LUẬN VĂN "CÔNG NGHỆ OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT"

Chia sẻ: Vu Son | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:78

Thêm vào BST

Báo xấu

455
lượt xem 217
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Kể từ khi được triển khai vào những năm đầu của thập niên 1980 cho đến nay.Thông tin vô tuyên di động đã và đang phát triễn với tốc độ hết sức nhanh chóng trên phạm vi toàn cầu .Kết quả thống kê cho thấy ở một số quốc gia ,số luợng thuê bao di động đã vượt hẳn số lượng thuê bao cố định.Trong tương lai .số luợng thuê bao di động và cố định sẽ tiếp tục tăng lên và song song với nó là sự gia tăng về nhu cầu của người sử dụng ....

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: LUẬN VĂN "CÔNG NGHỆ OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT"

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP.HCM KHOA ÑIEÄN – ÑIEÄN TÖÛ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI : CÔNG NGHỆ OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT GVHD:Th.s Nguyễn Hùng Kim Khánh SVTH: PHẠM QUỐC HÙNG MSSV: 98ĐT135 487TP. HCM 8 – 2003
PHẦN 1 LÝ THUYẾT VỀ CÔNG NGHỆ OFDM CHƯƠNG 1 : KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 1.LỊCH SỬ PHÁT TRIỄN HỆ THỐNG CELLULAR Kể từ khi được triển khai vào những năm đầu của thập niên 1980 cho đến nay.Thông tin vô tuyên di động đã và đang phát triễn với tốc độ hết sức nhanh chóng trên phạm vi toàn cầu .Kết quả thống kê cho thấy ở một số quốc gia ,số luợng thuê bao di động đã vượt hẳn số lượng thuê bao cố định.Trong tương lai .số luợng thuê bao di động và cố định sẽ tiếp tục tăng lên và song song với nó là sự gia tăng về nhu cầu của người sử dụng .Điều này đã khiến các nhà khai thác cũng như các tổ chứ viễn thông không ngừng nghiên cứu ,cải tiến và đưa ra các giải pháp kỹ thuật,để cài tiến và nâng cấp các hệ thống thông tin .Cho đến nay hệ thống thông ti đã trải qua 3 thế hệ (Three Generations). 1.1 HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ 1 (1G) 1.1.a Đặc điểm Hệ thống mạng di động thế hệ thứ nhất (1G) được phát triễn vào những năm cuối thập niên 70 ,hệ thống này sử dụng kỹ thuật ( analog ).Tất cả các hệ thống 1G sử dụng phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA ( Frequency Division Multiple Access). Các hệ thống mạng di động 1G chỉ được dùng để sử dụng cho dịch vụ thoại với chất lượng khá thấp nguyên do tình trạng nghẽn mạch và nhiễu xảy ra thường xuyên . 1.1.b Các hệ thống mạng 1G Các hệ thống mạng di động 1G bao gồm các hệ thống : • AMPS(Advaced Mobile Phone System) • ETACTS(Enhanced Total Access Cellular System)-Châu Âu • NMT(Nordic Mobile Telephone System) Bắc Âu . 1.2 HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ 2 (2G) 1.2.a Đặc điểm Hệ thống mạng 2G được triển khai vào năm 1990 và hiện nay vẫn được sử dụng rộng rãi .Là một mạng thông tin di động số băng hẹp ,sử dụng phương pháp chuyển mạch –mạch (circuit switching) là chủ yếu .Phương pháp đa truy cập TDMA (Time Division Multiple Access) và CDMA (Code Division Multiple Access) được sử dụng kết hợp FDMA. Hệ thống mạng di động 2G sử dung cho dịch vụ thoại và truyền số liệu. 1.2.b Các hệ thống mạng di động 2G Hệ thống mạng 2G bao gồm các hệ thống : • PCS (Personal Communication System). PCS là hệ thống truyền dẫn ở tần số 1900MHz.Ưu đỉểm của điện thoại PCS là nhỏ ,trọng lượng nhẹ ,bảo mật tốt và thời gian Pin chờ lâu . • TDMA(Time Division Multiple Access)
TDMA là mạng di động sử dụng kỹ thuật điều chế số phát triễn từ mạng 1G AMPS ,tăng dung lượng mạng bằng cách cho phép nhiều người dùng chung một kênh vô tuyến mà vẫn bảo đảm chất lượng thoại .