luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện tử nghiên cứu kỹ thuật truyền thông đa chặng trong thông tin vô tuyến băng rộng

1. Tính cấp thiết của đề tài Trong những thập niên trở lại đây, với phát triển mạnh của các dịch vụ số liệu, các nhu cầu truyền thông đa phương tiện với tốc độ cao, đã thúc đẩy việc nghiên cứu ra nhiều công nghệ mới với băng thông rộng hơn để đáp ứng lại sự phát triển này. Mạng vô tuyến băng rộng với các tiêu chuẩn mới như Wimax, LTE/LTE- Advanced, với các ưu điểm vượt trội về tốc độ truyền tải dữ liệu, hứa hẹn sẽ đem lại cho người sử dụng các dịch vụ truy cập số liệu tốc độ và chất lượng cao. Để đạt được nhưng yêu cầu về thông lượng, phạm vi phủ sóng rộng lớn, cũng như việc cung cấp chất lượng dịch vụ tốt hơn, hệ thống vô tuyến băng rộng đã sử dụng kỹ thuật truyền thông đa chặng với các nút chuyển tiếp. Kỹ thuật truyền thông đa chặng sử dụng nút chuyển tiếp để chia đường truyền (vùng phủ sóng) ra thành nhiều chặng nhỏ. Kỹ thuật này có nhiều ưu điểm như: giảm công suất phát, mở rộng vùng phủ sóng của mạng, tăng thông lượng hệ thống…Ngoài ra, việc tăng số chặng của hệ thống ảnh hưởng như thế nào đến hiệu năng của hệ thống cũng là vấn đề cấp thiết cần được nghiên cứu khi thiết kế mạng. Chính vì những vấn đề trên, mà việc nghiên cứu kỹ thuật truyền thông đa chặng trong thông tin vô tuyến băng rộng là cần thiết. 2. Mục tiêu nghiên cứu + Nghiên cứu các hệ thống truyền dẫn trong thông tin vô tuyến băng rộng làm cơ sở cho việc mở rộng mạng bằng kỹ thuật chuyển tiếp. + Nghiên cứu các kỹ thuật chuyển tiếp làm nền tảng cho việc nghiên cứu kỹ thuật truyền thông đa chặng. + Nguyên cứu đánh giá hiệu năng hệ thống đa chặng để làm cở sở cho việc qui hoạch, tối ưu mạng. + Xây dựng chương trình mô phỏng bằng phần mềm Matlab để kiểm chứng kết quả lý thuyết đã đề cập. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu + Các đặc tính của mạng thông tin vô tuyến băng rộng. + Các đặc tính, nguyên lý hoạt động của kỹ thuật chuyển tiếp, ưu nhược điểm kỹ thuật mạng đa chặng, kiến trúc mạng tế bào đa chặng. + Phân tích hiệu năng hệ thống hai chặng hợp tác, hệ thống đa chặng không hợp tác với nút chuyển tiếp cố định. + Ứng dụng Matlab để mô phỏng. 4. Phương pháp nghiên cứu + Thu thập tài liệu, chọn lọc và phân tích các thông tin liên quan đến nội dung nghiên cứu của đề tài. + Nguyên cứu lý thuyết về kỹ thuật chuyển tiếp. + Xây dựng mô hình hệ thống hai chặng và đa chặng, đánh giá các tham số của hệ thống. + Sử dụng Matlab để mô phỏng đánh giá các thông số mạng đa chặng. 5. Bố cục đề tài Theo mục tiêu và đối tượng nghiên cứu đã trình bày ở phần trên, nội dung của đề tài sẽ bao gồm các phần sau: Chương 1 Giới thiệu hệ thống thông tin vô tuyến băng rộng Giới thiệu tổng quan về hệ thông thống tin di động, hệ thống thông tin vô tuyến băng rộng cố định và băng rộng di động. Tìm hiểu đặc tính kỹ thuật, ưu nhược điểm của kỹ thuật OFDM - kỹ thuật được sử dụng rộng rãi trong thông tin vô tuyến băng rộng. Chương 2 Kỹ thuật chuyển tiếp trong mạng đa chặng Giới thiệu về khái niệm kỹ thuật chuyển tiếp, các loại nút chuyển tiếp, các phương pháp chuyển tiếp tín hiệu, các cơ chế bắt cặp chọn nút chuyển tiếp. Chương 3 Kỹ thuật đa chặng trong mạng băng rộng Giới thiệu khái quát về kỹ thuật mạng đa chặng, phân tích ưu nhược điểm của mạng đa chặng. Trình bày và phân loại một số kiến trúc của mạng tế bào đa chặng dựa trên đặt tính của nút chuyển tiếp. Phân tích vấn đề tiêu thụ công suất phát trong hệ thống đa chặng. Chương 4 Phân tích hiệu năng hệ thống đa chặng với nút chuyển tiếp cố định Phân tích hiệu năng của mạng hai chặng hợp tác và mạng đa chặng với mô hình tuyến tính không hợp tác, sử dụng nút chuyển tiếp cố định. Đánh giá các tham số của hệ thống như SNR, tỉ lệ lỗi bít, xác suất rớt của hệ thống. Chương 5 Mô phỏng và kết quả Giới thiệu các lưu đồ mô phỏng và các kết quả mô phỏng thu được về đánh giá tỉ lệ lỗi bit của hệ thống hai chặng hợp tác, hệ thống N chặng với các kiểu điều chế BPSK, QPSK trên các kênh Rayleigh fading.

