Đang tải... (xem toàn văn)
Các hệ thống đa truy nhập: a) các đầu cuối mặt đất và bộ phát đáp, b) các trạm di động và các trạm gốc... Kết hợp ba dạng đa truy nhập cơ sở thành các dạng đa truy nhập lai ghép[r]
(1)HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
LÝ THUYẾT TRẢI PHỔ
VÀ ĐA TRUY NHẬP VÔ TUYẾN
(Dùng cho sinh viên hệ đào tạo đại học từ xa)
Lưu hành nội bộ
(2)HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG
LÝ THUYẾT TRẢI PHỔ
VÀ ĐA TRUY NHẬP VÔ TUYẾN
(3)Lời nói đầu
i
LỜI NĨI ĐẦU
Các cơng nghệ đa truy nhập tảng hệ thống thông tin đa truy nhập vơ tuyến nói chung thơng tin di động nói riêng Các cơng nghệ cho phép hệ thống đa truy nhập vô tuyến phân bổ tài nguyên vô tuyến cách hiệu suất cho người sử dụng Tuỳ thuộc vào việc sử dụng tài nguyên vô tuyến để phân bổ cho người sử dụng mà công nghệ phân chia thành: đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA), đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA), đa truy nhập phân chia theo mà (CDMA) đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA) Các hệ thống thông tin di động sử dụng kết hợp bốn công nghệđa truy nhập để phân bổ hiệu tài nguyên cho người sử dụng Công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã với nhiều ưu việt so với công nghệ khác nên ngày trở thành cơng nghệđa truy nhập
Công nghệđa truy nhập CDMA xây dựng sở kỹ thuật trải phổ Kỹ thuật trải phổđã nghiên cứu áp dụng quân từ năm 1930, nhiên gần kỹ thuật nghiên cứu áp dụng thành công hệ thống tin vô tuyến tổ ong Các phần tử hệ thống trải phổ chuỗi giả ngẫu nhiên Có thể coi Sol Golomb người dành nhiều nghiên cứu toán học cho vấn đề cơng trình ơng vào năm 1950 Ý niệm đa truy nhập trải phổ phân chia theo mã (SSCDMA: Spread Spectrum Code Division Multiple Access) R.Price P.E.Green trình bầy báo năm 1958 Vào đầu năm 1970 nhiều báo hệ
thống thơng tin CDMA có thểđạt dung lượng cao hệ thống thông tin đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA: Time Division Multiple Access).Các hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp xây dựng vào năm 1950 Thí dụ hệ thống là: ARC-50 Magnavox hệ thống thông tin vô tuyến vệ tinh OM-55, USC-28 Trong báo (năm 1966) tác giả J.W.Schwartz, W.J.M.Aein J Kaiser người so sánh kỹ thuật đa truy nhập FDMA, TDMA CDMA Các thí dụ khác hệ thống quân sử dụng công nghệ CDMA vệ tinh thông tin chiến thuật TATS hệ thống định vị toàn cầu GPS Ở Mỹ vấn đề cạn kiệt dung lượng thông tin di động nẩy sinh từ năm 1980 Tình trạng tạo hội cho nhà nghiên cứu Mỹ tìm phương án thơng tin di động số mớí Để tìm kiếm hệ thống thống tin di động số người ta nghiên cứu công nghệđa thâm nhập phân chia theo mã sở trải phổ (CDMA) Được thành lập vào năm 1985, Qualcom, sau gọi "Thơng tin Qualcom" (Qualcom Communications) phát triển công nghệ
CDMA cho thông tin di động nhận nhiều phát minh lĩnh vực Lúc đầu cơng nghệ đón nhận cách dè dặt quan niệm truyền thống vơ tuyến thọai địi hỏi kênh vô tuyến riêng Đến công nghệ trở thành công nghệ thống trịở Bắc Mỹ tảng thông tin di động hệ ba Qualcom đưa phiên CDMA
đầu tiên gọi IS-95A Hiện phiên IS-2000 W-CDMA đưa cho hệ thống thông tin di động thứ
(4)Lời nói đầu
Star sử dụng 48 vệ tinh, Hệ thống thơng tin di động vệ tinh quỹđạo trung bình (MEO: Medium Earth Orbit) TRW sử dụng 12 vệ tinh
Một hạn chế hệ thống CDMA hiệu chúng phụ thuộc vào nhiễu người sử dụng tần số, MUI (Multi user Interference) Đây lý dẫn đến giảm dung lượng đòi hỏi phải điều khiển công suất nhanh Các máy thu liên kết đa người sử dụng (MUD: Multi User Detector) cho phép hệ thống CDMA dần khắc phục
được nhược điểm cho phép CDMA tỏ rõ ưu điểm vượt trội
Gần số công nghệđa truy nhập như: đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA: Orthogonal Frequency Division Multiple Access) CDMA đa sóng mang (MC CDMA: Multicarrier CDMA) trở thành đề tài nghiên cứu nhiều trường đại học phịng thí nghiệm giới Đây phương pháp đa truy nhập đầy triển vọng Điều chế OFDM sởđể xây dựng OFDMA công nhận tiêu chuẩn cho WLAN 802.11 HIPERLAN Trong tương lai hai công nghệđa truy nhập tìm ứng dụng hệ thống thông tin đa truy nhập vô tuyến băng rộng đa phương tiện di
động hệ sau
Tài liệu bao gồm giảng môn học "Lý thuyết trải phổ đa truy nhập vô tuyến"
