Phân tích các nội dung sau các kỹ thuật đa truy nhập vô tuyến FDMA, TDMA, CDMA và ứng dụng trong các hệ thống thông tin di động thế hệ

FDMA - Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA Frequency DivisionMultiple Access : Phục vụ các cuộc gọi theo các kênh tần số khác nhau, phổ tần số được chia thành 2N dải tần số con kế t

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

PHÂN HIỆU TẠI TPHCM

BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC THÔNG TIN DI ĐỘNG

Đề tài:

1 Phân tích các nội dung sau: Các kỹ thuật đa truy nhập vô tuyến FDMA, TDMA, CDMA và ứng dụng trong các hệ thống thông tin di động thế hệ 2?

GVHD: Th.S Ngô Thế Anh Sinh viên thực hiện :

Trần Long Định

Vũ Anh Tú Phạm Đức Lương

Lớp: K59 – Kỹ Thuật Viễn Thông

TPHCM: 04/2022

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP VÔ TUYẾN FDMA

1 FDMA

2 ỨNG DỤNG CỦA TDMA 1

CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO THỜI GIAN TDMA 1

1 TDMA 1

2 ỨNG DỤNG CỦA TDMA 1

CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO MÃ CDMA 1

1 CDMA 1

2 ỨNG DỤNG CỦA TDMA 1

BÀI TẬP

TÀI LIỆU THAM KHẢO : 1

CHƯƠNG 1: KỸ THUẬT PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ FDMA

1 FDMA

- Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA ( Frequency DivisionMultiple

Access ): Phục vụ các cuộc gọi theo các kênh tần số khác nhau, phổ tần số được chia thành 2N dải tần số con kế tiếp cách nhau một khoảng bảo vệ Mỗi dải tần được gán cho một kênh liên lạc, trong đó kênh tần số N dành cho liên lạc hướng lên, N kênh tần số còn lại dành cho liên lạc hướng xuống Mỗi người dùng được cấp phát một kênh tần số riêng biệt trong tập hợp các kênh tần số riêng biệt Về cấu trúc thì FDMA có nhược điểm là mỗi sóng mang tần số vô tuyến chỉ truyền được một erlang, vì thế nếu các trạm gốc cần cung cấp N erlang dung lượng thì phải cần

N bộ thu phát cho mỗi trạm Ngoài ra cũng phải cần kết hợp tần số vô tuyến cho các kênh này Để tăng hiệu suất sử dụng tần số có thể sử dụng FDMA kết hợp với gép song công theo thời gian, ở phương pháp này một máy thu phát chỉ sử dụng một tần số và một thời gian phát thu luân phiên

Phương pháp FDMA ít nhạy cảm với sự phân tán thời gian do truyền lan sóng, không cần đồng bộ và không xảy ra trễ do không cần xử lý tín hiệu nhiều vì vậy giảm trể hồi âm

2 ỨNG DỤNG

Sự tiến bộ trong công nghệ điện thoại di động được đánh dấu theo thế hệ (G) Điện thoại analog có liên quan đến thế hệ thứ nhất (1G), sau đó đến điện thoại kỹ thuật

số được đánh dấu bằng thế hệ thứ hai (2G) Điện thoại di động thế hệ thứ hai này

đã thay đổi khái niệm về điện thoại di động bằng cách giới thiệu tốc độ truyền dữ liệu cao, tăng băng tần và kết nối không dây

Có ba loại công nghệ khác nhau trong thế hệ thứ hai là FDMA (Đa truy nhập phân chia theo tần số), TDMA (Đa truy cập phân chia theo thời gian) và CDMA (Đa truy cập phân chia theo mã) Tất cả các loại đều có một đặc điểm chung là nhiều quyền truy cập có nghĩa là nhiều người dùng có thể sử dụng cùng một số lượng ô Phần đầu tiên của tất cả các công nghệ tạo ra sự khác biệt