TRƯƠNG NGỌC PHÚ

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

ĐA CHẶNG TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN

BĂNG RỘNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2013

TRƯƠNG NGỌC PHÚ

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

ĐA CHẶNG TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN

BĂNG RỘNG

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Mã số: 60.52.70

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN LÊ HÙNG

Đà Nẵng - Năm 2013

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Trương Ngọc Phú

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Bố cục đề tài 2

6 Tổng quan tài liệu nghiên cứu 3

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN BĂNG RỘNG 4

1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 4

1.2 QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN DI ĐỘNG 4

1.3 MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN BĂNG RỘNG 7

1.3.1 Mạng vô tuyến băng rộng cố định 8

1.3.2 Mạng vô tuyến di động băng rộng 11

1.3.3 So sánh mạng vô tuyến băng rộng di động và cố định 12

1.4 KỸ THUẬT OFDM 14

1.4.1 Giới thiệu 14

1.4.2 Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật OFDM 15

1.4.3 Sự trực giao 17

1.4.4 Sơ đồ khối hệ thống OFDM 19

1.4.5 Cấu trúc khung dữ liệu trong OFDM 22

1.4.6 Ưu điểm và nhược điểm của kỹ thuật OFDM 24

1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 25

CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP TRONG MẠNG ĐA CHẶNG 26

2.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 26

2.2 GIỚI THIỆU VỀ KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP 26

2.3 CÁC LOẠI CHUYỂN TIẾP 28

2.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN TIẾP TÍN HIỆU 29

2.4.1 Khuếch đại và chuyển tiếp (AF ) 29

2.4.2 Giải mã hóa và chuyển tiếp (DF) 29

2.4.3 Giải điều chế và chuyển tiếp (DMF) 29

2.5 CÁC KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP 30

2.5.1 Chuyển tiếp một chiều 31

2.5.2 Chuyển tiếp hai chiều 31

2.5.3 Chuyển tiếp chia sẻ 32

2.6 PHƯƠNG PHÁP LỰA CHỌN NÚT CHUYỂN TIẾP 33

2.6.1 Phương pháp bắt cặp tập trung 33

2.6.2 Phương pháp bắt cặp phân phối 34

2.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG 35

CHƯƠNG 3 KỸ THUẬT ĐA CHẶNG TRONG MẠNG BĂNG RỘNG 36

3.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 36

3.2 KHÁI NIỆM MẠNG ĐƠN CHẶNG VÀ ĐA CHẶNG 36

3.3 ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA MẠNG ĐA CHẶNG 38

3.3.1 Ưu điểm của mạng đa chặng 38

3.3.2 Nhược điểm của mạng đa chặng 41

3.4 KIẾN TRÚC MẠNG TẾ BÀO ĐA CHẶNG 42

3.4.1 Mạng đa chặng với nút chuyển tiếp cố định 42

3.4.2 Mạng đa chặng với nút chuyển tiếp di động 45

3.4.3 Mạng đa chặng với nút chuyển tiếp lai 48

3.5 VẤN ĐỀ TIÊU THỤ CÔNG SUẤT TRONG MẠNG ĐA CHẶNG 49

3.5.1 Công suất phát trong hệ thống đơn chặng 50

3.5.2 Công suất phát trong hệ thống đa chặng 51

3.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 52

CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG HỆ THỐNG ĐA CHẶNG VỚI NÚT CHUYỂN TIẾP CỐ ĐỊNH 53

4.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 53

4.2 HỆ THỐNG HAI CHẶNG 53

4.2.1 Mô hình và SNR hệ thống không hợp tác 54

4.2.2 Mô hình hệ thống hai chặng hợp tác 56

4.2.3 Xác suất lỗi bít trung bình 57

4.2.4 Xác suất rớt mạng 63

4.3 HỆ THỐNG ĐA CHẶNG 65

4.3.1 Mô hình kênh và SNR hệ thống 65

4.3.2 Xác suất rớt mạng 66

4.3.3 Xác suất lỗi bit trung bình 68

4.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 70

CHƯƠNG 5 MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 71

5.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 71

5.2 CÁC LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN 71

5.2.1 Lưu đồ thuật toán đánh giá BER hệ thống hai chặng hợp tác 71

5.2.2 Lưu đồ thuật toán đánh giá xác suất rớt hệ thống hai chặng hợp tác 73

5.2.3 Lưu đồ mô phỏng đánh giá BER hệ thống đa chặng 74

5.3 CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 75

5.3.1 Đánh giá BER hệ thống hai chặng hợp tác 75

5.3.2 Đánh giá xác suất rớt hệ thống hai chặng hợp tác 76

5.3.3 Đánh giá BER hệ thống đa chặng 78

5.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 80

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 81

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 83 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO)

PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AAA Authentication, Authorization,

Accounting

Xác thực, Ủy quyền, Kế toán

AF Amplify and Forward Khuếch đại và chuyển tiếp AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gaussian trắng

BER Bit Error Rate Tỉ số lỗi bit

BS Base Station Trạm gốc

CDF Cumulative Distribution

Function

Hàm phân phối tích lũy

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo mã CFO Carrier frequency offset Độ lệch tần số sóng mang

cMCN Clustered Multihop Cellular

Networks

Mạng đa chặng tế bào phân nhóm

CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh

DF Decode and Forward Giãi mã hóa và chuyển tiếp DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc

DIP Dedicated Information Port Cổng thông tin dành riêng

DMF Demodulation and Forward Điều chế và chuyển tiếp

Ghép kênh phân chia theo tần số

FDMA Frequency Division Multiple

Access

Đa truy cập phân chia theo tần

số FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh

GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp GSM Global System for Mobile

Hàm đặc tính biến đổi tổng quát

HMCN Hierarchical Multihop Cellular

Network

Mạng tế bào đa chặng phân cấp

HSCSD High-Speed Circuit Switched

Data

Dữ liệu chuyển mạch kênh tốc

độ cao HSDPA High Speech Downlink Packet

Access

Truy nhập gói đường xuống tốc

độ cao HSPA High Speed Packet Access Truy nhập gói tốc độ cao

HSUPA High Speech Uplink Packet

Công nghiệp, khoa học, y tế

LTE Long Term Evolution Sự phát triển dài hạn

OFDM Orthogonal Frequency Division

MC Multi Carrier Đa sóng mang

MGF Moment Generating Function Hàm sinh mô men

MH Multihop Network Mạng đa chặng

MIMO Multiple Input Multiple Output Nhiều ngõ vào,nhiều ngõ ra MANET Mobile Ad Hoc Network Mạng Ad-hoc di động

MCN Multihop Cellular Network Mạng tế bào đa chặng

MRC Maximal Ratio Combining Kết hợp tỷ số cực đại

MS Mobile Station Trạm di động

PAPR Peak-to-Average Power Ratio Tỉ lệ công suất đỉnh trên trung

bình PARCel

PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất

PSK Phase-Shift Keying Điều chế số theo pha

QAM Quadrature Amplitude

Modulation

Điều chế biên độ cầu phương

QPSK Quadrature Phase-Shift Keying Khóa dịch pha cầu phương RFID Radio Frequency Identification Nhận dạng bằng sóng vô tuyến

RN Relay Node Nút chuyển tiếp

RS Relay Station Trạm chuyển tiếp

SC Single Carrier Đơn sóng mang

SCN Single hop Cellular Network Mạng tế bào đơn chặng

SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

UCAN Unified Cellular and Ad Hoc

Network

Mạng Adhoc và tế bào hợp nhất

UCD Uplink Channel Descriptor Mô tả kênh đường lên

UWB Ultra Wideband Băng tần siêu rộng

VCN Virtual Cellular Network Mạng tế bào ảo

WIMAX Worldwide Interoperability for

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

 Tỉ số tín hiệu trên nhiễu tức thời

 Tỉ số tín hiệu trên nhiễu trung bình

n Hệ số nhiễu trắng AWGN của chặng thứ i

 Hệ số suy hao đường

Gi Độ lợi của nút chuyển tiếp thứ i

No Mật độ phổ công suất của nhiễu AWGN

DANH MỤC CÁC BẢNG

Số hiệu bảng Tên bảng Trang 1.1 Các công nghệ vô tuyến băng rộng cố định 8 1.2 So sánh các công nghệ vô tuyến băng rộng 13

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Quá trình phát triển mạng thông tin di động 5

Hình 1.3 Phân loại mạng vô tuyến băng rộng 7 Hình 1.4 Kiến trúc mạng Wi-Fi 9 Hình 1.5 Quan hệ giữa 4G với các mạng khác 12 Hình 1.6 Quan hệ giữa vô tuyến cố định và vô tuyến di động 14 Hình 1.7 Phổ của sóng mang con OFDM 15 Hình 1.8 So sánh các kỹ thuật sóng mang 16 Hình 1.9 Sơ đồ khối của quá trình phát và thu OFDM 19 Hình 1.10 Cấu trúc khung dữ liệu OFDM 23 Hình 1.11 Biến đổi IFFT và chèn CP 23 Hình 1.12 Tín hiệu băng cơ sở của một khung dữ liệu 23 Hình 2.1 Minh họa kỹ thuật chuyển tiếp 26 Hình 2.2 Mình họa ưu điểm của nút chuyển tiếp 27 Hình 2.3 Chuyển tiếp loại I và loại II 28 Hình 2.4 Mô hình sử dụng lại tần số của các loại chuyển tiếp 30 Hình 2.5 Chuyển tiếp một chiều 31 Hình 2.6 Chuyển tiếp hai chiều 32 Hình 2.7 Mô tả phương thức truy nhập mạng chuyển tiếp 34 Hình 3.1 Topology mạng đơn chặng điểm – đa điểm 36 Hình 3.2 Topology 1 của mạng chuyển tiếp đa chặng 37 Hình 3.3 Topology 2 của mạng chuyển tiếp đa chặng 38 Hình 3.4 Công suất phát của truyền dẫn trực tiếp so với đa chặng 39

