Công nghệ SDR trong truyền thông di động trên thế giới

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN NGỌC BA ĐỀ TÀI: CÔNG NGHỆ SDR TRONG TRUYỀN THÔNG DI ĐỘNG THẾ HỆ MỚI LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGÀNH: XỬ LÝ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC GS TS NGUYỄN THÚC HẢI HÀ NỘI - 2010 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 1G First Generation mobile phone system Hệ thống điện thoại di động hệ thứ 2G Second Generation mobile phone system (GSM, IS-95) Hệ thống điện thoại di động hệ thứ 3G Third Generation mobile phone system Hệ thống điện thoại di động hệ thứ 3GPP Third Generation Global Partnership Project Dự án hội nhập toàn cầu hệ 3GPP2 Third Generation Global Partnership Project Dự án hội nhập toàn cầu hệ 4G Generation mobile phone system Hệ thống điện thoại di động hệ thứ ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line Đường dây thuê bao không đối xứng AM Amplitude Modulation Điều biên AMPS Advaced Mobile Phone System Hệ thống điện thoại tiên tiến ASIC Application-Specific Circuit Mạch tích hợp ứng dụng ASK Amplitude Shift Keying Khóa dịch biên AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu tạp âm trắng BER Bit Error Rate Tỷ lệ bít lỗi Bps Bits per second Bit giây BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân BS Base Station Trạm gốc BSC Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốc BTS Base Transmission Station Trạm phát gốc CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã Integrated CIR Channel Impulse Response Đáp ứng xung kênh CN Core Network Mạng lõi CORBA Common Object Request Broker Architecture DAB Digital Audio Broadcasting Truyền số quảng bá DFT Discrete Fourier Transform Phép biến đổi Fourier DRM Digital Radio Mondiale Hệ thống phát số đường dài DSCDMA Direct Sequence Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã dãy trực tiếp DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số DSSS Direct Sequence Spread Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp DVB Digital Video Broadcasting Truyền hình số quảng bá DVB-C Digital Video Broadcasting – Cable Truyền hình số quảng bá cáp DVB-S Digital Video Broadcasting – Satellite Truyền hình số quảng bá vệ tinh DVB-T Digital Video Broadcasting Terrestrial Truyền hình số quảng bá mặt đất EBNR Energy per Bit to Noise Ratio Tỷ lệ lượng bit tạp âm EDGE Enhanced Data Rate for Global Tốc độ liệu cao cho phát triển Evolution toàn cầu EVDO Evolution Data Only Phát triển với liệu FDD Frequency Division Duplexing Song công phân chia theo tần số FDM A Frequency Division Multiplexing Access Đa truy nhập phân chia theo tần số FEC Forward Error Correction Sửa lỗi tiến FFT Fast Fourier Transform Phép biến đổi Fourier nhanh FIR Finite Impulse Response (digital filter) Bộ đáp ứng xung (lọc số) FM Frequency Modulation Điều tần FPGA Field Programmable Gate Array Mảng logic lập trình Fs Sample Frequency Tần số lấy mẫu FSK Frequency Shift Keying Khóa dịch tần GI Guard Interval Chuỗi bảo vệ GPP General Purpose Processor Bộ xử lý chung GPRS Generic Packet Radio Services Dịch vụ vô tuyến gói chung GSM Global System for Mobile communications Hệ thống thơng tin di động tồn cầu HDR Hardware Defined Radio Phần cứng định nghĩa vô tuyến HLR Home Location Rigister Bộ ghi định vị thường trú High Speed Downlink Packet Truy nhập gói đường xuống tốc độ Access cao IF Intermediate Frequency Trung tần Thuật toán biến đổi nhanh ngược IFFT Inverse Fast Fourier Transform Fourier International Mobile IMT-2000 Thơng tin di động tồn cầu 2000 Telecommunication 2000 HSDPA IP Intenet Protocol Giao thức Internet ITU International Telecommunication Liên hợp viễn thông quốc