Do các loại công nghệ khác nhau được sử dụng trong điện thoại di động 2G, nên có các loại điện thoại di động khác nhau tùy theo công nghệ được kết hợp trong

chúng Hãy xem các công nghệ 2G được sử dụng trong điện thoại di động và các chức năng của chúng khi chúng hoạt động

 Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) cho phép các cuộc gọi sử dụng tần số khác nhau bằng cách chia nó thành các ô nhỏ Mỗi cuộc gọi sử dụng tần

số khác nhau Hiện tượng này cũng giống như trong radio khi các kênh khác nhau phát trên tần số riêng biệt Vì vậy, mỗi đài phát thanh đã được ấn định tần số khác nhau theo băng tần cụ thể có sẵn FDMA là tốt nhất trong trường hợp truyền tương tự nhưng cũng hỗ trợ truyền kỹ thuật số Không nghi ngờ gì nữa, nó có khả năng đáp ứng các tín hiệu kỹ thuật số với dịch vụ kém

CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO THỜI

GIAN TDMA.

1 TDMA

- Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA ( Time Division MultipleAccess ): Khi có yêu cầu một cuộc gọi thì một kênh vô tuyến được ấn định, các thuê bao khác nhau dùng chung một kênh tần số nhờ cài xen thời gian Mỗi thuê bao được cấp một khe thời gian ( time slot ) trong cấu trúc khung tuần hoàn 8 khe So với FDMA thì TDMA cho phép tiết kiệm tần số và thiết bị thu phát hơn Tuy nhiên, ở nhiều hệ thống nếu chỉ sử dụng một cặp tần số thì không đủ đảmbảo dung lượng của mạng vì thế TDMA thường được sử dụng kết hợp với FDMA cho các mạng đòi hỏi dung lượng cao Nhược điểm của TDMA là đòi hỏi đồng bộ tốt và thiết bị phức tạp hơn FDMA khi cần dung lượng truyền dẫn cao, ngoài ra do đòi hỏi xử lý số phức tạp nên xảy ra hiện tượng hồi âm

2

Cấu trúc khung TDMA hiển thị một luồng dữ liệu được chia thành các khung và

các khung đó được chia thành các khe thời gian

- Truy nhập vào hệ thống trên cùng một kênh tần số nhưng phân chia với nhau

về mặt thời gian trong đó trục thời gian sẽ chia làm các khung TDMA khác nhau Mỗi khung TDMA lại nhỏ thành N khe thời gian ( TS: Time Slot) và mỗi tế bào sẽ truy nhập vào hệ thống trên một khe thời gian tuần hoàn theo khung TDMA: một kênh tần số phục vụ được N người dùng khác nhau bằng cách chia sẽ thời gian

- Hệ thống cần phục vụ 6 người dùng 6 người dùng này sẽ truy nhập vào một kênh tần số nhưng sẽ luân phiên với nhau về mặt thời gian Mỗi người dùng

sẽ truy nhập vào hệ thống trên một khe thời gian này nhưng nhưng tuần hoàn theo khung

- Tài nguyên người dùng được minh họa thành các khối màu khác nhau trong

đó người dùng thứ 1( K1) là màu đỏ, người dùng thứ 2( K2) màu tím… Tất

cả người dùng này sẽ truy nhập vào hệ thống trên cùng một kênh tần số Nhưng phân chia trên trục thời gian Bằng cách trên trục thời gian người ta chia thành nhiều khung TDMA( Time Division Multiple Access)

2 Ưu điểm và nhược điểm của TDMA

 Ưu điểm:

- Thiết bị trạm gốc đỡ cồng kềnh vì lúc này trạm gốc chỉ cần một máy thu phát để liên lạc N người dùng khác nhau

- Cho phép thông lượng linh hoạt ( nghĩa là: nhiều khe có thể chỉ định cho

1 người dùng, ví dụ: mỗi khe thời gian chuyển thành 32kps, mỗi người dùng được chỉ định 2 khe thời gian 64kps trên mỗi khung)