Hình 3.5 Mở rộng phạm vi phủ sóng đến điểm chết bằng nút

chuyển tiếp

41

Hình 3.6 Kiến trúc mạng iCAR 43 Hình 3.7 Kiến trúc mạng VCN 44 Hình 3.8 Kiến trúc mạng mắt lưới MESH 45 Hình 3.9 Kiến trúc mạng UCAN 46 Hình 3.10 Kiến trúc mạng cMCN 47 Hình 3.11 Kiến trúc mạng chặng với nút chuyển tiếp lai 48 Hình 3.12 Mô hình truyền thông đơn chặng và hai chặng 50 Hình 3.13 Suy giảm theo hàm mủ của công suất phát với số chặng 52 Hình 4.1 Hệ thống truyền thông vô tuyến hai chặng với RS 54 Hình 4.2 Sơ đồ khối hệ thống hai chặng 55 Hình 4.3 Mô hình hệ thống hai chặng phân tập hợp tác 57 Hình 4.4 Sơ đồ khối hệ thống n chặng 65 Hình 5.1 Thuật toán mô phỏng BER hệ thống hai chặng hợp tác 72 Hình 5.2 Thuật toán mô phỏng xác suất rớt cho hệ thống hai 73 Hình 5.3 Sơ đồ mô phỏng đánh giá BER cho hệ thống N chặng 74 Hình 5.4 BER cho hệ thống hai chặng hợp tác với nút AF 76 Hình 5.5 Xác suất rớt cho hệ thống hai chặng hợp tác với nút AF 76 Hình 5.6 Xác suất rớt cho hệ thống hai chặng hợp tác với nút DF 77 Hình 5.7 Xác suất rớt cho hệ thống hợp tác với nút AF và DF 77 Hình 5.8 BER cho hệ thống hai chặng trên kênh Rayleigh fading 78 Hình 5.9 BER cho hệ thống đa chặng trên kênh Rayleigh fading 79 Hình 5.10 BER cho hệ thống đa chặng trên kênh Rayleigh fading 79

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong những thập niên trở lại đây, với phát triển mạnh của các dịch vụ

số liệu, các nhu cầu truyền thông đa phương tiện với tốc độ cao, đã thúc đẩy việc nghiên cứu ra nhiều công nghệ mới với băng thông rộng hơn để đáp ứng lại sự phát triển này Mạng vô tuyến băng rộng với các tiêu chuẩn mới như Wimax, LTE/LTE- Advanced, với các ưu điểm vượt trội về tốc độ truyền tải

dữ liệu, hứa hẹn sẽ đem lại cho người sử dụng các dịch vụ truy cập số liệu tốc

độ và chất lượng cao

Để đạt được nhưng yêu cầu về thông lượng, phạm vi phủ sóng rộng lớn, cũng như việc cung cấp chất lượng dịch vụ tốt hơn, hệ thống vô tuyến băng rộng đã sử dụng kỹ thuật truyền thông đa chặng với các nút chuyển tiếp Kỹ thuật truyền thông đa chặng sử dụng nút chuyển tiếp để chia đường truyền (vùng phủ sóng) ra thành nhiều chặng nhỏ Kỹ thuật này có nhiều ưu điểm như: giảm công suất phát, mở rộng vùng phủ sóng của mạng, tăng thông lượng hệ thống…Ngoài ra, việc tăng số chặng của hệ thống ảnh hưởng như thế nào đến hiệu năng của hệ thống cũng là vấn đề cấp thiết cần được nghiên cứu khi thiết kế mạng Chính vì những vấn đề trên, mà việc nghiên cứu kỹ thuật truyền thông đa chặng trong thông tin vô tuyến băng rộng là cần thiết

2 Mục tiêu nghiên cứu

+ Nghiên cứu các hệ thống truyền dẫn trong thông tin vô tuyến băng rộng làm cơ sở cho việc mở rộng mạng bằng kỹ thuật chuyển tiếp

+ Nghiên cứu các kỹ thuật chuyển tiếp làm nền tảng cho việc nghiên cứu

kỹ thuật truyền thông đa chặng

+ Nguyên cứu đánh giá hiệu năng hệ thống đa chặng để làm cở sở cho việc qui hoạch, tối ưu mạng

+ Xây dựng chương trình mô phỏng bằng phần mềm Matlab để kiểm chứng kết quả lý thuyết đã đề cập

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

+ Các đặc tính của mạng thông tin vô tuyến băng rộng

+ Các đặc tính, nguyên lý hoạt động của kỹ thuật chuyển tiếp, ưu nhược điểm kỹ thuật mạng đa chặng, kiến trúc mạng tế bào đa chặng

+ Phân tích hiệu năng hệ thống hai chặng hợp tác, hệ thống đa chặng không hợp tác với nút chuyển tiếp cố định

+ Ứng dụng Matlab để mô phỏng

4 Phương pháp nghiên cứu

+ Thu thập tài liệu, chọn lọc và phân tích các thông tin liên quan đến nội dung nghiên cứu của đề tài

+ Nguyên cứu lý thuyết về kỹ thuật chuyển tiếp

+ Xây dựng mô hình hệ thống hai chặng và đa chặng, đánh giá các tham

Chương 1 Giới thiệu hệ thống thông tin vô tuyến băng rộng

Giới thiệu tổng quan về hệ thông thống tin di động, hệ thống thông tin vô tuyến băng rộng cố định và băng rộng di động Tìm hiểu đặc tính kỹ thuật, ưu nhược điểm của kỹ thuật OFDM - kỹ thuật được sử dụng rộng rãi trong thông tin vô tuyến băng rộng

Chương 2 Kỹ thuật chuyển tiếp trong mạng đa chặng

Giới thiệu về khái niệm kỹ thuật chuyển tiếp, các loại nút chuyển tiếp, các phương pháp chuyển tiếp tín hiệu, các cơ chế bắt cặp chọn nút chuyển tiếp

Chương 3 Kỹ thuật đa chặng trong mạng băng rộng

Giới thiệu khái quát về kỹ thuật mạng đa chặng, phân tích ưu nhược điểm của mạng đa chặng Trình bày và phân loại một

số kiến trúc của mạng tế bào đa chặng dựa trên đặt tính của nút chuyển tiếp Phân tích vấn đề tiêu thụ công suất phát trong hệ thống đa chặng

Chương 4 Phân tích hiệu năng hệ thống đa chặng với nút chuyển

tiếp cố định

Phân tích hiệu năng của mạng hai chặng hợp tác và mạng đa chặng với mô hình tuyến tính không hợp tác, sử dụng nút chuyển tiếp cố định Đánh giá các tham số của hệ thống như SNR, tỉ lệ lỗi bít, xác suất rớt của hệ thống

Chương 5 Mô phỏng và kết quả

Giới thiệu các lưu đồ mô phỏng và các kết quả mô phỏng thu được về đánh giá tỉ lệ lỗi bit của hệ thống hai chặng hợp tác,

hệ thống N chặng với các kiểu điều chế BPSK, QPSK trên các kênh Rayleigh fading

6 Tổng quan tài liệu nghiên cứu

Tài liệu nghiên cứu được tham khảo là những bài báo, các luận văn thạc

sỹ từ các trường đại học của các quốc gia khác trên thế giới, cùng với các trang web tìm hiểu Luận văn chắc chắn không tránh khỏi những sai sót, rất mong nhận được sự góp ý của Hội đồng để luận văn trở thành một công trình thực sự có ích