tế Union LNA Low Noise Amplifier LO Local Oscillator Bộ tạo giao động nội MAC Medium Access Controller Điều khiển truy nhập môi trường MIMO Multiple input multiple output Hệ thống đa anten phát/thu MIPS Millions of Instructions per Second Triệu lệnh giây MS Mobile Station Thiết bị đầu cuối di động MSC Mobile Switching Centrer Trung tâm chuyển mạch di động OFDM Orthogonal Frequency Division Ghép kênh phân chia theo tần số Multiplexing trực giao OFDMA Orthogonal Frequency Division Đa truy nhập phân chia theo tần số Multiplexing Access trực giao PA Power Amplifier Bộ khuếch đại công suất PM Phase Modulation Điều chế pha PLMN Public Land Mobile Network Mạng truy nhập mặt đất cơng cộng PSK Phase Shift Keying Khóa dịch pha QAM Quadrature Modulation QOS Quality Of Service Chất lượng phục vụ QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa dịch pha vng góc RF Radio Frequency Tần số vơ tuyến SAP ServiceAccessPoints Điểm truy nhập dịch vụ SCA Software Architecture Kiến trúc truyền thông phần mềm SDR Software Defined Radio Vô tuyến định nghĩa phần mềm SER Symbol Error Rate Tỷ lệ lỗi mẫu tín hiệu SIR Signal to Interference Ratio Tỷ lệ tín hiệu nhiễu SISO Single Input Single Output Hệ thống anten phát/thu SNR Signal to Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu tạp âm SODA A High-Performance Architecture for SDR Amplitude Communications Điều chế biên vng góc DSP Kiến trúc DSP hiệu cao cho SDR SOFDMA Scalable OFDMA Tính mềm dẻo OFDM SSB Điều chế đơn biên Single Side Band TCO Total cost of ownership Tổng chi phí TDD Time Division Duplexing Song cơng phân chia theo thời gian TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian UMTS Universal Mobile Hệ thống thông tin di động cho tất Telecommunications System moi người UTRA UMTS Terrestrial RadioAccess Truy nhập vô tuyến mặt đất VLR Visitor Location Rigister Bộ ghi định vị tạm trú VoIP Voice Over Internet Protocol Truyền thoại qua giao thức Internet WCDMA Wide-band Code Multiple Access WiMax Worldwide Interoperability for Khả tương tác toàn cầu với Microwave Access truy nhập vi ba WLAN Wireless Local Area Network Division Đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng Mạng nội hạt không dây   LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu Tất tài liệu tham khảo tác giả sử dụng cách hợp pháp Các kết luận văn trung thực, chưa công bố sử dụng để bảo vệ luận văn khác Tác giả luận văn: Nguyễn Ngọc Ba     MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Trong năm qua, thông tin di động đạt thành tựu to lớn ngày mang lại dịch vụ hoàn hảo cho người sử dụng Để có tốc độ truy cập bước thay đổi cải tiến kỹ thuật, công nghệ áp dụng OFDM, MIMO đặc biệt Software Defined Radio (SDR) Công nghệ SDR (Vô tuyến định nghĩa phần mềm) sử dụng tảng phần cứng thống để cung cấp tiêu chuẩn thông tin, lược đồ điều chế tần số khác thơng qua mơ đun phần mềm Nó hỗ trợ việc triển khai hệ thống thông tin vô tuyến đa băng tần đa tiêu chuẩn Với kỹ thuật SDR, nhà khai thác di động nâng cấp hệ thống mạng đến phiên mà không cần thay đổi phần cứng, làm giảm tổng chi phí TCO Những dịch vụ cung cấp cho tầng lớp người sử dụng khác hạ tầng phần cứng chung Do đó, triển khai SDR giúp nhà khai thác chuyển từ “nhà cung cấp mạng” thành “nhà cung cấp dịch vụ”, từ tạo nguồn doanh thu Ngồi ra, thiết bị SDR giúp cải thiện thời gian đưa sản phẩm thương mại làm giảm đáng kể rủi ro đầu tư nhà khai thác SDR mang lại nhiều lợi ích cho người sử dụng đầu cuối Nó cho phép khách hàng thay đổi truy nhập tính dịch vụ đa dạng dễ dàng Các thuê bao sử dụng đầu cuối SDR để chuyển vùng dễ dàng nhà khai thác tận hưởng di động thực Kỹ thuật SDR làm tăng vòng đời việc đầu tư thiết bị đầu cuối