- Có thể hỗ trợ lưu lượng liên tục hoặc tốc độ bit thay đổi số lượng khe được phân bổ cho người dùng được thay đổi từng khung ( ví dụ: 2 khe trong khung 1, 3 khe trong khung 2, 1 khe trong khung 4…)

- Không yêu cầu băng tần bảo vệ cho hệ thống băng thông rộng( ví dụ: băng thông rộng là đường truyền dữ liệu cho phép truyền cùng một lúc nhiều tín hiệu và nhiều đường truyền qua khoảng cách xa, tốc độ cao)

 Nhược điểm:

- Yêu cầu đồng bộ thời gian khó khăn hơn rất nhiều làm hệ thống sẽ trở nên phức tạp hơn

- TDMA thời gian phát và thu mà lệch nhau thì sẽ không thu được tín hiệu Mất đồng bộ: phát trên khe thời gian này nhưng thu trên khe thời gian khác thì khi đó sẽ không thu được tin Hoặc khe thời gian phát và thu lệch đi một đoạn thì khoảng thời gian lệch đó sẽ mất đi hoàn toàn và không thể khôi phục được

- TDMA: cần có khoảng bảo vệ về mặt thời gian GP( Guard Period) giữa các khe thời gian liền kề nhằm mục đích chống nhiễu giữa các người dùng Các khoảng bảo vệ GP được thể hiện bằng các khoảng trắng giữ các khe thời gian ( K1 ,K2,K3…)

- Khi có GP này thì sẽ làm giảm hiệu suất truyền dẫn của kênh

4

CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO MÃ

CDMA.

1 CDMA

- Đa truy nhập theo mã CDMA ( Code Division Multiple Access ): Là phương pháp trải phổ tín hiệu, thực hiện là gán cho mỗi MS một mã riêng biệt cho phép nhiều MS cùng thu, phát độc lập trên một băng tần nên tăng dung lượng cho hệ thống Đặc điểm của CDMA là sử dụng dải rộng kênh thông tin nhiều xạ tần, dải tần của tín hiệu rộng hàng MHz, sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp.v.v Về mặt ưu điểm CDMA cho dung lượng cao hơn và có thể thay đổi dung lượng được, hiệu suất sử dụng tần số cao, kỹ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vô tuyến sử dụng cường

độ trường rất nhỏ và chống nhiễu, chống pha đinh tốt hơn FDMA và CDMA, bảo mật thông tin tốt hơn, dễ dàng áp dụng cho các hệ thống đòi hỏi cung cấp linh hoạt dung lượng kênh cho từng người sử dụng Song CDMA không tránh khỏi những nhược điểm như: Đồng bộ phức tạp hơn, ngoài bộ định thời còn phải thực hiện cả đồng bộ mã, cần điều chỉnh mạch điện xử lý số hơn, mạng chỉ cho hiệu suất sử dụng cao khi nhiều người cùng sử dụng tần số Công nghệ CDMA ra đời sau nhưng

vì những ưu điểm nổi trội đã thực sự được các nhà khoa học, các nhà khai thác công nhận vị trí hàng đầu trong tương lai và hiện tại có nhiều thuê bao của công nghệ CDMA hài lòng với chất lượng của nó

- Mỗi người dùng trong hệ thống CDMA sử dụng một mã khác nhau để điều chế tín hiệu của họ Việc chọn các mã dùng để điều chế tín hiệu là rất quan trọng trong hoạt động của hệ thống CDMA Hiệu suất tốt nhất xảy ra khi có sự tách biệt tốt giữa tín hiệu của người dùng mong muốn và tín hiệu của những người dùng khác Việc tách các tín hiệu được thực hiện bằng cách tương quan tín hiệu nhận được với mã được tạo cục bộ của người dùng mong muốn Nếu tín hiệu phù hợp với mã của người dùng mong muốn, thì hàm tương quan sẽ cao và hệ thống có thể trích xuất tín hiệu đó Nếu mã của người dùng mong muốn không có điểm chung nào với tín hiệu, thì mối tương quan phải càng gần 0 càng tốt (do