Điện thoại TDMA có thể hoạt động ở 2 chế độ : analog và digital .Trong thông tin TDMA thỉ nhiều người sử dụng một sóng mang và trục thời gian được chia thành nhiều khoảng thời gian nhỏ để dành cho nhiều người sử dụng sao cho không có sự chồng chéo . TDMA được chia thành TDMA băng rộng và TDMA băng hẹp còn Châu âu TDMA băng rộng nhưng cả hai hệ thống đều có thể được coi như tổ hợp FDMA và TDMA vì người sử dụng thực tế dùng các kênh được ấn định cả về tần số và các khe thời gian trong băng tần . Ngày nay , TDMA là chuẩn được sử dụng phổ biến ở Mỹ ,Châu Mỹ Latin ,New Zealand và một số quốc gia thuộc khu vực Châu Á,Thái Bình Dương. • CDMA (Code Division Multiple Access) Mạng CDMA đuợc triển khai năm 1995 .Tương tự như TDMA ,mạng CDMA cũng phục vụ đồng thời ở hai chế độ :tương tự và số . Điểm khác biệt TDMA và CDMA : Các kênh CDMA rộng hơn khoảng 6 lần và hệ thống cấp cho mỗi thuê bao một mã duy nhất. • GSM(Global System for Mobile Communication) Hệ thống GSM ra đời năm 1988 sử dụng kết hợp hai phương pháp đa truy nhập theo thời gian TDMA và theo tần số FDMA ,nhờ đó tại một thời điểm có 8 thuê bao có thể sử dụng chung một kênh .GSM sử dụng cho dịch vụ truyền thoại và fax với tốc độ 9600 bit/s. Điện thoại GSM sử dụng một SIM-Card (Subcriber Indentify Module ) Rời lưu trữ số điện thoại ,thông tin và tài khoản thuê bao . GSM 900 Mhz là mạng số chủ yếu ở Châu Âu và cũng được sử dụng ở các quốc gia Châu á Thái Bình Dương .GSM 1800 cũng được triển khai ở Châu Âu và Châu Á nhưng không phổ biến như hệ thống GSM 900MHz ,hệ thống GSM 1800 được sử dụng phổ biến ở Châu Mỹ và Cannada . 1.3 HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ 2.5 (2.5G) 1.3.a Đặc điểm Hệ thống mạng 2.5G là mạng chuyển tiếp giữa hệ thống mạng di động thế hệ thứ 2 (2G) và thứ 3 (3G).Hệ thống hoàn toàn dựa trên cơ chế chuyển mạch gói .Ưu điểm củ hệ thống di động 2.5G là tiết kiệm được không gian và tăng tốc độ truyền dẫn . Nâng cấp hệ thống mạng 2G lên 2.5G nhanh hơn và có chi phí thấp hơn so với việc nâng cấp mạng từ 2G lên 3G .Hệ thống 2.5G như một bước đệm chuyển tiếp ,không đòi hỏi môt sự thay đổi có tính chất đột biến. 1.3.b Các hệ thống mạng 2.5G
• GPRS(Generic Packet Radio Services ) GPRS là một hệ thống mới ,đuợc triển khai trên nền của hệ thống GSM sử dụng phương thức chuyển mạch gói và nhờ đó cước phí sử dụng được tính dựa trên từng gói nhận ,gởi đi ,khác hẳn và có lợi hơn cho thuê bao so với cách tính cước dựa trên thời gian kết nối .GPRS có thể được xem như là sự mở rộng của hệ thống di động thế hệ thứ 2G GSM , có khả năng cung cấp các kết nối ảo ,các dịch vụ truyền số liệu với tốc độ lên đến 171.2Kbps cho mỗi user nhờ vào việc sử dụng đồng thời nhiều timeslot .Bên cạnh mục đích cung cấp những số liệu mới cho các thuê bao di động ,GPRS còn được xem như là bước chuyển tiếp từ thế hệ 2G lên 3G. Với việc xây dựng hệ thống GPRS ,các nhà khai thác đã xây dựng một cấu trúc mạng lõi dựa trên IP để hỗ trợ cho các ứng dụng về số liệu ,cũng như đã tạo ra một môi trường để thử nghiệm và khai thác các dịch vụ tích hợp giữa thoại và số liệu của thế hệ của thế hệ 3G sau này . Trong hệ thống GSM tập trung hỗ trợ cho các kết nối thoại thì mục đích chính của GPRS là cung cấp phương tiện truy cập vào các mạng số liệu chuẩn như TCP/IP . • EDGE (Enhanced Data Rate for Global Evolution) Mạng EDGE được xây dựng dựa trên nền tảng của mạng GSM nhưng lại cung cấp gần đạt đến các chuẩn dành cho 3G ,tốc độ xấp xỉ 384 Kbps. 1.4 HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ 3 (3G) 1.4.a Đặc điểm Là thế hệ thông tin di động số cho phép chuyển mạng bất kỳ ,có khả năng truyền thông đa phương tiện chất lượng cao. Các hệ thống 3G được xây dựng trên cơ sở CDMA hoặc CDMA kết hợp với TDMA ,có khả năng cung cấp một băng tần rộng theo yêu cầu ,do đó có thể hỗ trợ các dịch vụ có nhiều tốc độ khác nhau. Ở thế hệ thứ 3 ,các hệ thống thông tin di động có xu thế hoà nhập thành một tiêu chuẩn chung duy nhất và phục vụ lên đến 2Mbps.Mặc dù 3G được tính toán sẽ là một chuẩn mang tính toàn cầu nhưng chi phí xây dựng cơ sở hạ tầng cho hệ thống này rất tốn kém. 1.4.b Các hệ thống mạng 3G • WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) WCDMA hay còn gọi IMT-2000 là môt chuẩn của ITU( International Telecommunication Union) có nguồn gốc từ chuẩn CDMA. Công nghệ WCDMA cho phép tốc độ truyền dữ liệu đến các thiết bị di động cao hơn nhiều so với khả năng của mạng di động hiện nay.WCDMA WCDMA có thể hỗ trợ việc truyền thoại ,hình ảnh dữ liệu video ..có tốc độ lên đến 2Mbps.