đảm bảo không lỗi thời Với ưu điểm lớn vậy, SDR công nghệ phát triển nhanh phổ biến ngành công nghiệp thông tin vô tuyến thương mại Thông qua nâng cấp phần mềm, thiết bị thực tiêu chuẩn kỹ thuật khác gồm GSM, WCDMA/HSPA, CDMA2000 1X EV-DO WiMAX Đây lý em chọn đề tài nghiên cứu “Công nghệ SDR truyền thông di động hệ mới”   Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Công nghệ SDR sử dụng tảng phần cứng thống để cung cấp tiêu chuẩn thông tin, lược đồ điều chế tần số khác thông qua mô đun phần mềm Ứng dụng công nghệ SDR nâng cấp hệ thống mạng đến phiên mà không cần thay đổi phần cứng, làm giảm tổng chi phí Mục đích, đối tượng, phạm vi phương pháp nghiên cứu đề tài 3.1 Mục đích: Nghiên cứu cơng nghệ SDR truyền thơng di động hệ nhằm: + Có nhìn cụ thể công nghệ SDR + Hiểu rõ kiến trúc cách thức hoạt động công nghệ SDR + Khả tích hợp SDR với cơng nghệ 3.2 Đối tượng + Công nghệ SDR truyền thông di động hệ + Kết hợp SDR với MIMO-OFDM 3.3 Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu công nghệ SDR truyền thông di động hệ 3.4 Phương pháp nghiên cứu Để nghiên cứu đề tài tác giả dựa vào: Cơ sở lý thuyết: Luận văn sử dụng lý thuyết truyền thông di động, cơng nghệ viễn thơng, kỹ thuật xử lý tín hiệu sở toán học Cơ sở thực tiễn: Tìm hiểu phân tích thực trạng cơng nghệ truyền thông di động nước ta giới Đề xuất giải pháp ứng dụng công nghệ SDR cho truyền thông di động hệ Kết cấu luận văn Luận văn trình bày thành bốn chương: Chương 1: Tổng quan tình hình thơng tin di động Chương 2: Các công nghệ ứng dụng mạng di động hệ Chương 3: Công nghệ SDR Chương 4: Giải pháp SDR kết hợp MIMO-OFDM   CHƯƠNG TỔNG QUAN TÌNH HÌNH THƠNG TIN DI ĐỘNG 1.1 Tổng quan tình hình thơng tin di động Ra đời vào năm 40 kỷ XX, thông tin di động coi thành tựu tiên tiến lĩnh vực thông tin viễn thơng với đặc điểm thiết bị đầu cuối truy cập dịch vụ di động phạm vi vùng phủ sóng Thành cơng người lĩnh vực thông tin di động không dừng lại việc mở rộng vùng phủ sóng phục vụ thuê bao khắp nơi toàn giới mà nhà cung dịch vụ, tổ chức nghiên cứu phát triển công nghệ di động nỗ lực hướng tới hệ thống thơng tin di động hồn hảo, dịch vụ đa dạng, chất lượng dịch vụ cao Sau nhiều năm phát triển, thông tin di động trải qua giai đoạn phát triển quan trọng Từ hệ thống thông tin di động tương tự hệ thứ đến hệ thống thông tin di động hệ thứ hai, hệ thống thông tin di động băng thông rộng hệ thứ ba triển khai tồn cầu hệ thống thơng tin di động đa phương tiện hệ thứ tư nghiên cứu thử nghiệm số nước Điện thoại di động xuất Mỹ hệ thống mà toàn thành phố sử dụng cấu trúc ô rộng 150MHz năm 1946 Hệ thống gồm kênh, chuyển mạch nhân cơng có phân cách kênh 60MHz Sau hệ thống đời, nhu cầu sớm vượt qua dung lượng số kênh có hạn Các hệ thống di động xách tay sử dụng cấu trúc ô nhỏ đời để đáp ứng nhu cầu tăng lớn vào năm 1980 Việc sử dụng ô nhỏ Mỹ nghiên cứu vào cuối năm 1960, Ủy ban thông tin liên bang Mỹ (FCC) đề nghị phát triển hệ thống để đáp ứng nhu cầu ấn định lại băng tần 800-900 MHz, trước dành cho truyền hình quảng bá, cho thơng tin di động mặt đất Thế hệ thứ phát triển suốt thập niên 90 Sự phát triển công nghệ thông tin di động hệ thứ bùng nổ lượng thuê bao di động toàn cầu Đây thời kỳ chuyển đổi từ công nghệ analog sang digital Thế hệ có khả cung cấp dịch vụ đa dạng, tiện ích hỗ trợ cho cơng nghệ thông tin, cho phép   ứng dụng rộng rãi tồn cầu, kỹ thuật tích hợp PLMN, NMP 2G/3G triển khai 20 quốc gia Tây Âu, Nam Á Châu Phi Các sản phẩm SDR ZTE tương thích hoàn toàn với thiết bị mạng truyền thống 3.6.4.5 HSPA hiệu suất cao Các sản phẩm SDR ZTE hỗ trợ chức HSPA, cho phép 64 thuê bao HSDPA truy nhập đồng thời cell với tốc độ tối đa 14,4 Mb/s đường xuống 5,76 Mb/s