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN BĂNG RỘNG

1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG

Với nhu cầu ngày càng cao cho các dịch vụ đa phương tiện như dữ liệu, thoại, video tốc độ cao, mạng vô tuyến băng rộng đã có những bước tiến nhảy vọt với nhiều tiêu chuẩn mới Nội dung của chương này sẽ giới thiệu khái quát quá trình phát triển của mạng vô tuyến di động từ thế hệ đầu tiên đến công nghệ mới nhất 4G Tiếp đến, sẽ giới thiệu và so sánh các công nghệ vô tuyến băng rộng cố định và vô tuyến băng rộng di động được sử dụng hiện nay Ngoài ra, trong chương này cũng sẽ giới thiệu về kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) - một kỹ thuật được sử dụng phổ biến trong hệ thống vô tuyến băng rộng

1.2 QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN DI ĐỘNG

Trong hơn hai thập kỷ qua, sự phát triển của mạng thông tin di động và Internet đã làm thay đổi lối sống của con người từ cách họ liên lạc với nhau đến cách họ làm việc, vui chơi và giải trí Mạng thông tin di động thế hệ đầu tiên 1G ra đời vào thập niên 80 Đây là thế hệ mạng thông tin di động dùng tín hiệu tương tự (analog) Tuy thế hệ 1G chứa đựng nhiều khuyết điểm kỹ thuật, song nó đã đánh dấu một bước ngoặt quan trọng trong lịch sử truyền thông Đặc trưng của hệ thống là: dung lượng thấp, kĩ thuật chuyển mạch tương tự, xác suất rớt cuộc gọi cao, khả năng chuyển giao cuộc gọi giữa các tế bào không tin cậy, chất lượng âm thanh thấp, không có chế độ bảo mật và chủ yếu

là dành cho thoại Một số chuẩn trong hệ thống này là: AMPS, SMR, NMT(900)

Sự bùng nổ của mạng thông tin di động trên khắp thế giới với sự ra đời của thế hệ 2G, ra đời từ đầu những năm 90 Mạng 2G có thể phân ra hai loại: mạng 2G dựa trên nền TDMA và mạng 2G dựa trên nền CDMA Đánh dấu điểm mốc bắt đầu của mạng 2G là sự ra đời của mạng D-AMPS (hay IS-136) dùng TDMA phổ biến ở Mỹ Tiếp theo là mạng CdmaOne (hay IS-95) dùng CDMA phổ biến ở châu Mỹ và một phần của châu Á, rồi mạng GSM dùng TDMA, ra đời đầu tiên ở Châu Âu và hiện được triển khai rộng khắp thế giới

Sự thành công của mạng 2G là do các dịch vụ và tiện ích mà nó mạng lại cho người dùng, với các đặc điểm: kỹ thuật chuyển mạch số; dung lượng lớn; siêu bảo mật; nhiều dịch vụ kèm theo như truyền dữ liệu, fax, sms…Tất cả đều theo chuẩn kỹ thuật số, bao gồm: GSM, iDEN, D-AMPS, IS 95…

Hình 1.1 Quá trình phát triển mạng thông tin di động Thế hệ 2,5G là bước chuyển giao lên công nghệ 3G Có đặc điểm: dữ liệu chuyển mạch tốc độ cao (HSCSD), dịch vụ vô tuyến gói chung (GPRS); chuyển mạng, các dịch vụ định vị, tương tác với các hệ thống thông tin di động vệ tinh và hỗ trợ định tuyến tối ưu…

ANALOG

TACS

AMPS

3G LTE (OFDMA) 3GPP standards

EV-DV CDMA2000

UMB (OFDMA) 3GPP2 standards

802.16m (OFDMA)

GSM

(TDMA) GPRS EDGE

UMTS (WCDMA) HSPA

EV-DO CDMA2000

WiFi (OFDM)

802.16-2004 (OFDM) 802.16-2005 (OFDM)

Cellular Technology Evolution

1G 2G 2.5G 2.75G 3G 3.5G pre-4G

Broadband Wireless Technology Evolution

2005 2006 2006-2009 2010+

All-IP Convergence

Tiếp nối thế hệ thứ 2, mạng thông tin di động thế hệ thứ ba 3G đã và đang được triển khai nhiều nơi trên thế giới Sự cải tiến nổi bật nhất của mạng 3G so với mạng 2G là khả năng cung ứng truyền thông gói tốc độ cao nhằm triển khai các dịch vụ truyền thông đa phương tiện Mạng 3G bao gồm mạng UMTS sử dụng kỹ thuật WCDMA, mạng CDMA2000 sử dụng kỹ thuật CDMA và mạng TD-SCDMA được phát triển bởi Trung Quốc Thế hệ 3G (WCDMA): xuất hiện đầu tiên ở Nhật Bản Đặc điểm nổi bật so với 2 thế hệ trước là: truy cập internet, truyền video

Mạng 3.5G là hệ thống mạng di động truyền tải tốc độ cao HSDPA, phát triển từ 3G và hiện đang được 166 nhà mạng tại 75 nước đưa vào cung cấp cho người dùng Nó đuợc kết hợp từ 2 công nghệ kết nối vô tuyến hiện đại HSPA và HSUPA, cho phép tốc độ truyền dẫn lên đến 7.2Mbp/s

Hình 1.2 Mô hình mạng 4G Với nhu cầu của việc truyền dữ liệu hình ảnh và video với dung lượng lớn, hiện nay công nghệ di động thế hệ thứ 4 đang được đầu tư phát triển

Công nghệ 4G cho phép truyền và nhận với băng thông rộng tốc độ cao Cho

phép truyền dữ liệu với tốc độ 100MB/s trong khi đang di chuyển và có tốc

độ 1GB/s khi người sử dụng cố định Trong số những công nghệ tiên phong trong lĩnh vực 4G, phải kể đến LTE, UMB và WiMax Cả 3 đều sử dụng công nghệ anten mới, qua đó cải thiện tốc độ và khoảng cách truyền dẫn dữ liệu Như vậy, tương lai mạng 4G sẽ là một sự hội tụ của nhiều công nghệ mạng hiện có và đang phát triển như 2G, 3G, WiMAX, Wi-Fi, IEEE 802.20, IEEE 802.22, pre-4G, RFID, UWB, satellite…để cung cấp một kết nối vô tuyến đúng nghĩa rộng khắp, mọi lúc, mọi nơi, không kể mạng thuộc nhà cung cấp nào, không kể người dùng đang dùng thiết bị di động gì Người dùng trong tương lai sẽ thực sự sống trong một môi trường “tự do”, có thể kết nối mạng bất cứ nơi đâu với tốc độ cao, giá thành thấp, dịch vụ chất lượng cao và mang tính đặc thù cho từng cá nhân

1.3 MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN BĂNG RỘNG

Mạng thông tin vô tuyến băng rộng có thể được phân ra thành 2 loại là mạng vô tuyến băng rộng cố định (Wi-Fi , Wimax) và mạng vô tuyến băng rộng di động (3G, 4G)