• UMTS (Universal Mobile Telecommunication System). UMTS là một mạng thế hệ thứ 3 được triển khai ở Châu Âu .Mạng này cung cấp cung cấp cho người sử dụng các dịch vụ hoạt động ở tần số 2GHz ,cho phép hình ảnh âm thanh,video ,truyền hình ….hiển thị trên các máy điện thoại di động. UMTS được xem là một hệ thống mạng cải tiến từ mạng 2G GSM . 2.CẤU HÌNH HỆ THỐNG CELLULAR Hệ thống thông tin di động Cellular gồm ba phần chính cơ bản : là các máy điện thoại di động MS(Mobile Station); Trạm gốc BS(Base Station ) và trung tâm chuyển mạch điện thoại di động MSC(Mobile Service Switching Center).Các phần này được liên kết với nhau qua đường kết nối thoại và số liệu . • Máy điện thoại di động MS bao gồm : các bộ thu /phát RF ; anten và bộ điều khiển . • Trạm gốc BS bao gồm các bộ thu phát RF để kết nối máy di động MS với MSC ;anten;bộ điều khiển ;đầu cuối số liệu và nguồn . • Trung tâm chuyển mạch MSC bao gồm bộ phận điều khiển ;bộ phận kết nối cuộc gọi ;các thiết bị ngoại vi và cung cấp các chức năng thu nhập số liệu cước đối với các cuộc gọi đã hoàn thành . MSC xử lý các cuộc gọi đi và đến từ mỗi BS,cung cấp các chức năng điều khiền trung tâm cho hoạt động của các BS một cách hiệu quả và để truy cập vào tổng đài của mạng điện thoại công cộng . Các máy điện thoại di động MS,trạm gốc BS và tổng đài MSC được liên kết với nhau thông qua các đường kết nối thoại và số liệu .Mỗi máy di động sử dụng một cặp kênh thu phát RF .Vì các kênh lưu lượng không cố định ở một kênh RF nào mà luôn thay đổi thành các tần số RF khác nhau phụ thuộc vào sự di chuyển của máy di động trong suốt cuộc gọi nên cuộc gọi đó có thể thiết lập qua bất cứ một kênh nào đã được xác định trong vùng đó .Cũng từ những quan điểm về hệ thống thông tin di động mà thấy rằng tất cả các kênh đã được xác định đều có thể bận do đã được kết nối đồng thời với các máy di động .Bộ phận điều khiển trung tâm chuyển mạch MSC sẽ điều khiển ,sắp đặt và quản lý toàn bộ hệ thống thông tin Cellular. Tổng đài Cellular kết nối các đường đàm thoại để thiết lập cuộc gọi giữa các thuê bao di động MS với nhau hoặc giữa các thuê bao cố định với các thuê bao di động và làm nhiệm vụ trao đổi các thông tin báo hiệu đa dạng qua đường số liệu giữa MSC và BS . Các thông tin thoại và báo hiệu giữa máy di động MS va trạm gốc BS được truyền qua kênh RF.Các đường kết nối thoại và số liệu cố định được sử dụng để truyền các thông tin thoại và báo hiệu giữa BS và MSC.
CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN SÓNG 2.1 TẦN SỐ VÀ ĐẶT TÍNH SÓNG VÔ TUYẾN Đối với ,Đường truyền tín hiệu vô tuyến lý tưởng, thì tín hiệu nhận chỉ bao gồm các đường truyền tính hiệu đơn trực tiếp ,tín hiệu nhận sẽ được tái tạo hoàn chỉnh như ban đầu.Tuy nhiên trên thực tế tín hiệu sẽ bị thay đổi trong suốt quá trình truyền .Điều này thể hiện ở chỗ,tín hiệu nhận được bao gồm các tín hiệu suy giảm ,phản xạ và tán xạ từ các đối tượng ở gần như đồi núi,cao ốc ,nhà cửa,xe cộ..v…v.. 2.2 PHÂN LOẠI TRUYỀN SÓNG 2.2.1 KHÔNG GIAN TỰ DO Công suất tín hiệu sẽ bị suy giảm khi truyền từ một nơi này đến một nơi khác.Điều này là do chiều dài của đường truyền ,sự tắc nghẽn của đường truyền và những ảnh hưởng đa đường (Multipath effects) .Bất cứ vật nào mà nó chắn đường truyền thẳng (line of sight) từ nơi truyền đến nơi nhận thì nó cũng bị suy giảm. Các tín hiệu phản xạ bị trễ cho đến anten so với tính hiệu trực tiếp.Có thể tránh một số phản xạ bằng cách dùng anten tốt nhưng không phải lúc nào điều này cũng có thể thực hiện được do giá cả anten ,do phải điểu chỉnh hướng anten.... Đặc trưng của fading chọn lọc tần số là cường độ tín hiệu ở một vài tần số thì được tăng cường trong khi ở một số khác thì bị suy giảm .Ta thấy đáp tuyến thay đổi theo cả thời gian và tần số .Suy giảm chọn lọc đuợc thể hiện rõ ràng .Khi máy thu và tất cả các đối tựợng gây phản xạ là cố định thì đáp tuyến tần số hiệu dụng của kênh truyền từ máy phát tới máy thu là cố định . Nếu tín hiệu có ích có dải thông tương đối hẹp và lại rơi vào phần băng tần có suy giản đáng kể thì ở đó sẽ có fading phẳng và việc thu sẽ bị suy giảm .Khi