đó loại bỏ tín hiệu); điều này được gọi là tương quan chéo Nếu mã có tương quan với tín hiệu tại bất kỳ thời điểm nào khác với độ lệch 0, thì mối tương quan phải càng gần 0 càng tốt Điều này được gọi là tự động tương quan và được sử dụng để loại bỏ nhiễu đa đường

- Tương tự với vấn đề đa truy cập là một phòng (kênh) trong đó mọi người muốn nói chuyện với nhau đồng thời Để tránh nhầm lẫn, mọi người có thể thay phiên nhau nói (phân chia thời gian), nói ở các cao độ khác nhau (phân chia tần số) hoặc nói các ngôn ngữ khác nhau (phân chia mã) CDMA tương tự như ví dụ cuối cùng trong đó những người nói cùng một

6

ngôn ngữ có thể hiểu nhau, nhưng các ngôn ngữ khác bị coi là nhiễu và bị

từ chối

2 ỨNG DỤNG

BÀI TẬP :

Một nhà cung cấp dịch vụ di động 2G GSM A muốn phủ sóng cho một khu vực có diện tích X.Y (km2) bằng các cell lục giác có bán kính phục vụ R (km) Biết dân số của khu vực này tại năm đầu tiên khi xây dựng mạng là P người, số người sử dụng dịch vụ chiếm b% tổng dân số, tỷ lệ tăng dân số tự nhiên là a%/năm, lưu lượng trung bình của một thuê bao là x (Erlang), chỉ số GoS = y (%) Hãy tính:

1 Số cell thực tế tối thiểu cần phải lắp đặt để bảo đảm yêu cầu dịch vụ Vẽ hình minh họa

2 Mẫu sử dụng lại tần số N tốt nhất cho năm đầu tiên

3 Nếu các thông số trên của mạng không đổi thì sau Z năm, nên chọn mẫu sử dụng lại tần số N là bao nhiêu cho phù hợp? Nếu N = 3 ngay từ năm đầu hoặc sau M năm mà M < Z, hãy tính chỉ số GoS tại năm thứ Z

4 Nếu GoS > 5% ở câu 3, hãy đưa ra giải pháp tốt nhất theo sự hiểu biết của tác giả để có GoS≤5%

Các tham số thiết kế của từng nhóm được cho như sau:

GSM A

X (km )

Y (km )

R (km)

P (triệu )

Do nhà cung cấp dịch vụ sử dụng hệ thống GSM 1800 nên có bao gồm 374 kênh tần số, mỗi kênh tần số có 8 khe thời gian Nên số kênh lưu lượng sẽ là: 374.8 = 2992 kênh

- Diện tích nhà cung cấp dịch vụ cần phủ sóng là:

S= X.Y= 12.18 = 216 ( km2)

Các cell được sử dụng có hình lục giác nên diện tích phủ sóng của 1 cell là:

SCell=3√3

2 R2 =3√3

2 32 =23,38 (km2)

- Số cell lý thuyết cần lắp đặt là :

Ncell= S cell S =23,38216 = 9,237 (cell)

Vậy về lý thuyết, nhà mạng cần lắp đặt khoảng 9,237 để phủ kín

216 km2

Nhưng với diện tích cần phủ sóng có kích thước đã cho thì với số cell

lý thuyết như trên thì không thể đảm bảo yêu cầu dịch vụ, vì sẽ có những vùng không thể phủ sóng được hay còn gọi là vùng chết Vậy theo cách tính toán các thông số trong cell và lắp đặt các cell như sau thì cần phải có tối thiểu 406 cell để đảm bảo yêu cầu dịch vụ

8

Vùng phủ sóng là hình chữ nhật có chiều rộng 12 km và chiều dài 18 km.