Hình 1.3 Phân loại mạng vô tuyến băng rộng

1.3.1 Mạng vô tuyến băng rộng cố định

Công nghệ vô tuyến băng thông rộng cố định có thể được định nghĩa là các mạng vô tuyến tốc độ cao kết nối đến các vị trí cố định, người sử dụng đầu cuối trong mạng là di động nhưng cố định khi kết nối mạng Hai công nghệ đặc trưng cho kiểu mạng này là Wi-Fi ( chuẩn 802.11) và WiMax (802.16)

a.Wi-Fi

Wi-Fi là công nghệ vô tuyến cố định tốc độ cao đầu tiên thâm nhập thị trường băng thông rộng cố định Mạng WLAN đầu tiên (802.11) được giới thiệu vào năm 1997 có tốc độ đến 2Mbps, và 802.11b đã được phê duyệt bởi IEEE vào năm 1999 Hiện nay có nhiều sản phẩm vô tuyến dựa trên công nghệ Wi-Fi bao gồm IEEE chuẩn 802.11a, b, g , n Các tiêu chuẩn được đưa

ra trong Bảng 1.1

Wi-Fi là một công nghệ vô tuyến tốc độ cao đã được triển khai rộng rãi, đặc biệt là tại các điểm phát sóng hostpot trên toàn thế giới, bao gồm tại nhà, văn phòng, và ngày càng phổ biến trong các quán cà phê, khách sạn, và các sân bay

Bảng 1.1 Các cộng nghệ vô tuyến băng rộng cố định

Công nghệ Tiêu chuẩn Mạng sử

dụng

Thông lượng

Vùng phủ sóng

Tần số

Wi-Fi 802.11a WLAN <= 54Mbps <= 300feet 5Ghz

Wi-Fi 802.11b WLAN <= 11Mbps <= 300feet 2.4 Ghz Wi-Fi 802.11g WLAN <= 54Mbps <= 300feet 2.4 Ghz

Kiến trúc Wi-Fi được thể hiện trong hình 2 Nó bao gồm một trạm gốc kết nối với SERVER để truy cập vào tài nguyên mạng Trạm gốc là chịu trách nhiệm gửi và nhận dữ liệu từ các đầu cuối vô tuyến được kết hợp với các trạm

gốc Sự kết nối giữa các đầu cuối và trạm cơ sở là liên kết truyền thông không dây Liên kết truyền thông này là chịu trách nhiệm cho việc vận chuyển dữ liệu giữa các trạm gốc và các máy chủ

Hình 1.4 Kiến trúc mạng Wi-Fi

Ưu điểm chính của Wi-Fi là đơn giản và dễ triển khai Hơn nữa, nó sử dụng phổ vô tuyến không cần cấp giấy phép, Wi-Fi cho phép người dùng điện thoại di động truy cập mạng trong phạm vi lên đến 300 feet từ trạm cơ sở Ngoài ra, chi phí để triển khai giải pháp vô tuyến này là thấp vì không cần trang bị hệ thống dây điện đắt tiền

Tuy nhiên, nhược điểm của Wi-Fi là người sử dụng chỉ có thể sử dụng công nghệ trong phạm vi bán kính 300 feet, do đó hạn chế mức độ di động Ngoài ra, thực tế cho thấy rằng công nghệ này hoạt động trong các băng tần 2.4GHz mà không cần cấp giấy phép, làm cho nó dễ bị nhiễu từ các thiết bị khác như Bluetooth, điện thoại không dây, Về bảo mật, chuẩn mã hóa được

sử dụng WEP - có thể dể dàng bị bẻ khóa

b WiMax

WIMAX là sự bùng nổ của công nghệ vô tuyến băng thông rộng cố định,

có thể cung cấp kết nối băng thông rộng trong một khu vực địa lý lớn hơn so

với Wi-Fi Nó có khả cung cấp dịch vụ trong phạm vi từ một đến sáu dặm Với phạm vi phủ sóng như vậy, Wimax dự kiến sẽ cung cấp kết nối băng thông rộng cố định và nomadic (người sử dụng có thể di chuyển nhưng cố định trong lúc kết nối) mà không nhất thiết phải có một tầm nhìn thẳng (LOS) đến một trạm gốc WiMax sẽ cũng có thể cho phép tính năng di động cao, các ứng dụng dữ liệu với tốc độ cao, phạm vi và thông lượng cao hơn so với Wi-

Fi

WiMax sử dụng tiêu chuẩn IEEE 802.16 (802.16d và g) Tiểu chuẩn IEEE 802.16d được sử dụng chủ yếu với mạng vô tuyến diện rộng (WWANs) Chuẩn 802.16e là phiên bản dành cho điện thoại di động của WiMax, được sử dụng cho mạng đô thị vô tuyến di động (WMANs) Hai chuẩn này của WiMax là kiến trúc lý tưởng cho những những phân đoạn truyền dẫn như chặng cuối (last mile), đường trục đến trạm phát (backhaul), các nhà cung cấp dịch vụ Internet, mạng doanh nghiệp

Với băng thông cao giữa 2 GHz và 11GHz, WiMax rất lý tưởng cho truyền tải dữ liệu WiMax có một phạm vi tối đa lên đến 30 dặm Khả năng này được tăng cường bởi những cell có bán kính từ 4-6 dặm Hơn nữa, WiMax có khả năng hỗ trợ dữ liệu truyền lên đến 75Mbps như thể hiện trong Bảng 1.1 và 1.2

c Một số ưu điểm có được từ việc triển khai WiMax

- Hỗ trợ tốc độ dữ liệu tốc độ cao hơn, và phạm vi hoạt động rộng hơn

- Rất hữu ích cho việc triển khai tại các khu vực địa hình xấu hoặc trong môi trường với cơ sở hạ tầng dây cáp hạn chế Hơn nữa, WiMax hỗ trợ và có giao diện kết nối dễ dàng với các công nghệ hữu tuyến và vô tuyến khác như Ethernet, ATM, VLAN, và Wi-Fi

- WiMax cung cấp kết nối mạng với tín hiệu đa đường mà không có yêu cầu về tầm nhìn thẳng đến trạm gốc

- WiMax cung cấp một chất lượng dịch vụ (QoS) tốt hơn bằng cách sử dụng công nghệ ăng ten thông minh sử dụng phổ hiệu quả hơn

1.3.2 Mạng vô tuyến băng rộng di động

a Mạng thế hệ thứ 3 (3G)

Mạng thế hệ thứ ba (3G) bắt đầu với tầm nhìn để phát triển một tiêu chuẩn toàn cầu cho dịch vụ dữ liệu tốc độ cao và dịch vụ thoại chất lượng cao Mục tiêu là để tất cả người dùng trên toàn thế giới sử dụng một tiêu chuẩn duy nhất mà sẽ cho phép chuyển vùng toàn cầu Điều này là không thể bởi vì khả năng tương thích với mạng 2G và sự khác biệt tần số giữa các nước là một rào cản để thực hiện, vì vậy trên thế giới đã không thể đạt được thỏa thuận về một việc thực hiện một chuẩn 3G duy nhất

Do đó, trên thế giới tồn tại nhiều công nghệ thuộc thế hệ 3G như sau: Access Code Division Multiple (CDMA2000), IxEV-DO/DV, WCDMA và cải tiến của nó gọi là HSDPA và HSUPA HSDPA và HSUPA có thể đạt tốc

độ lên đến 5 Mbps

b Mạng thế hệ thứ 4 (4G)

4G là mạng vô tuyến thế hệ mới nhằm mục đích để bổ sung và thay thế các hệ thống 3G, trong tương lai gần Nhu cầu về tốc độ dữ liệu cao hơn và sự không tương thích của các tiêu chuẩn 3G đã chuyển trọng tâm sang mạng thế

hệ thứ tư (4G) và khi công nghệ này được triển khai trên thực tế, nó sẽ hỗ trợ tốc độ trên 100 Mbps, nó sẽ tích hợp tất cả các mạng không dây