xem xét tín hiệu có giải thông lớn hơn thì một phần tín hiệu sẽ chịu giao thoa cấu trúc và bị suy giảm đôi khi tới mức không thu được .Nhìn chung nếu tín hiệu có giải thông càng rộng ,lớn hơn dải thông tương quan thì nó chịu nhiều sai lệch truyền ,nhưng công suất thu được toàn phần sẽ thay đổi ít hơn , thậm chí nếu có những suy giảm đáng kể do truyền lan nhiều đường.Ở đây dải thông tương quan là khoảng cách tần số mà cường độ của các thành phần tín hiệu vẫn còn tương quan bởi một hệ số nào đó. 2.2.2 VÙNG TỐI VÀ FADING CHẬM Độ lớn vùng tối phụ thuộc vào kích thước của các đối tượng che khuất ,cấu trúc vật liệu và tần số tín hiệu RF .Hầu hết các vật liệu là trong suốt cao ở tần số RF so với ánh sáng nhìn thấy,làm cho sự truyền lan không tầm nhìn thẳng NLOS(Non-line of sight) là có thể.Tuy nhiên vẫn có nhiều vật liệu có ảnh hưởng đáng kể tới sự lan truyền sóng RF ,ví dụ các tòa nhà ,đồi cao hấp thụ RF đi qua nó ,tạo vùng tối chiều sâu ở đằng sau chúng . Trong nhung điều kiện như vậy hầu hết năng lượng thu được là do phản xạ hoặc nhiễu xạ chung quanh đối tượng chứ không phải là do tia tới trực tiếp . Nhiễu xạ xảy ra ở mép các đối tượng chướng ngại trên đường truyền .Ở mép nhiễu xạ,tín hiệu phát xạ lại như mặt đầu sóng bắt nguồn từ mép nhiễu xạ .Điều này làm cho nó uốn cong một phần quanh đối tượng .Nhiễu xạ không có ảnh hưởng đáng kể đến vùng tối của ánh sáng nhìn thấy vì bước sóng ánh sáng nhỏ (0.4µm-0.7µm) so với kích thước đối tượng (0.1-10m). Tín hiệu thu được là tổ hợp của tín hiệu trực tiếp ,tín hiệu phản xạ và tín hiệu nhiễu xạ .Giá trị công suất thu được là tổng hợp thành các nhánh tín hiệu này .Sự chuyển động của máy thu ,máy phát hoặc đối tượng trong môi trường sẽ dẫn đến sự thay đổi tổn hao truyền lan do sự thay đổi nhánh truyền .Do bản chất thay đổi chậm ,nhìn chung chúng được coi như fadinh chậm. 2.2.3 VÙNG FADING RAYLEIGH Trong các đường truyền vô tuyến ,tín hiệu RF từ nơi truyền sẽ bị phản xạ bởi nhà cửa ,xe cộ…..Điều này sẽ lảm tăng bội số đường truyền tại máy thu.Nếu giữa anten phát và anten thu không có đường truyền tầm nhìn thẳng thì tia phát được thu bằng nhiều đường truyền sóng khác nhau do phản xạ ,nhiễu xạ ,tán xạ.Do vậy điện trường tổng hợp thu được lớn hơn nhiều so với tia tương tự truyền trong không gian tự do .Ngoài ra ,các thăng gián tức thời của điện trường thu được phức tạp hơn so với tương tác hai tia do nhiễu từ nhiều đường truyền sóng.Hiện tượng này gọi là Fading Rayleigh. Thậm chí ,điện trường thu trung bình đối với trường hợp dịch chuyển trong khoảng ngắn (khoảng 50m) cũng thăng gián đáng kể do cấu hìng đường truyền sóng thay đổi khi trạm di động di chuyển. Nếu trong đường truyền sóng có nhiều phần tử thăng gián phức tạp thì hầu như không tính được điện trường thu một cách chính xác từ cấu hình đường truyền.Trong một đường truyền như vậy ,việc đánh giá điện trường thu thường được thực hiện bằng phương pháp thống kê.
Trong đường truyền sóng mặt đất vd như đối với điện thoại trên ôtô –phần lớn các đường truyền có nhiều phần tử thăng gián phức tạp ,vì vậy điện trường thu được của trạm di động và trạm gốc được đánh giá bằng phương pháp sử dụng nhiều kết quả đã đánh giá và sắp xếp theo thống kê. 2.3 ĐẶC ĐIỂM CỦA TRUYỀN SÓNG DI ĐỘNG MẶT ĐẤT 2.3.1 TRUYỀN SÓNG MẶT ĐẤT PHẲNG
CHƯƠNG 3 : LỊCH SỬ PHÁT TRIỄN CỦA CÔNG NGHỆ OFDM 3.1 CUỘC CÁCH MẠNG CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN Hệ thống thông tin di động thương mại được đưa vào ứng dụng tại Mỹ năm 1946 ,sử dụng băng tần 150MHz ,với khoảng cách kênh là 60KHz và số lượng kênh bị hạn chế là 3 kênh .Đó là hệ thống bán song công (người bên này không thể nói trong khi người kia đang nói và cuộc thoại được kết nối bằng nhân công ). Sau khi cải tiến ,hệ thống IMTS MJ bao gồm 11 kênh ở băng tần 150Mhz và hệ thống ITMS MK bao gồm 12 kênh ở băng tần 459Mhz đã được sử dụng vào năm 1969 .