được biên soạn theo chương trình đại học cơng nghệ viễn thơng Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng Mục đích tài liệu cung cấp cho sinh viên kiến thức
các phương pháp đa truy nhập vô tuyến lý thuyết trải phổ để tiếp cận cơng nghệ
thông tin vô tuyến di động phát triển nhanh
Tài liệu xây dựng sở sinh viên học mơn: Anten truyền sóng, Truyền dẫn vơ tuuến số Tài liệu sởđể sinh viên học môn học: Thông tin di động, Thông tin vệ tinh Hệ thống thông tin đa truy nhập vô tuyến khác WLAN
Do hạn chế thời lượng nên tài liệu bao gồm phần liên quan đến kiến thức sở lý thuyết trải phổ đa truy nhập Tuy nhiên học kỹ tài liệu sinh viên hồn chỉnh thêm kiến thức cuả mơn học cách đọc tài liệu tham khảo dẫn cuối tài liệu
Tài liệu chia làm sáu chương Được kết cấu hợp lý để sinh viên tự học Mỗi chương có phần giới thiệu chung, nội dung, tổng kết, câu hỏi vài tập Cuối tài liệu
đáp án cho tập
Người biên soạn: TS Nguyễn Phạm Anh Dũng
(5)Chương Tổng quan phương pháp đa truy nhập vô tuyến
1 CHƯƠNG
TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐA TRUY NHẬP VÔ TUYẾNVÀ KỸ THUẬT TRẢI PHỔ
1.1 GIỚI THIỆU CHUNG
1.1.1 Các chủđềđược 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
• Hiẻu 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
(6)Chương Tổng quan phương pháp đa truy nhập vơ tuyến
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 trạm đầu cuối hệ thống thông 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 thông tin vệ tinh Do vai trị trạm gốc thơng 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 vô 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)
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
(7)Chương Tổng quan phương pháp đa truy nhập vô tuyến
3
Nguyên lý ba phương pháp đa truy nhập cho hình 1.2 Mỗi kênh người sử dụng vô tuyến hệ thống vô tuyến tổ ong mặt đất hay tram đầu cuối hệ thống thơng 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 có thểđược 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 pháy 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 số 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
được 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 chỉđược 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 không gian lương sóng mang Năng lương sóng mang kênh hay nguồn phát khác phân bổ hợp lý không gian để
chúng không gây nhiễu cho Vì kênh hay nguồn phát sử dụng không gian
(8)Chương Tổng quan phương pháp đa truy nhập vô tuyến t t t N
Tần số
Thời gian Trạm gốc
FDMA t t t N N
Trạm gốc
TDMA
Thời gian Tần số
1 2 N
FDMA TDMA B N B N
Trạm gốc N Mã f t Mã f t N Mã Tần số
CDMA Thời gian
CDMA f f f f f N f a) b) c)
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)
1 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
(9)Chương Tổng quan phương pháp đa truy nhập vô tuyến
5
2. 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
TDMA
Chu kỳ khung
B (băng thông hệ thống)
Tần số
Thời gian Mặt phẳng
chiếm kênh thời
gian-tần số Phân chia theo tần
số/mã (FD/CDMA) Phân chia theo tsố/thờì gian/mãần (FD/TD/CDMA)
Phân chia theo tần số/thời gian (FD/TDMA)
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
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
được 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
(10)Chương Tổng quan phương pháp đa truy nhập vơ tuyến
Hình 1.4 FDMA nhiễu giao thoa kênh lân cận
Đểđảm bảo thông 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 mô tảở hình 1.5 Trong phương pháp băng tần dành cho hệ thống chia thành hai nửa: nửa thấp (Lower Half Band) nửa 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 sốở nửa băng thấp nửa băng cao có sốđược gọi cặp tần số
thu phát hay song công, tần số sẽđược sử dụng cho máy phát tần sốđược 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 (Δx), khoảng cách phải chọn đủ lớn đểđối với 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 sốở băng tần thấp tần sốở băng tần cao đểđảm bảo thu phát song công Thông thường ởđường phát từ trạm gốc (hay phát đáp) xuống trạm đầu cuối (thu trạm đầu cuối) gọi đường xuống, đường phát
đi từ trạm đầu cuối đến trạm gốc (hay trạm phát đáp) gọi đường lên Khoảng cách hai tần sốđường xuống đường lên ∆Y thấy hình vẽ Trong thông 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 thơng tin vệ tinh tuỳ
thuộc vào hệ thống, tần sốđường xuống thấp cao tần sốđường lên, chẳng hạn