Hình 1.5 Quan hệ giữa 4G với các mạng khác

Cơ sở hạ tầng mạng 4G sẽ bao gồm một tập hợp của các mạng khác nhau bằng cách sử dụng công nghệ IP Các hệ thống 4G sẽ tương thích với các hệ thống 2G và 3G, cũng như với các hệ thống vô tuyến băng rộng cố định Dựa trên các xu hướng phát triển của truyền thông di động, thế hệ 4G sẽ có băng thông rộng hơn, tốc độ dữ liệu cao hơn, và chuyển giao nhanh hơn và sẽ tập trung đảm bảo dịch vụ thông suốt qua nhiều hệ thống và mạng vô tuyến

1.3.3 So sánh mạng vô tuyến băng rộng di động và cố định

Bảng 1.2 đã đưa ra một cái nhìn tổng quan về các công nghệ vô tuyến băng rộng Mỗi công nghệ vô tuyến băng rộng có nhiều tiêu chuẩn Với 4G, điều được mong đợi nhất là nó chỉ có một tiêu chuẩn chung cho toàn cầu Ta

thấy rằng thông lượng của hệ thống WiMax và 4G lên đến 75Mbps và 200Mbps tương ứng Chúng thích hợp cho mạng backhauling và backbone Bảng 1.2 So sánh các công nghệ vô tuyến băng rộng

Trong các phương pháp truy nhập và ghép kênh, OFDMA và OFDM là các kỹ thuật chính được dùng trong 4G và Wimax, mặc dù phương pháp cho mỗi kỹ thuật khác nhau về thời gian thiết kế và thời gian hoàn thiện 3G và 4G phù hợp đối với mô hình mạng vô tuyến diện rộng (WWAN); Wimax phù hợp với mô hình mạng WMAN, trong khi WiFi là lựa chọn tốt nhất cho mạng LAN vô tuyến (WLAN) Mạng 4G được mong đợi với khoảng cách khoảng 50km và tương tự mạng Wimax cũng được mong đợi có khoảng cách lên đến khoảng 50km giữa điểm đến điểm Hơn nữa vùng phủ sóng của trạm gốc WiMax có thể đạt được là thấp hơn đáng kể mạng 3.xG, vì vậy các nhà khai thác mạng 3.xG có thể triển khai số lượng trạm gốc ít hơn để phủ sóng cùng

SOFDM

WCDMA, CDMA200

OFDM & OFCDM

một vùng địa lý Mạng 3G có vùng phủ sóng trong khoảng 10km và Wifi có vùng phủ sóng chỉ khoảng 100m

Giao diện truy nhập của các kỹ thuật khác nhau từ OFDMA đối với WiFi đến OFDMA/FDD đối với WiMax, và 3G dùng CDMA2000 hay W-CDMA

Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM), về cơ bản,

là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế FDM, chia luồng dữ liệu thành nhiều đường truyền băng hẹp trong vùng tần số sử dụng, trong đó các sóng mang con (hay sóng mang phụ, sub-carrier) trực giao với nhau Do vậy, phổ tín hiệu của các sóng mang phụ này được phép chồng lấn lên nhau

mà phía đầu thu vẫn khôi phục lại được tín hiệu ban đầu Sự chồng lấn phổ tín hiệu này làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với các kĩ thuật điều chế thông thường

Wi-Fi

Wimax

4G

3.xG 3G 2G Tính di động Tốc độ

Hình 1.7 Phổ của sóng mang con OFDM

Số lượng các sóng mang con phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ rộng kênh và mức độ nhiễu

1.4.2 Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật OFDM

Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang con trực giao Vì khoảng thời gian symbol tăng lên cho các sóng mang con song song tốc độ thấp hơn, cho nên lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đường được giảm xuống Nhiễu xuyên ký tự ISI được hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảng thời gian bảo vệ trong mỗi symbol OFDM Trong khoảng thời gian bảo vệ, mỗi symbol OFDM được bảo vệ theo chu kỳ

để tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI

Truyền dẫn đa sóng mang là cơ sở của OFDM Giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang không chồng phổ và kỹ thuật điều chế đa sóng mang chồng phổ có

sự khác nhau Trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta có thể tiết kiệm được khoảng 50% băng thông Tuy nhiên, trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta cần triệt xuyên nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này cần trực giao với nhau

Trong OFDM, dữ liệu trên mỗi sóng mang chồng lên dữ liệu trên các sóng mang lân cận Sự chồng chập này là nguyên nhân làm tăng hiệu quả sử

(a) Kỹ thuật sóng mang không chồng xung Tần số

Tần số

Tiết kiệm băng thông

(b) Kỹ thuật sóng mang chồng xung

dụng phổ trong OFDM Ta thấy trong một số điều kiện cụ thể, có thể tăng dung lượng đáng kể cho hệ thống OFDM bằng cách làm thích nghi tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mang tùy theo tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR của sóng mang đó

OFDM khác với FDM ở nhiều điểm Trong phát thanh thông thường, mỗi đài phát thanh truyền trên một tần số khác nhau, sử dụng hiệu quả FDM

để duy trì sự ngăn cách giữa những đài Tuy nhiên không có sự kết hợp đồng

bộ giữa mỗi trạm với các trạm khác Với cách truyền OFDM, những tín hiệu thông tin từ nhiều trạm được kết hợp trong một dòng dữ liệu ghép kênh đơn Sau đó dữ liệu này được truyền khi sử dụng khối OFDM được tạo ra từ gói

dày đặc nhiều sóng mang Tất cả các sóng mang thứ cấp trong tín hiệu OFDM được đồng bộ thời gian và tần số với nhau, cho phép kiểm soát can nhiễu giữa những sóng mang Các sóng mang này chồng lấp nhau trong miền tần số, nhưng không gây can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) do bản chất trực giao của điều chế Với FDM những tín hiệu truyền cần có khoảng bảo vệ tần số lớn giữa những kênh để ngăn ngừa can nhiễu Điều này làm giảm hiệu quả phổ Tuy nhiên với OFDM sự đóng gói trực giao những sóng mang làm giảm đáng kể khoảng bảo vệ cải thiện hiệu quả phổ

1.4.3 Sự trực giao

Trực giao chỉ ra mối quan hệ toán học chính xác giữa các tần số của các sóng mang trong hệ thống OFDM Các sóng mang được sắp xếp 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 sóng mang Muốn được như vậy các sóng mang phải trực giao về mặt toán học OFDM đạt được sự trực giao bằng cách cấp phát cho mỗi nguồn thông tin một số sóng mang nhất định khác nhau Tín hiệu OFDM là tổng hợp của tất cả các sóng sin này Mỗi một sóng mang có một chu kì sao cho bằng một số nguyên lần thời gian cần thiết

để truyền một ký hiệu (symbol duration) Tức là để truyền một ký hiệu chúng

ta sẽ cần một số nguyên lần của chu kỳ

Hai tín hiệu f(t) và g(t) trực giao nhau nếu thỏa :

t g t f g f

) ( ) ( ,

) ( ) ( , 0 ) ( ) ( ) ,

0,1,2 m n N-1 cách đều nhau một khoảng

T

f  1

 Hình 1.7 cho ta thấy dạng phổ của tín hiệu sin trực giao

Bây giờ ta chứng minh tính trực giao của các sóng mang con có dạng

ft m n j T

k kT

dt e

dt t g t f

) 1 (

) ( 2 )