đường lên HSPA hiệu suất cao hỗ trợ nhà khai thác đưa dịch vụ liệu cao cách đa dạng Thêm nữa, sản phẩm SDR tương lai minh chứng nâng cấp phần mềm để hỗ trợ HSPA+ LTE Kết luận chương Trong chương tác giả từ khái niệm cách nhìn trừu tượng đến cụ thể kiến trúc SDR với phân hệ định nghĩa phần cứng phân hệ định nghĩa phần mềm Q trình xử lý tín hiệu phân hệ thơng qua xử lý có khả lập trình DSP, FPGA, ASIC Một vấn đề phức tạp giao thức SDR làm rõ đây, với khả tương thích, soạn thảo cấu hình lại giao thức để tùy chọn giao thức cụm giao thức cho yêu cầu hệ thống thiết lập thiết bị đầu cuối định nghĩa phần mềm Như với giao thức cấu hình lại làm tăng tính linh động hệ thống q trình hoạt động nâng cấp thiết bị Với mềm dẻo, hiệu mặt chi phí sức mạnh SDR ứng dụng rộng rãi hệ thống truyền thông di động: Bluetooth, WLAN, CDMA, GSM, WCDMA WiMAX ZTE có giải pháp ứng dụng SDR cho thiết kế trạm gốc với giải pháp nhà khai thác dễ dàng mở rộng, điều hành bảo dưỡng hệ thống thông tin họ đồng thời cắt giảm chi phí cách đáng kể 88   CHƯƠNG GIẢI PHÁP SDR KẾT HỢP MIMO-OFDM 4.1 Tình hình nghiên cứu, ứng dụng SDR giới Việt Nam Công nghệ SDR giới nhiều hãng viễn thông công nghệ nghiên cứu để phát triển sản phẩm: Lĩnh vực đo lường nhiều hãng nhanh chóng cho sản phẩm thử nghiệm: Agilent, Rohde & Schwarz International, Tectronix…    Lĩnh vực di động: Acatel, Ericsson, Huawei đặc biệt châu Á ZTE hầu hết ứng dụng hãng tập trung cho trạm BTS chưa có ứng dụng rộng cho thiết bị đầu cuối Ở Việt Nam điều kiện khó khăn cơng nghệ nên việc nghiên cứu cịn hạn chế, chưa có cơng trình cơng bố ứng dụng vào thực tế Để góp phần thực hóa cơng nghệ SDR tác giả đề xuất phân tích giải pháp SDR kết hợp MIMO-OFDM 4.2 Đề xuất mơ hình MIMO-OFDM SDR Trong năm qua đa dạng công nghệ đa anten nghiên cứu lĩnh vực truyền thơng khơng dây anten thích nghi Gần hệ thống MIMO sử dụng đa anten việc thu phát có thành cơng đáng kể nghiên cứu thử nghiệm Từ MIMO có kết hợp với OFDM đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao MIMO-OFDM giải pháp nâng cao dung lượng hệ thống làm giảm độ phức tạp thiết bị thu nhận [18] Việc nghiên cứu MIMO, OFDM nhảy từ phân tích lý thuyết đến thí nghiệm phát triển hệ thống Có nhiều giải pháp ứng dụng MIMO, OFDM Với đề tài nghiên cứu công nghệ SDR truyền thông dộng hệ tác giả đề xuất giải pháp SDR kết hợp MIMO-OFDM Nền tảng MIMO SDR bao gồm board xử lý tín hiệu số băng sở chuyển đổi tần số, board băng sở có khả chuyên ghi lại phần mềm thiết bị cấu hình lại FPGA, DSP MIMO-SDR tận dụng kiến trúc lai nâng cao chức 89   FPGA, DSP Ở khối chức với cần thiết xử lý thời gian thực thực dựa FDGA DSP khối khác xử lý offline CPU Giải pháp SDR kết hợp MIMO OFDM mô tả hình 4.1 CDMA 2000 GSM WCDMA EVDO GPRS RF IF RF IF RF IF HSPDA LTE WIMAX Channel Card Converter, OFDM, MIMO, DSP  Channel Card Converter, OFDM, MIMO, DSP  Hình 4.1 Sơ đồ khối SDR kết hợp MIMO-OFDM Hệ thống gồm lớp chính: Lớp vật lý, lớp trung gian lớp ứng dụng Trong phạm vi quan tâm đến lớp vật lý với kết hợp SDR với MIMO-OFDM Anten: Anten dải rộng đáp ứng nhu cầu mở rộng dải tần, anten nhiều băng để thích hợp với nhiều chuẩn truyền thơng mà không cần thay lắp đặt thêm IF/RF: Chuyển đổi trực tiếp lên xuống tần số mong muốn Xử lý tín hiệu băng sở: ¾ RISC CPU: Xử lý giao diện mạng xử lý gọi ¾ FPGA: Xử lý tốc độ chip ¾ DSP: Xử lý tốc độ kí tự, giải mã kênh 90   4.3 Tại MIMO OFDM ứng dụng SDR? 4.3.1 Đối với MIMO MIMO có khả tăng dung lượng đường truyền điều kiện dải tần số ngày khan Thơng qua tính tốn chạy mô thấy dung lượng đường truyền sóng vơ tuyến tăng lên tăng số lượng anten sử dụng hai đầu phát thu sóng.