Đây là hệ thống song công ,trong đó một trạm gốc BS có thể phục vụ cho vùng bán kính rộng đến 80km. Cho đến nay ,công nghệ thông tin vô tuyến đã có những phát triễn vượt bậc trong những năm gần đây .Hầu hết các hệ thống WLAN hiện nay dùng theo chuẩn IEEE802.11b,cung cấp tốc độ dữ liệu cực đại 11Mbps .Các tiêu chuẩn WLAN mới như IEEE802.11a và HyperLAN2 dựa trên công nghệ OFDM cung cấp tốc độ dữ liệu tới 54Mbps .Tuy nhiên trong tương lai gần các hệ thống sẽ yêu cầu các mạng WLAN có tốc độ dữ liệu lớn hơn 100Mbps .Do vậy cần phải cải thiện hơn nữa hiệu quả phổ và dung lượng dữ liệu của các hệ thống OFDM trong các ứng dụng WLAN . Mạng di động thế hệ thứ ba và bốn là cung cấp cho khách hàng tốc độ dữ liệu cao ,phạm vi dịch vụ lớn như thông tin thoại ,điện thoại truyền hình(videophone) và truy cập internet với tốc độ cao .Tốc độ dữ liệu cao các mạng di động tương lai có thể được thực hiện nhờ tăng giá phổ phân phối cho các dịch vụ và bằng việc cải thiện hiệu quả phổ .OFDM là một ứng cử viên tiềm năng của hệ thống mobile thế hệ thứ tư. 3.2 CÁC CÔNG NGHỆ ĐA TRUY CẬP 3.2.1 FDMA (Frequency Division Multiple Access) Công nghệ FDMA được sử dụng lần đầu tiên trong các hệ thống thông tin tương tự .Trong kỹ thuật này ,băng tần tổng được phân chia thành nhiều băng tần nhỏ .Mỗi thuê bao MS được phép truyền liên tục theo thời gian trên một băng tần nhỏ đã được cấp phát cho MS đó ,do đó sẽ không bị trùng .Mỗi băng tần bao gồm băng tần tối thiểu cho việc truyền dữ liệu và hai dãi tần phòng vệ hai bên để chống nhiễu xuyên kênh . Đặc điểm của FDMA là thuê bao MS sẽ được cấp phát một kêng đôi liên lạc suốt thời gian thông tuyến .Nhiễu giao thoa do tần số các kênh lân cận nhau là đáng kế .Trạm gốc BS phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi thuê bao MS trong hệ thống di động 3.2.2 TDMA (Time Division Multiple Access) Hệ thống thông tin di động TDMA được phát triễn trên nền FDMA .Ứng dụng kỹ thuật nén số đối với thoại để mỗi thuê bao trong hệ thống đều có thể truy cập toàn bộ băng tần vô tuyến của hệ thống ở các khe thời gian
khác nhau .Mỗi thuê bao được cấp một khe thời gian trong cấu trúc khung .Khoảng thời gian không sử dụng giữa các khe lân cận là thời gian bào vệ để giảm nhiễu. Trong hệ thống Cellular ,phổ tần được chia thành các dải tần liên lạc trong khe thời gian của nó để truyền thông tin dữ liệu .Nếu phổ tần có sẵn được chia thành nhiều dải tần liên lạc cho các nhóm thuê bao riêng biệt thì gọi là TDMA băng hẹp .Còn nếu phổ tần cho phép đều được sử dụng cho mọi thuê bao thì gọi là phương pháp TDMA băng rộng . Khuyết điểm của kỹ thuật TDMA là hiện tượng trễ truyền dẫn gây ra sự trùng chập tín hiệu giữa hai khe thời gian lân cận nếu thời gian bảo vệ của mỗi khe không đủ .Lý thuyết đã chứng minh giả sử bán kính Cell là R thì thời gian trễ là Ttrễ =2R/C .Để tránh chồng chập tín hiệu thì khoảng thời gian bảo vệ tối thiểu của mỗi khe thời gian phải là Gmin=2R/C ,nhưng điều này sẽ làm giảm dung lượng kênh .Để dung lượng kênh không bị giảm thì có thể sử dụng phương pháp thứ hai là không có thời gian bảo vệ mà thay thế bằng cách điều chỉnh định thời phát củ thuê bao MS .Tuy nhiên khi đó cần phải xác định khoảng cách MS –BS và điều chỉnh định thời thích ứng .Vì vậy ,cần phải tùy theo đặc điểm từng hệ thống mà lựa chọn phương pháp thích hợp . Hệ thống TDMA điển hình là GSM (Global System for Mobile ) 3.2.3 CDMA (Code division Multiple Access) Sự phát triễn của công nghệ CDMA bắt đầu năm 1989 ,sau khi tiêu chuẩn NA-TDMA (IS-54) được thiết lập . Trong hệ thống thông tin di động CDMA ,nhiều thuê bao MS sử dụng chung cùng một băng tần Cell ,nhưng được phân biệt với nhau theo các mã khác nhau .Các thuê bao có thể thực hiện cuộc gọi đồng thời mà không gây nhiễu nhờ tính không tương quan giữa các mã khác nhau đó .Mỗi thuê bao di động MS được gán một mã riêng và kỹ thuật trải phổ tín hiệu sẽ giúp cho các MS không gây nhiễu lẫn nhau mặc dù có thể cùng một lúc dùng chung dãi tần số .Nếu muốn thu được tín hiệu của kênh truyền thì phải biết được mã của kênh đó. Đặc điểm của tín hiệu CDMA là sử dụng tín hiệu cao tần ,dãi tần rộng hảng MHz ,sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp .Kỹ thuật trãi phổ cho phép tín hiệu vô tuyến sử dụng có cường độ rất nhỏ và chống Fading hiệu quả hơn FDMA và TDMA .Việc thuê bao các MS trong Cell dùng chung tần số khiến cho thiết bị truyền dẫn vô tuyến đơn giản ,việc thay đổi kế hoạch tần số không còn là vấn đề và chuyển giao trở thành mềm.Điều khiển dung lượng trong Cell rất linh hoạt.Hệ thống CDMA cũng áp dụng kỹ thuật nén số như TDMA nhưng với tốc độ bit thay đổi theo tích cực thoại ,nên tín hiệu thoại có tốc độ bit trung bình nhỏ hơn . Hệ thống CDMA điển hình là IS-95 3.3 SỰ PHÁT TRIỄN CÔNG NGHỆ CDMA
