ thống WiMax di động dựa định nghĩa chuẩn IEEE 802.16 mà đơn giản gọi tên đặc điểm kỹ thuật giao diện vô tuyến Sự cố gắng kết hợp IEEE 802.16 diễn đàn WiMax giúp định nghĩa giải pháp hệ thống đầu cuối-đầu cuối (end-to-end) cho mạng WiMax di động Các hệ thống WiMax di động đề xuất khả thay đổi cho công nghệ truy nhập vô tuyến kiến trúc mạng, cung cấp tính linh hoạt lớn cho lựa chọn triển khai mạng đề xuất dịch vụ Nguyễn Thị Linh MSSV: 506102021 Đồ án tốt nghiệp 1.6 Kết luận Thông tin vô tuyến di động phát triển với tốc độ nhanh chóng phạm vi tồn cầu Kết thống kê cho thấy số quốc gia, số lượng thuê bao di động vượt hẳn số lượng thuê bao cố định Trong tương lai, số lượng thuê bao di động cố định tiếp tục tăng lên với gia tăng nhu cầu sử dụng dịch vụ thông tin người sử dụng Điều đòi hỏi nhà khai thác tổ chức viễn thông tồn cầu khơng ngừng nghiên cứu, cải tiến đưa phương pháp kỹ thuật, công nghệ để cải tiến nâng cấp hệ thống thông tin Cho đến hệ thống thông tin trải qua hệ nghiên cứu công nghệ 4G để phát triển hệ thống thông tin di động không dây tương lai Nguyễn Thị Linh MSSV: 506102021 Đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM 2.1 Khái niệm Kỹ thuật OFDM kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Đó kết hợp mã hóa ghép kênh Thường thường nói tới ghép kênh người ta thường nói tới tín hiệu độc lập từ nguồn độc lập tổ hợp lại Trong OFDM, tín hiệu độc lập sóng mang Đầu tiên tín hiệu chia thành nguồn độc lập, mã hóa sau ghép kênh lại để tao nên sóng mang OFDM OFDM trường hợp đặc biệt FDM (Frequency Divison Multiplex), phương thức phát đa sóng mang theo nguyên lý chia dòng liệu tốc độ cao thành tốc độ thấp phát đồng thời số sóng mang phân bổ cách trực giao Nhờ thực biến đổi chuỗi liệu từ nối tiếp sang song song nên thời gian symbol tăng lên Do đó, phân tán theo thời gian gây trải rộng trễ truyền dẫn đa đường (multipath) giảm xuống 2.1.1 Điều chế đơn sóng mang Hệ thống đơn sóng mang hệ thống có liệu điều chế truyền sóng mang Hình 2.1: Truyền dẫn sóng mang đơn Hình 1.7 mơ tả cấu trúc chung hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang Các ký tự phát xung định dạng lọc phía phát Sau truyền kênh đa đường Ở phía thu, lọc phối hợp với kênh truyền sử dụng nhằm cực đại tỷ số tín hiệu nhiễu (SNR) thiết bị thu nhận liệu Đối với hệ thống đơn sóng mang, việc loại bỏ nhiễu giao thoa bên thu phức tạp Đây nguyên nhân để hệ thống đa sóng mang chiếm ưu hệ thống đơn sóng mang Nguyễn Thị Linh MSSV: 506102021 Đồ án tốt nghiệp 2.1.2 Điều chế đa sóng mang Nếu truyền tín hiệu khơng phải sóng mang mà nhiều sóng mang, sóng mang tải phần liệu có ích trải băng thơng chịu ảnh hưởng xấu đáp tuyến kênh có phần liệu có ích bị mất, sở liệu mà sóng mang khác mang tải khơi phục liệu có ích Hình 2.2: Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang Do vậy, sử dụng nhiều sóng mang có tốc độ bit thấp, liệu gốc thu xác Để khôi phục liệu mất, người ta sử dụng phương pháp sửa lỗi tiến FFC Ở máy thu, sóng mang tách dùng lọc thơng thường giải điều chế Tuy nhiên, để khơng có can nhiễu sóng mang (ICI) phải có khoảng bảo vệ hiệu phổ OFDM kỹ thuật điều chế đa sóng mang, liệu truyền song song nhờ vơ số sóng mang phụ mang bit thông tin Bằng cách ta tận dụng băng thơng tín hiệu, chống lại nhiễu ký tự,…Để làm điều này, sóng mang phụ cần máy phát sóng sin, điều chế giải điều chế riêng Trong trường hợp số sóng mang phụ lớn, điều chấp nhận Nhằm giải vấn đề này, khối thực chức biến đổi IDFT/DFT dùng để thay hàng loạt dao động tạo sóng sin, điều chế, giải điều chế Hơn nữa, IFFT/FFT xem thuật toán giúp cho việc biến đổi IDFT/DFT nhanh gọn cách giảm số phép nhân phức thực phép biến đổi IDFT/DFT giúp tiết Nguyễn Thị Linh MSSV: 506102021