[14] Sử dụng nhiều anten để tăng khả chọn lựa, tăng tính thích ứng đường truyền sóng vơ tuyến Một đặc điểm quan trọng mơi trường sóng vơ tuyến khơng gian: sóng phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ Như sóng đến đầu thu tổng hợp nhiều sóng khác Các sóng kết hợp cách tích cực tiêu cực làm độ lớn biên độ sóng biến động theo thời gian khơng gian Mơi trường cịn gọi mơi trường fadinh Khi sử dụng nhiều anten tăng xác suất chọn lựa sóng mạnh nhiều sóng yếu Đồng thời sử dụng cách phương pháp nhận sóng hợp lý, tổng hợp sóng nhận từ anten khác nhau, tăng sức mạnh sóng so với tạp âm đầu thu Sử dụng nhiều anten điều chỉnh hướng búp sóng, tăng độ lợi anten tăng dung lượng hệ thống Với truyền thông không dây, dải tần số ngày khan hiếm, để tăng dung lượng đường truyền, người ta cần phải sử dụng đến kỹ thuật MIMO Các ứng dụng ngày đỏi hỏi đường truyền có tốc độ cao để truyền tải đa phương tiện lớn, ngồi âm hình ảnh, video, file, data Cũng phân tích trên, dùng dãy anten để beam-forming thơi chưa đủ sức đáp ứng nhu cầu dung lượng đường truyền Bởi beam-forming dùng nhiều ăngten truyền có dịng bit mà thơi Trong dùng kỹ thuật MIMO theo kiểu anten đưa lên dịng bit khác tăng dung lượng 91   lên nhiều Chính mà chuẩn gần mạng không dây dùng MIMO 4.3.2 Đối với OFDM OFDM điều chế đa sóng mang phát triển cho kênh tần số với môi trường fadinh OFDM chia luồng liệu tốc độ cao thành luồng liệu tốc độ thấp phát đồng thời số sóng mang trực giao Nhiễu xuyên ký tự ISI hạn chế hoàn toàn việc đưa vào khoảng thời gian bảo vệ symbol OFDM Trong khoảng thời gian bảo vệ, symbol OFDM bảo vệ theo chu kỳ để tránh nhiễu sóng mang ICI OFDM sử dụng biến đổi Fourier rời rạc cho điều chế băng sở giải điều chế thực biến đổi Fourier nhanh Trong OFDM, liệu sóng mang chồng lên liệu sóng mang lân cận Sự chồng chập nguyên nhân làm tăng hiệu sử dụng phổ OFDM Ta thấy số điều kiện cụ thể, tăng dung lượng đáng kể cho hệ thống OFDM cách làm thích nghi tốc độ liệu sóng mang tùy theo tỷ số tín hiệu tạp âm SNR sóng mang 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 trễ truyền dẫn đa đường giảm xuống 4.3.3 Sự kết hợp MIMO-OFDM Hệ thống nhiều đầu vào nhiều đầu (MIMO) hệ thống với nhiều anten phát nhiều anten thu So sánh với hệ thống anten phát anten thu (SISO) kỹ thuật sử dụng nhiều anten phát nhiều anten thu có cải thiện hiệu sử dụng tần số dung lượng hệ thống thông tin Việc nâng cao hiệu phụ thuộc vào số lượng anten phát anten thu độ tán xạ môi trường truyền dẫn Độ phức tạp hệ thống MIMO tăng lên số lượng anten thu phát tăng 92   Hệ thống MIMO-OFDM đời nhằm mục đích kết hợp ưu điểm hệ thống MIMO hệ thống OFDM Hình 4.2 Cấu trúc máy phát MIMO-OFDM Cấu trúc máy phát MIMO-OFDM trên, phát tín hiệu OFDM kết hợp với thông qua mã hóa thời gian/khơng gian Bộ mã hóa nhằm tạo luồng bit khác cho anten phát đồng thời tận dụng phân tập không gian tín hiệu phát qua anten khác để sửa lỗi đường truyền Hình 4.3 Cấu trúc máy thu MIMO-OFDM Cấu trúc máy thu trình bày trên, chức ngược lại so với thu thực Nhờ có phân tập khơng gian độc lập tán xạ (hoặc tương đối độc lập) tín hiệu phát mà chất lượng tín hiệu thu dung lượng kênh cải thiện Tóm lại kỹ thuật MIMO-OFDM giải pháp cho phép tăng dung lượng hệ thống khả chống fading đa đường thông qua việc sử dụng nhiều anten song song cho phát thu Từ cho thấy việc sử dụng khai thác hệ 93   thống MIMO cho truyền thông không dây nhiều nhà cung cấp dịch vụ quan tâm hứa hẹn nhiều triển vọng cho truyền thông băng rộng 4.4 Giải pháp MIMO-OFDM với SDR mang lại hiệu nào? 4.4.1 Tăng tính linh động xử lý Sơ đồ khối chức mức cao MIMO-OFDM SDR mơ tả hình 4.4 Dữ liệu từ nhiều anten thu gửi tới phần RF sau chuyển trực tiếp tới tần số IF mong muốn, IF chuyển tới chuyển đổi liệu băng tần sở Kiến trúc không chịu ảnh