Thế kỳ 20 là thời kỳ bùng nổ thông tin trên thế giới và cũng là thời kỳ đánh dấu sự ra đời của các kỹ thuật đa truy cập.Chúng ta đã từng nghe nói đến các kỹ thuật đa truy cập phân chia theo tần số FDMA với hệ thống AMPS ,kỹ thuật đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA với ứng dụng rộng rãi của mạng GSM .Có thể khi nge đến kỹ thuật trải phổ với ứng dụng rộng rãi của đa truy cập phân chia theo mã CDMA ,nhiều người lần tưởng đây là công nghệ mới ra đời sau này ,bởi nó chỉ được công nhận và ứng dụng rộng rãi trong thương mại vào giữa những năm 90 .Nhưng thực ra ,CDMA đặt trong bối cảnh lịch sử ,có nguồn gốc từ chiến tranh thế giới thứ hai .Tại Mỹ, vào năm 1940 ,một nữ diễn viên Hollywood đồng thời là nhà sáng chế tài năng George Antheil ,là một nhạc sĩ dương cầm ,khi chiến tranh thế giới lần hai sắp nổ ra ,đã đồng sáng chế ra một cách điều khiển ngư lôi bằng cách gửi tín hiệu vô tuyến ngẫu nhiên ,nhảy liên tục từ tần số này sang tần số khác để tráng khả năng bị gián đoạn .Ý tưởng này ,được biết đến như nhảy tần FH (Frequency Hopping) và sau đó là trải phổ nhảy tần (FH-SS ).Họ sáng chế ra hệ thống điều khiển nhảy tần đầu tiên dùng một mẫu tám mươi tần số ,bằng số phím chính xác trên cây đàn dương cầm .Mặc dù các nhà phát minh đã cố gắng miệt mài để thúc đẩy việc thực thi các kết quả nghiên cứu từ phòng thí nghiệm nhưng hải quân Mỹ đã loại bỏ xem như một giải pháp khộng khả thi . Phát minh này đã bị chìm vào quên lãng đến năm 1947 khi các kỹ sư tại phân viện hệ thống điện tử Sylvania tại Buffalo New York tiếp tục ý tưởng này .Họ đã dùng công nghệ này vào việc thông tin bảo mật cho Mỹ trong suốt cuộc khủng hoảng tên lửa Cuba vào năm 1962 .Sau khi trở thành công nghệ tuyệt mật cho toàn bộ chính quyền ,quân đội Mỹ vào những năm 80 đã tiết lộ bí mật về công nghệ mà bây giờ chúng ta được biết đến công nghệ CDMA. Công nghệ này đã sớm gây được sự chú ý của công nghệ Wireless mới phát triễn.Công nghệ CDMA kết hợp chặt chẽ với trải phổ ,hoạt động bởi việc số hoá các cuộc đối thoại kèm theo một mã chỉ được biết bởi nơi phát và nơi thu ,chia tín hiệu thành các bit và sau đó kết nối chúng lại .Công nghệ này rất được ưa dùng trong quân đội vì tín hiệu mã hoá với hàng triệu kết hợp khác nhau làm cho việc truyền rất an toàn . Công nghệ CDMA đã chứng minh tính hữu dụng rất cao trong mạng thông tin di động Cellular bởi nó cung cấp một phương pháp mã hoá rất an toàn cho mọi người sử dụng đồng thời đem lại chất lượng cuộc gọi có thể xem là tuyệt hảo so với hệ thống GSM là hệ thống thông tin di động chính được sử dụng tại nhiều nơi trên thế giới hiện nay .Công nghệ này đã chứng minh ưu thế nổi bật trong việc sử dụng phổ tần vô tuyến bởi nó cho phép nhiều người sử dụng cùng chia sẻ đồng thời một khoảng băng tần mà không gây can nhiễu lẫn nhau ,không như các công nghệ trước đây đòi hỏi cấp phát cho mỗi người sử dụng một tần số vô tuyến riêng . Lý thuyết về công nghệ CDMA đã được xây dựng từ những năm 1950 và được áp dụng trong thông tin quân sự từ những năm 1960 nhờ tín bảo mật cao .Cùng với sự phát triển củacông nghệ bán dẫn và lý thuyết thông tin trong những năm 1980 ,CDMA đã được thương mại hoá từ phương pháp thu GPS và Ommi-TRACS ,phương pháp này cũng đã được đề xuất trong hệ thống thôn tinh Cellular của Qualcomn –Mỹ năm 1990. Công nghệ CDMA là hệ thống đa truy cập phân chia theo mã và ứng dụng trong kỹ thuật trải phổ .Điều này khắc phục được những nhược điểm của hai
công nghệ FDMA và TDMA trước đó .Mặc dù công nghệ CDMA mới phát triễn gần đây nhưng sự phát triễn của nó rất nhanh chóng chỉ riêng địa bàn châu Mỹ và Châu Á- Thái Bình Dương ,đến cuối năm 1996 đã lắp đặt khoảng 11000 trạm gốc.Đặt biệt tại một số nước như Mỹ,Nhật đã đặt công nghệ viễn thông CDMA là hệ thống viễn thông thế hệ thứ 3. CHƯƠNG 4 : TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM A. NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA OFDM Ghép kênh theo tần số trực giao Orthogonal Frequency Division Multiplexing(OFDM) rất giống với ghép kênh theo tần số Frequency Division Multiplexing (FDM) truyền thống .OFDM sử dụng những nguyên lý của FDM để cho phép nhiều tin tức sẽ được gửi qua một kênh Radio đơn . Tuy nhiên nó cho phép hiệu quả phổ tốt hơn . OFDM khác với FDM nhiều điểm .Trong phát thanh thông thường mỗi đài phát thanh thruyền 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 như là DAB hoặc DVB-T ,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 tấn số với nhau ,cho phép kiểm soát tốt 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 (Inter- Carrier Interference (ICI)) do bản chất trực giao của điều