1 (

*

)()

kT t

T k t e

f m n j

f m n j

m n

,

# ,

0

Khi n = m thì tích phân trên bằng T không phụ thuộc vào n,m

Từ hình 1.7 ta nhận thấy phổ của một kí hiệu (symbol) trong khoảng thời gian T có dạng hàm Sinc(t), tại vị trí đỉnh của sóng mang này sẽ là null (điểm không) của các sóng mang còn lại, nên các sóng mang này sẽ không gây nhiễu lẫn nhau Tín hiệu sau điều chế là tổng của tất cả các sóng mang bị điều chế, băng thông của tín hiệu sẽ tỉ lệ với tần số sóng mang lớn nhất :

Nhờ tính trực giao của các sóng mang trong khoảng thời gian T mà phía thu có thể tách các tín hiệu tương ứng với mỗi sóng mang này dễ dàng

1.4.4 Sơ đồ khối hệ thống OFDM

Hình 1.9 Sơ đồ khối của quá trình phát và thu OFDM Ban đầu, dòng dữ liệu đầu vào với tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu song song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp-song song Mỗi dòng dữ liệu song song sau đó được mã hóa (Conv Encoder) và được sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp bằng bộ xen rẽ (Interleaver) Sau khi đã được mã hóa và xen rẽ, các dòng bit trên các nhánh sẽ được điều chế số (ánh

xạ vào biên độ và pha của sóng mang phụ) bằng bộ MQAM mapping và được đưa đến đầu vào của khối IFFT Khối IFFT có nhiệm vụ biến đổi phổ của dữ liệu từ miền tần số sang miền thời gian Sau đó tiền tố lặp CP được chèn vào

để giảm nhiễu xuyên ký tự (ISI), nhiễu xuyên kênh (ICI) do truyền trên các kênh vô tuyến di động đa đường Cuối cùng thực hiện điều chế cao tần, khuếch đại công suất và phát đi từ anten

Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu tác động đến như nhiễu Gausian trắng cộng (AWGN) và đáp ứng của kênh truyền di động

Để bên thu có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu, người ta còn chèn thêm các pilot xen kẽ vào tín hiệu phát đi để phục vụ cho việc ước lượng kênh truyền

và nhiễu tại máy thu

Ở phía thu, tín hiệu thu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc nhận được sau bộ D/A thu Tiền tố lặp CP được loại bỏ và các mẫu được chuyển đổi từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT dùng thuật toán FFT (khối FFT) Sau đó, tùy vào sơ đồ điều chế được sử dụng ở bên phát mà bên thu giải điều chế tương ứng Các symbol hỗn hợp thu được

sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã (decoder) Cuối cùng, chúng ta nhận lại được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu sau khi chuyển từ song song về nối tiếp

 Mã hóa kênh

Trong thực tế, yêu cầu của việc thiết kế là phải thực hiện được một tốc

độ truyền số liệu yêu cầu (thường được xác định bởi dịch vụ cung cấp) trong một băng thông hạn chế của một kênh truyền sẵn có và một công suất hạn chế tùy ứng dụng cụ thể Hơn nữa, còn phải đạt được tốc độ này với một tỉ số BER và thời gian trễ chấp nhận được Nếu một tuyến truyền dẫn PCM không đạt được tỉ số BER yêu cầu với các ràng buộc này thì cần phải sử dụng các phương pháp mã hóa điều khiển lỗi, còn được gọi là mã hóa kênh

Mã hóa kênh được sử dụng để phát hiện và sửa các ký tự hay các bit thu

bị lỗi, bao gồm mã phát hiện lỗi và mã sửa lỗi Cả hai loại mã này đều đưa thêm độ dư vào dữ liệu phát, trong đó độ dư thêm vào trong mã sửa lỗi nhiều hơn trong mã phát hiện lỗi Lý do là đối với mã sửa lỗi, độ dư thêm vào phải

đủ cho bên thu không chỉ phát hiện được lỗi mà còn sửa được lỗi, không cần phải truyền lại Có hai loại mã điều khiển lỗi chính là mã khối và mã chập

 Khối xen rẽ Interleaver

Trong OFDM, theo một số khuyến nghị, người ta còn kết hợp mã hóa với kỹ thuật xen rẽ (interleaving) để khắc phục lỗi chùm (burst error) thường xuất hiện trong thông tin đa sóng mang do hiện tượng Fading lựa chọn tần số Các lỗi chùm không thể được sửa bởi các loại mã hóa kênh Nhờ vào kỹ thuật xen rẽ, người ta đã chuyển lỗi chùm (nếu có xảy ra) thành các lỗi ngẫu nhiên

và các lỗi ngẫu nhiên này dễ dàng được khắc phục bởi các loại mã hóa kênh

 Điều chế và giải điều chế số ở băng cơ sở

Sau khi đã được mã hóa và xen rẽ, các dòng bit trên các nhánh sẽ được điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, hoặc 64-QAM Dòng bit trên mỗi nhánh được sắp xếp thành các nhóm có Nbs (1, 2, 4, 6) bit khác nhau tương ứng với các phương pháp điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM

 IFFT/FFT

Như đã đề cập trong phần khái niệm về OFDM, ta đã biết OFDM là kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ rất nhiều sóng mang con Để làm được điều này, cứ mỗi kênh con, ta cần một máy phát sóng sin, một bộ điều chế và một bộ giải điều chế Trong trường hợp số kênh con là khá lớn thì cách làm trên không hiệu quả, nhiều khi là không thể thực hiện được Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi DFT/IDFT được dùng để thay thế toàn bộ các bộ tạo dao động sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế dùng trong mỗi kênh phụ FFT/IFFT được xem là một thuật toán giúp cho việc thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT nhanh

và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT

 Tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix)

Một trong những vấn đề quan trọng của thông tin vô tuyến là sự trải trễ

đa đường OFDM giải quyết được vấn đề này rất hiệu quả Luồng dữ liệu vào được chia thành các luồng song song có tốc độ thấp hơn và truyền trên các sóng mang phụ trực giao Nhờ đó mà chiều dài ký tự tăng lên và hạn chế được ảnh hưởng của trải trễ đa đường

Nhiễu xuyên ký tự ISI cũng được hạn chế hoàn toàn bằng cách chèn thêm khoảng bảo vệ cho mỗi ký tự OFDM Chiều dài của khoảng bảo vệ được chọn sao cho nó phải lớn hơn thời gian trễ của tín hiệu fading Về mặt thông tin, khoảng bảo vệ có thể không chứa tín hiệu nào cả nhưng điều này sẽ gây nhiễu liên sóng mang ICI Vì vậy, ký tự OFDM sử dụng khoảng bảo vệ là tiền

tố lặp CP, sao chép đoạn cuối của ký tự và chèn lên đầu của ký tự đó Bằng cách này, độ trễ tối đa cũng vẫn nhỏ hơn chiều dài của CP Và tín hiệu đa đường với thời gian trễ nhỏ hơn khoảng bảo vệ thì không thể gây ra hiên tượng ICI Mặt khác, nhờ sự lặp vòng của mỗi ký tự, nó chuyển phép nhân chập tuyến tính của kênh truyền fading lựa chọn tần số thành phép nhân chập vòng và có thể thực hiện ở miền tần số nhờ phép biến đổi Fourier rời rạc IFFT

và FFT

 Biến đổi cao tần RF

Để tín hiệu có thể truyền được đi xa và ít bị suy hao thì sóng mang phải

có tần số cao Tín hiệu ra khỏi các bộ xử lý trên mới chỉ là tín hiệu ở băng tần

cơ bản nên cần phải nâng tần trước khi đưa đến anten truyền đi nhờ bộ biến đổi cao tần RF