hưởng từ tương hợp thành phần theo cách thông thường, vấn đề tiếng ồn DC tạp nhiễu nhấp nháy kết hợp với nhận chuyển đổi trực tiếp Hình 4.4 Sơ đồ chức máy nhận MIMO OFDM SDR Tính linh động dải phổ tạo thông qua cấu trúc song song PLL+DDFS (bộ tổng hợp tần số trực tiếp), cấu trúc tạo hiệu suất cao công suất nguồn tính linh động Dữ liệu DDFS trộn trực tiếp với VCO, tạo chuyển hướng yêu cầu hệ thống Điều tốt DDFS quay tần số khoảng thời gian định yêu cầu VCO dựa tổng hợp để thiết lập tần số theo ý muốn Việc kết hợp cho phép truyền nhanh tần số +/- 100 MHz quanh sóng mang VCO theo ý muốn Cuối cùng, cấu trúc nội suy số cho phép thực chu trình sửa xung nhịp tự động số, cách lấy lại mẫu dạng sóng chọn điểm lấy mẫu giá trị tối ưu mà tăng tối đa SNR nhận [3] 94   Giải điều biến OFDM thực cho anten, anten nhận N anten có kí tự P tương ứng với sóng mang phụ OFDM Những ảnh hưởng phương thức đa truyền bị loại bỏ thông qua việc xử lý OFDM liệu bị tạo lỗi việc nhiễu đồng kênh tạo từ việc truyền đồng thời từ nhiều anten Việc tạo lỗi liệu kênh MIMO loại bỏ cách áp dụng việc giải mã MIMO liệu nhận anten nhận N sóng mang phụ riêng biệt Việc xử lý MIMO cách hiệu phục hồi liệu ban đầu từ M anten phát sóng mang Quy trình áp dụng liên tục hoàn thành liệu bên phát Cuối dịng bit giải mã hóa chuyển tới tầng MAC 4.4.2 MIMO SDR xử lý thời gian thực MIMO SDR hỗ trợ rộng rãi chế độ bảng 4.1 Dãy tốc độ liệu từ 2Mbps đến 150 Mbps với băng thông 5, 10, 15Mhz điều cho phép cấp phát phổ thơng minh thơng lượng cao Các chế độ xác định MAC Bandwidth Antenna Modulation Coding Coding Rate Packet Size MIMO Processing MIMO Singalling 5MHz, 10MHz, 20MHz Any combination up to 4x4 OFDM with 2,4,16,64 QAM Binary Convolutional Code 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 - 65535 bytes MMSE(Minimum Mean Square Error) Spatinal multiplexing, space-time block coding, cyclic delay diversity, RX beamforming Bảng 4.1 Chế độ hỗ trợ MIMO-OFDM SDR Cấu trúc gói liệu MIMO: cấu trúc gói tín hiệu phát gồm phần Legacy Compatible Part (LCP) MIMO Part Khi có anten yêu cầu phát LCP gói mã hóa hệ thống cần nhiều anten Khi có nhiều anten sử dụng để phát LCP nâng cao hiệu Thiết kế LCP đảm bảo khả tương thích hệ thống đơn anten trước cho phép mạng nút xử lý với số lượng anten khác Phần thứ hai MIMO part hỗ trợ 95   sóng mang dựa ghép kênh khơng gian mã hóa khơng gian thời gian Có thể hỗ trợ tới dịng bit sử dụng MIMO (4x4) SDR thay đổi chức việc ghi lại phần mềm thiết bị cấu hình lại FPGA DSP Khi phân tích hiệu hệ thống MIMO-OFDM dựa SDR có nhiều nghiên cứu như: DSP, FPGA, FPGA/DSP có thành cơng đáng kể Dù cịn tồn kiến trúc tối ưu phụ thuộc vào mục đích ứng dụng như: số lượng kênh, hiệu xử lý tín hiệu, thông lượng bus liệu giao diện lập trình ứng dụng mềm dẻo Sự phát triển MIMO-SDR bao gồm mạch đa chức cho băng sở chuyển đổi tần số Bản mạch có khả ghi lại phần mềm FPGA DSP ¾ Ứng dụng off-line: • Hệ thống truyền MIMO-OFDM dựa SDR modem phần mềm off-line mạch nhớ cho truyền, nhận tín hiệu, điều chế giải điều chế xử lý off-line CPU • Đo kênh MIMO: Có thể đánh giá kênh thơng qua quét không gian kênh MIMO môi trường riêng đo Hiệu kênh MIMO phân tích dựa việc kênh liệu ¾ Ứng dụng real-time • Hệ thống truyền MIMO: thu phát MIMO-OFDM thực dựa FPGA Đồng khung, đánh giá kênh, biến đổi Fourier nhanh FFT, giải mã khối không gian thời gian xử lý với thời gian thực • Đo kênh MIMO: Hệ thống đo kênh MIMO phát triển cho phân tích biến đổi thời gian khối đánh giá kênh MIMO thực FPGA xử lý với thời gian thực liệu kênh đánh giá đồng thời lưu vào ổ cứng 96   4.4.3 Khả cấu hình lại hiệu suất cao tiêu hao lượng thấp Với cấu trúc truyền thống hình 4.5 chủ yếu dựa vào cấu trúc mảng