chế .Với FDM những tín hiệu truyền cần có khoản 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 . Tất cả các hệ thống truyền thông vô tuyến sử dụng sơ đồ điều chế để ánh xạ tín hiệu thông tin tạo thành dạng có thể truyền hiệu quả trên kênh thông tin.Một phạm vi rộng các sơ đồ điều chế đã được phát triễn, phụ thuộc vào tín hiệu thông tin là dạng sóng analog hoặc digital .Một số sơ đồ điều chế tương tự chung bao gồm :Điều chế tần số (FM ),điều chế biên độ (AM ) ,điều chế pha (PM) ,điều chế đơn biên (SSB), Vestigial Side Band (VSB),Double Side Band Suppressed Carrier (DSBSC) .Các sơ đồ điều chế sóng mang đơn chung cho thông tin số bao gồm khóa dịch biên độ (ASK) ,khóa dịch tần số (FSK) ,Khóa dịch pha (PSK) điều chế QAM . OFDM còn có tên gọi khác là “Điều chế đa sóng mang trực giao”(OMCM –dựa trên nguyên tắc phân chia luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp,truyền trên nhiều sóng mang trực giao nhau .Công nghệ này được trung tâm nghiên cứu CCETT(Centre Commun d’Étude en dédiffution et Télécomunication) của Pháp phát minh nghiên cứu từ đầu thập niên 1980. Phương pháp đa sóng mang dùng công nghệ OFDM sẽ trải dữ liệu cần truyền trên rất nhiều sóng mang ,mỗi sóng mang được điều chế riêng biệt với tốc độ bit thấp .Trong công nghệ FDM truyền thống những sóng mang được lọc ra riêng biệt để bảo đảm rằng không có chồng phổ ,bởi vậy không có hiện tượng giao thoa ký hiệu ISI giữa những sóng mang nhưng phổ lại chưa đuợc sử dụng với hiệu quả cao nhất .Với OFDM ,nếu khoảng cách sóng mang được chọn sao cho những sóng mang trực giao sao cho những sóng mang trực giao trong chu kỳ ký hiệu thì những tín hiệu có thể được khôi phục mà không giao thoa hay chồng phổ . 4.1. ĐA SÓNG MANG (MULTICARRIER )
Nếu truyền tính hiệu không phải bằng một sóng mang mà bằng nhiều sóng mang ,mỗi sóng mang tải một phần dữ liệu có ích và được trải đều trên cả băng thông thì khi chịu ảnh hưởng xấu của đáp tuyến kênh sẽ chỉ có một phần dữ liệu có ích bị mất ,trên cơ sở mà dữ liệu mà các sóng mang khác mang tải có thể khội phục dữ liệu có ích .Điều này tương đương khi ghép kênh theo tần số (FDM) .Do vậy ,khi dùng nhiều sóng mang có tốc độ bit thấp ,nhiều dữ liệu gốc sẽ được thu chính xác.Để hồi phục dữ liệu đã mất ,người ta dùng phương pháp sửa lỗi tiến (FEC-Forward Error Correction).Ở máy thu mỗi sóng mang được tách ra khi dùng các bộ lọc thông thường và giải điều chế.Tuy nhiên để không có can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) cần phải có khoảng bảo vệ khi hiệu quả phổ kém .
Khoảng bảo vệ Giải thông được tiết kiệm. Hình : FDM thông thường và OFDM Giải pháp khắc phục việc hiệu quả phổ kém khi có khoảng bảo vệ (GAURD PERIOD) là giảm khoảng cách các sóng mang và cho phép phổ của các sóng mang cạnh nhau trùng lắp nhau. Sự trùng lắp này là được phép nếu khoảng cách giữa các sóng mang được chọn chính xác .Khoảng cách này được chọn ứng với trường hợp các sóng mang trực giao với nhau . Đó là phương pháp ghép kênh theo tần số trực giao (OFDM). Thât ra ý tưởng của phương pháp này có từ giữa những năm 1980 .Nhưng do lúc đó còn hạn chế về mặt công nghệ (khó tạo ra các bộ điều chế và giải điều chế đa sóng mang giá thành thấp theo biến đổi nhanh Fourier(Inverse Fast Fourier Transform –IFFT) nên cho tới nay dựa trên những thành tựu của công nghệ mạch tích hợp .Phương pháp này mới được đưa vào thực tiễn . 4.2 SỰ TRỰC GIAO (ORTHOGONAL)