1.4.5 Cấu trúc khung dữ liệu trong OFDM

Giả sử tín hiệu được điều chế sử dụng phương pháp điều chế biên độ cầu phương M mức M-QAM

Kết quả sau khi mã hóa là các nhóm bit đã được nhóm lại với nhau thành các số phức Xk,m Với số bit nhóm lại thành một số phức là Q = log2M N là

số mẫu phức trong một khung và m là chỉ số khung Hay nói cách khác, Xk,m

là mẫu phức của sóng mang phụ thứ k trong ký tự OFDM thứ m

Hình 1.10 Cấu trúc khung dữ liệu OFDM

N mẫu phức trong mỗi ký tự OFDM được đưa đến bộ biến đổi Fourier

ngược FFT để chuyển tín hiệu sang miền thời gian xn,m

Hình 1.11 Biến đổi IFFT và chèn CP Sau đó n mẫu xn,m này được chèn thêm tiền tố lặp CP

Hình 1.12 Tín hiệu băng cơ sở của một khung dữ liệu

Và tín hiệu băng gốc của một ký tự OFDM thứ m như sau:

,

2exp

0 ,

N x

N k m k n

m



Với nN g, , 0 , ,N  1

1.4.6 Ưu điểm và nhược điểm của kỹ thuật OFDM

a Các ưu điểm cơ bản của kỹ thuật OFDM:

- Kỹ thuật OFDM sử dụng các sóng mang phụ có tính chất trực giao nên

các sóng mang phụ này có thể chồng lấn lên nhau mà không gây ra nhiễu, làm tăng hiệu quả sử dụng phổ

- Hạn chế được ảnh hưởng của fading lựa chọn tần số và hiệu ứng đa đường bằng cách chia kênh truyền fading chọn lọc tần số thành các kênh truyền con phẳng tương ứng với các tần số sóng mang phụ khác nhau

- Loại bỏ được hầu hết nhiễu liên sóng mang ICI và nhiễu xuyên ký tự ISI nhờ sử dụng tiền tố lặp CP

- Nhờ sử dụng các biện pháp xen rẽ (interleaver) và mã hoá kênh thích hợp nên hệ thống OFDM có thể hạn chế và khắc phục được lỗi trên ký hiệu

do các hiệu ứng chọn lọc tần số ở kênh gây ra Có thể sử dụng phương pháp giải mã tối ưu với độ phức tạp giải mã ở mức cho phép Quá trình cân bằng kênh được thực hiện đơn giản hơn so với việc sử dụng các kỹ thuật cân bằng thích nghi trong các hệ thống đơn tần

- Hệ thống OFDM sử dụng thuật toán FFT/IFFT để thực hiện phép biến đổi Fourier rời rạc một cách đơn giản và hiệu quả

- Kỹ thuật OFDM thích hợp cho hệ thống vô tuyến tốc độ cao và rất hiệu quả trong các môi trường đa đường dẫn

b Các nhược điểm cơ bản của kỹ thuật OFDM:

- Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR lớn Tín hiệu

OFDM là tổng hợp tín hiệu từ các sóng mang phụ, trong trường hợp xấu nhất

khi các sóng mang phụ này đồng pha thì tín hiệu OFDM sẽ xuất hiện đỉnh rất lớn, dẫn đến PAPR lớn Vấn đề này đòi hỏi phải có bộ khuếch đại công suất lớn và tuyến tính để không làm méo dạng tín hiệu Điều này làm giảm hiệu quả sử dụng của các bộ khuếch đại cao tần

- Rất nhạy với lệch tần số sóng mang CFO, đặc biệt là hiệu ứng dịch tần Doppler CFO làm cho tần số sóng mang trung tâm bị lệch, bên thu phân biệt không chính xác tần số sóng mang và bộ FFT không lấy mẫu đúng tại đỉnh các sóng mang gây ra lỗi khi giải điều chế các tín hiệu

1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG

Chương này đã giới thiệu về mạng thông tin vô tuyến băng rộng cố định

và vô tuyến băng rộng di động Mạng vô tuyến băng rộng cố định giúp người

sử dụng đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng cho việc truy cập vô tuyến băng thông rộng tại các điểm phát sóng Trong khi các công nghệ vô tuyến băng rộng di động cho phép truy cập mạng vô tuyến băng thông rộng với người dùng với tinh di động cao Ngoài ra, trong chương cũng đã giới thiệu khái quát về kỹ thuật OFDM - một kỹ thuật được sử dụng trong hệ thống vô tuyến băng rộng

CHƯƠNG 2

KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP TRONG MẠNG ĐA CHẶNG 2.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG

Thành phần quan trọng trong mạng đa chặng là nút chuyển tiếp (Relay)

Để có cái nhìn tổng quát về về kỹ thuật chuyển tiếp, tạo tiền đề cho việc phân tích hoạt động của nút chuyển tiếp trong mạng đa chặng, chương này sẽ giới thiệu khái niệm cơ bản về nút chuyển tiếp, những phương pháp chuyển tiếp thường được sử dụng trong mạng băng rộng Ngoài ra, trong chương cũng sẽ phân tích một số loại chuyển tiếp, các phương thức bắt cặp lựa chọn nút chuyển tiếp

2.2 GIỚI THIỆU VỀ KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP

Với mạng vô tuyến băng rộng, việc tăng cường dung lượng, mở rộng phạm vi phủ sóng và giảm chi phí vận hành là mục tiêu của các nhà quản lý mạng viễn thông Một số kỹ thuật để nâng cao dung lượng và mở rộng phạm

vi phủ sóng đã được giới thiệu như giải pháp đa anten, truyền dẫn đa điểm phối hợp, các bộ lặp/chuyển tiếp Kỹ thuật chuyển tiếp được giới thiệu là một công nghệ tiên tiến đáp ứng và thỏa mãn được những yêu cầu này

Hình 2.1 Minh họa kỹ thuật chuyển tiếp

Nguyên lý của kỹ thuật chuyển tiếp là sử dụng nút chuyển tiếp (RN) như một thiết bị để truyền dữ liệu giữa trạm gốc (BS) và thiết bị người dùng (UE/ MS) Hình 2.1 cho ta một mô hình mạng chuyển tiếp đơn giản với nguồn (BS), nút chuyển tiếp (Relay) và đích (UE) Đích sẽ nhận dữ liệu từ nguồn thông qua nút chuyển tiếp Như vậy, ta sẽ có hai chặng truyền dẫn: chặng từ trạm gốc đến Relay được gọi là tuyến chuyển tiếp (Relay link), chặng từ nút chuyển tiếp đến UE được gọi là tuyến truy cập (Access link)

Hình 2.2 minh họa ưu điểm của việc sử dụng nút chuyển tiếp Hai trạm chuyển tiếp RS1 và RS2 nằm trong phạm vi phủ sóng của trạm gốc (BS) phục

vụ các trạm di động (MS) nhằm mục đích tăng cường thông lượng và mở rộng phạm vi phủ sóng Trạm MS1 có thể truyền dữ liệu đến RS1 với tốc độ cao hơn tốc độ mà MS1 truyền trực tiếp với BS MS2 là ngoài khỏi vùng phủ sóng của BS và không thể liên lạc trực tiếp với BS, vì vậy RS2 chuyển tiếp lưu lượng truy cập từ BS đến MS2, và ngược lại

Hình 2.2 Mình họa ưu điểm của nút chuyển tiếp