logic lập trình xử lý tín hiệu số lập trình theo kiểu truyền thống nên tiêu tốn cơng suất lớn Hình 4.5 SDR truyền thống Khi sử dụng cho thiết bị dùng nguồn pin, kiến trúc gặp phải số khó khăn Một giải pháp tốt đáp ứng hai yêu cầu tiêu hao lượng giá thành rẻ cần phải áp dụng loại DSP lập trình song song kiểu DSP tái cấu hình [15] Hình 4.6 minh họa việc sử dụng SDR dựa phương pháp FPGAs thực xử lý tín hiệu kết hợp với việc phân hướng bao gồm thao tác lọc, phép nội suy, decimation, biến đổi Fourier nhanh( FFT)… DSP điều khiển hoạt động điều chế giải điều chế Hình 4.6 SDR hiệu cao giảm cơng suất tiêu thụ Bộ mã hóa sửa lỗi (FEC) thường thực khối tăng phần cứng tích hợp DSP với DSP có khả thực hàng trăm triệu 97   lệnh giây Bộ xử lý chung (GPP) có khả điều phối tầng MAC, kiến trúc truyền phần mềm (SCA) kiến trúc CORBA kết hợp tầng hỗ trợ hệ thống vận hành thời gian thực Để hỗ trợ cho thiết bị ngoại vi RF, cần sử dụng thiết bị logic lập trình loại nhỏ (PLD) Việc sử dụng DSP tái cấu hình để thay FPGAs tiêu tốn nhiều lượng thay DSP truyền thống Rất nhiều dạng sóng hỗ trợ chuyển mạch đơn giản sang thuộc tính để sử dụng SDR tái cấu hình Kết luận chương Giải pháp SDR kết hợp MIMO-OFDM có nhiều điểm trội khả thi nghiên cứu thí nghiệm ứng dụng thực tế Tuy nhiên giải pháp cịn khó khăn cần khắc phục: ¾ Hầu hết thiết bị đầu cuối đảm bảo khả di động cầm tay (gọn, nhẹ) hệ thống MIMO với công nghệ phân tập yêu cầu khoảng cách anten phải lớn tối thiểu 1/2 bước sóng nhằm đảm bảo độc lập hệ số kênh truyền anten, thiết bị cầm tay cần anten vấn đề thiết kế tốn khó ¾ Khi công nghệ ngày phát triển để hỗ trợ ứng dụng băng thông rộng mà khách hàng có nhu cầu, cơng nghệ lại gây nhiều thử thách Cơng nghệ (có liên kết với giao thức tại) cần đáp ứng yêu cầu thiết bị đa giao thức, đa băng tần công nghệ tạo thêm khó khăn cho việc giảm chi phí sản phẩm giữ suất Khi khó khăn khắc phục giải pháp SDR kết hợp MIMO-OFDM tạo bước đột phá công nghệ, với khả xử lý thời gian thực đáp ứng kịp thời nhu cầu ngày tăng dung lượng thoại lưu lượng liệu truyền Công nghệ hứa hẹn dịch vụ hoàn hảo truyền thông di động 98   KẾT LUẬN Kết đạt luận văn Luận văn trình bày công nghệ tiêu biểu ứng dụng cho hệ thống thông tin di động MIMO, OFDM, mạng toàn IP đặc biệt công nghệ SDR Để dễ dàng cho việc tiếp cận cơng nghệ tác giả trình bày tình hình thơng tin di động giới nước ta kết hợp với chuẩn hóa tổ chức truyền thông quốc tế từ xác định hướng cơng nghệ hợp lý cho phát triển quốc gia Với công nghệ MIMO, OFDM tác giả chứng minh tính trội công nghệ khả thiết kế đường truyền tốc độ cao, hiệu sử dụng phổ, giảm nhiễu, tăng dung lượng hệ thống… Kỹ thuật điều chế OFDM trường hợp đặc biệt phương pháp điều chế đa sóng mang sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ mà phổ tín hiệu sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên mà phía thu khơi phục lại tín hiệu ban đầu Các tiến xử lý tín hiệu số kết hợp với tốc độ xử lý DSP tảng vững cho phát triển hệ thống đa sóng mang Đặc biệt cơng nghệ SDR tác giả từ khái niệm cách nhìn trừu tượng đến cụ thể kiến trúc SDR với phân hệ định nghĩa phần cứng phân hệ định nghĩa phần mềm Q trình xử lý tín hiệu phân hệ thơng qua xử lý có khả lập trình DSP, FPGA, ASIC Một vấn đề phức tạp giao thức SDR làm rõ đây, với khả tương thích, soạn thảo cấu hình lại giao thức để tùy chọn giao thức cụm giao thức cho yêu cầu hệ thống thiết lập thiết bị đầu cuối định nghĩa phần mềm Như với giao thức cấu hình lại làm tăng tính linh động hệ thống q trình hoạt động nâng cấp thiết bị Với mềm dẻo, hiệu mặt chi phí sức mạnh SDR ứng dụng rộng rãi hệ thống truyền thông di động: Bluetooth, WLAN, CDMA, GSM, WCDMA WiMAX ZTE có giải pháp ứng dụng SDR