“ORTHOGONAL” chỉ ra rằng có một mối quan hệ toán học chính xác giữa các tần số của các sóng mang trong hệ thống OFDM .Trong hệ thống FDM thông thường ,nhiều sóng mang được cách nhau một khoảng phù hợp để tín hiệu thu có thể nhận lại bằng cách sử dụng các bộ lọc và các bộ giải điều chế thông thường.Trong các máy như vậy ,các khoảng bảo vệ cần được dự liệu trước giữa các sóng mang khác nhau và việc đưa vào các khoãng bảo vệ này làm giảm hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống . Tuy nhiên có thể sắp xếp các sóng mang trong OFDM 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 phài trực giao về mặt toán học .Máy thu hoạt động như các một bộ gồm các bộ giải điều chế ,dịch tần mỗi sóng mang xuống mức DC,tín hiệu nhận được lấy tích phân treên một chu kỳ của symbol để phục hồi dữ liệu gốc .Nếu tất cả các sóng mang khác đều được dịch xuống tần số tích phân của sóng mang này (trong một chu kỳ symbol τ),thì kết quả tính tích phân cho các sóng mang khác sẽ là zero .Do đó các sóng mang độc lập tuyến tính với nhau (trực giao) nếu khoảng cách giữa các sóng là bội số của 1/τ .Bất kỳ sự phi tuyến nào gây ra bởi can nhiễu bởi các sóng mang ICI(Inter-Carrier- interference) cũng làm mất đi tính trực giao . Về mặt toán học ,trực giao có nghĩa là các sóng mang được lấy ra từ nhóm trực chuẩn (Orthonomal basis ) { {Φ i (t ) / i = 0,1,...} có tính chất sau ; ⎧1 ⇔ i = k T2 ∫ φ i (t )φ t (t )dt = δ ik = ⎨ ⎩0 ⇔ i ≠ k (4.2.1) T1 {φi (t )} = {sin(nπ 2t / T , cos(mπ 2t / T } với T = T l − T l1 Như vậy { u Ngoài ra có thể biễu diễn trực giao theo hàm phức {Ψi (t ) = [ ji == 2πt / Tu ]/ i = 0,1,...} có tính chất : ⎧1 ⇔ i = k ∫ Ψi (t )ψ (t )dt = δ ik = ⎨0 ⇔ i ≠ k * k ⎩ (2) Khoảng cách giữa 2 sóng mang trực giao cạnh nhau sẽ là ∆f=1/ Tu . Ở đây dấu * chỉ sự liên hiệp phức .Ví dụ : Nếu tín hiệu là sin(mx) với m=1,2…. Thì nó trực giao trong khoảng từ -π đến π. VIệc xử lý (điều chế và giải điều chế ) tín hiệu OFDM được thực hiện trong miền tần số ,bằng cách sử dụng các thuật toán xử lý tín hiệu số DSP (Digital Signal Processing ).Nguyên tắc của tính trực giao thường được sử dụng trong phạm vi DSP .Trong toán học ,số hạng trực giao có được từ việc nghiên cứu các vecto.Theo định nghĩa ,hai vecto được gọi là trực giao với nhau khi chúng
vuông góc với nhau (tạo nhau một góc 900 ) và tích của 2 vecto là bằng 0.Điểm chính ở đây là ý tưởng nhân hai hàm số với nhau , tổng hợp các tích và nhận được kết quả là 0. V2 =0 V Hình 4.2h-1 : Tích của 2 vecto trực giao bằng 0 Đầu tiên ta chú ý đến hàm số thông thường có giá trị trung bình bằng không.(VD giá trị trung bình của hàm sin dưới đây ) Nếu cộng bán kỳ dương và bán kỳ âm của dạng sóng sin như dưới đây chúng ta sẽ có kết quả là 0 .Quá trình tích phân có thể được xem xét khi tìm ra diện tích dưới dạng đường cong .Do đó diện tích của 1 sóng sin có thể được viết như sau: 2πk ∫ sin( ω t ) dt =0 0 Quá trình tích phân có thể đựoc xem xét khi tìm ra diện tích dưới dạng đường cong .Do đó ,diện tích của một sóng sin có thể được viết như sau :
Biên độ Hình 4.2h2 : Giá trị trung bình của sóng Sin bằng 0. Nếu chúng ta nhân và cộng (tích phân) hai dạng sóng sin có tần số khác nhau .Ta nhận thấy quá trình này cũng bằng 0.
Biên độ t t t Hình : Tích phân của hai sóng sin khác tần số Điều này gọi là tính trực giao của dạng sóng sin .Nó cho thấy rằng miễn là hai dạng sóng sin không có cùng tần số ,thì tích phân của chúng sẽ bằng không .Thông tin này là điểm mấu chốt của để hiểu quá trình điều chế OFDM. Nếu hai tích phân khác tần số thì :
Biên độ t t t Hình : Tích phân các sóng hình sin có cùng tần số Nếu hai sóng sin có cùng tần số như nhau thì dạng sóng hợp thành luôn dương ,giá trị trung bình của nó luôn khác không (hình trên ).Đây là cơ cấu rất quan trọng cho quá trình giải điều chế OFDM .Các máy thu OFDM biến đổi tín hiệu thu đuợc từ miền tần số nhờ dùng kỹ thuật xử lý tín hiệu số gọi là biến đổi nhanh Fourier (FFT) Việc giải điều chế chặt chẽ được thực hiện kế tiếp trong miền tần số (digital domain) bằng cách nhân một sóng mang được tạo ra trong máy thu đơn với một sóng mang đuợc tạo ra trong máy thu có cùng chính xác tần số và pha .Sau đó phép tích phân được thực hiện tất cả các sóng mang sẽ về không ngoại trừ sóng mang được nhân,nó được dịch lên trục x ,được tách ra hiệu quả và giá trị symbol của nó khi đó đã được xác định .Toàn bộ quá trình này được lập lại khá nhanh chóng cho mỗi sóng mang ,đến khi tất cả các sóng mang đã được giải điều chế. Nhiều lý thuyết chuyển đổi được thực hiện bằng chuỗi trực giao .