- Số cell cần dùng để phủ sóng hết chiều rộng 12 km là cell ( × R)

- Số cell cần dùng để phủ sóng hết chiều dài 18 km là cell ( × √3 R ) Vậy số cell thực tế cần lắp đặt tối thiểu là (cell)

2 Mẫu sử dụng lại tần số N tốt nhất cho năm đầu tiên

Theo giả thiết ta có:

- Số người sử dụng dịch vụ năm đầu tiên là:

Ubd =P 35100 = =10035 9.106=3150000 (user)

Với lưu lượng trung bình của một thuê bao Tu = 0,08 Erlang, thì lưu lượng mạng có thể đáp ứng là:

T= Ubd .Tu =3150000 0,08= 252000 ( Erl)

- Lưu lượng của một cell là:

Tcell =N cell T =252000

❑ = ( Erl)

- Số kênh lưu lượng của một cell là:

Gos = 1.5%

Tcell =

Tra bảng Erlang B

 Nc = 427(kênh)

 mẫu sử dụng lại tần số tốt nhất cho năm đầu tiên là:

N = 2992 / Nc = 2992 / 427 = 7,007

Chọn N=7

3 Nếu các thông số trên của mạng không đổi thì sau 6 năm, nên chọn mẫu sử dụng lại tần số N là bao nhiêu cho phù hợp? Nếu N = 3 ngay từ năm đầu hoặc sau M năm mà M < 6, hãy tính chỉ số GoS tại năm thứ 6

Số người sử dụng dịch vụ năm thứ 6 là:

U6 = 10035 P6 = 35.6400274100 = 2240095,9 ( user)

U6 = 2240096 (user)

Với lưu lượng trung bình của một thuê bao Tu = 0,08 Erlang, thì lưu lượng mạng có thể đáp ứng là:

T6 = U6 .Tu = 2240096.0,08 = 179207,68 (erl)

Lưu lượng của 1 cell lúc này :

T6cell = N cell1 T6 = 179207,68406 = 441,398 ( erl)

Số kênh lưu lượng của một cell lúc này là:

Gos = 2.5%

T6cell = 441,398

Tra bảng Erlang B

N6c = 455

mẫu sử dụng lại tần số tốt nhất cho năm thứ 6 là:

N=2992/Nc’ = 2992 / 455 = 6,575

Lúc này N = 7 của năm thứ 1 đã không còn phù hợp với dung lượng hiện tại

Do đó, ta nên thay thế N = 4 để đáp ứng được yêu cầu

Nếu N=3 ngay từ năm 1

Ta có:

Số kênh lưu lượng trong 1 cell:

Nc’ = 374,8N = 374,83 = 997,333 ( kênh)

Chọn Nc’=997 để đảm bảo yêu cầu phục vụ của nhà mạng

Lưu lượng 1 cell sau 6 năm vẫn là Tcell = 441,398 (erl)

Chỉ số Gos trong trường hợp N=3 ngay từ năm 1 là:

Nc’=997

Tcell=441,398

Gos = 0%

Kết quả GoS = 0% điều này có nghĩa là nếu lấy mẫu số sử dụng lại tần số

10

N = 3 ngay từ năm đầu thì đến năm thứ 6 hệ thống vẫn sẽ đáp ứng được tốt yêu cầu dịch vụ cho vùng cần phủ sóng

4 Nếu GoS > 5% Muốn đưa GoS ≤ 5% thì có 2 giải pháp như sau:

Vì : GoS = F (Nc , Tcell )

a Giải pháp 1:

Giả thiết Nc = không đổi nếu muốn GoS giảm thì Tcell giảm, mà:

a Giải pháp 1:

Giả thiết Nc = không đổi nếu muốn GoS giảm thì Tcell giảm, mà :

Tcell = T / Ncell với T = không đổi

muốn Tcell giảmthì Nc tăng, tức là phải tăng số lượng cell cần lắp đặt

b Giải pháp 2:

Giả thiết Tcell = không đổi, nếu muốn GoS ≤ 5% thì Nc giảm, mà:

Nc = 2992 / N

Muốn Nc giảm thì N phải tăng, tức là phải tăng mẫu sử dụng lại tần số

TÀI LIỆU THAM KHẢO :

1)