cho 99   thiết kế trạm gốc với giải pháp nhà khai thác dễ dàng mở rộng, điều hành bảo dưỡng hệ thống thông tin họ đồng thời cắt giảm chi phí cách đáng kể Cuối tác giả đề xuất giải pháp SDR kết hợp MIMO-OFDM Với khả tăng dung lượng hệ thống, xử lý thời gian thực, tăng hiệu giảm công suất tiêu hao Tác giả phân tích đánh giá ưu nhược giải pháp Tuy giải pháp hạn chế khả phát triển để ứng dụng vào thực tế khả thi Hướng phát triển đề tài - Nghiên cứu tích hợp cơng nghệ MIMO, OFDM, mạng toàn IP, SDR cho mạng 4G - Nghiên cứu đưa thiết kế thử nghiệm cho sản phẩm ứng dụng công nghệ SDR - Nghiên cứu SDR băng tần rộng để sử dụng thiết bị dải tần khác - Nghiên cứu kỹ thuật ghép kênh tiên tiến MIMO ứng dụng cho SDR.    100   TÀI LIỆU THAM KHẢO 3GPP – www.3gpp.org Adam S Harrington-Chin-Gi Hong-Anthony L Piazza(2004), Software Defined Radio The Revolution of Wireless Communication Babak Daneshrad (2004), Universal MIMO-OFDM SDR for Mobile Autonomous Networks, Office of Naval Reseach U.S, No N00014-04-M0163 Phan Đức Chính (2008), Luận văn cao học Nghiên cứu công nghệ OFDM ứng dụng wimax, Đại học Bách Khoa Hà Nội Nguyễn Phạm Anh Dũng (2004), Thông tin di động hệ thứ ba, Nhà xuất Bưu Điện, Hà Nội Ekas, Paul, Keys to reconfigurable SDR system design, Retrieved on November 5, 2004 Gordon L.Stuber (2004),“Broadband MIMO-OFDM Wireless Communication” Proceedings Of The IEEE, (Vol 92) Đỗ Văn Hòa (2007), Luận văn cao học Nghiên cứu hệ thống thông tin di động hệ 4, Đại học Bách Khoa Hà Nội Huseyin Aslan(2007), Cognitive Radio, Software Defined Radio, and Adaptive Wireless Systems, Springer, Dordrecht, The Netherlands 10 Jesses Chen (2007) “A Real Time 4x4 SDR for Wireless Networking Research” 15th European Signal Processing Conference (EUSIPCO 2007), Poland 11 Kei Mizutani (2006), “Development of MIMO-SDR Platform and Its Application to Real-Time Channel Measurements”, IEICE TRANS COMMUN, (Vol E89-B) 12 LiesbetVanderPerre– JanCraninckx – AntoineDejonghe(2009), Green Software Defined Radios, Springer 13 MarkWoh et al(2007), “The Next Generation Challenge for Software Defined Radio” Lecture Notes in Computer Science, Springer Link Volume 4599/2007, 343-354 14 Mtumbuka (2004),”Comparative analysis of the performance of MIMO techniques”, High Frequency Postgraduate Student Colloquium 2004, UK pp 73 – 78 15 Nader Bagherzadeh(2005) “Mobile Software Defined Radio Solution Using High-Perormance, Low-Power Reconfigurable DSP Architecture” Proceeding of the SDR 05 Technical Conference and Product Exposition, (SDR Forum) 16 Paul Burns ( 2003), Software Defined Radio for 3G, Artech House Boston, London 17 SDR Forum – www.sdrforum.org 18 Shin, C Heath (2002), “Blind Channel Estimation for MIMO-OFDM Systems”, Vehicular Technology, IEEE Transactions on, volum 56 no2 pp 670-685 19 Tony J Rouphael(2009), RF and Digital Signal Processing for SoftwareDefined Radio, Newnes 20 WalterTuttlebee (2002), Software Defined Radio Enabling Technologies, Johnwiley&Son 21 WalterTuttlebee(2007), Software Defined Radio The Software Communications Architecture, Johnwiley&Son ... cơng nghệ SDR truyền thơng di động hệ nhằm: + Có nhìn cụ thể cơng nghệ SDR + Hiểu rõ kiến trúc cách thức hoạt động công nghệ SDR + Khả tích hợp SDR với công nghệ 3.2 Đối tượng + Công nghệ SDR truyền. .. dụng lý thuyết truyền thông di động, công nghệ viễn thông, kỹ thuật xử lý tín hiệu sở tốn học Cơ sở thực tiễn: Tìm hiểu phân tích thực trạng cơng nghệ truyền thông di động nước ta giới Đề xuất... dụng công nghệ SDR cho truyền thông di động hệ Kết cấu luận văn Luận văn trình bày thành bốn chương: Chương 1: Tổng quan tình hình thơng tin di động Chương 2: Các công nghệ ứng dụng mạng di động