Các kỹ thuật đa truy nhập

Các kỹ thuật đa truy nhập Báo cáo bài tập lớn môn Mạng máy tính Viện điện tử viễn thông Đại học Bách Khoa Hà Nội

Lời nói đầu

„ Trong mạng thông tin di động hiện nay, số

lượng người sử dụng ngày càng tăng trong

khi tần số sử dụng lại bị hạn chế.

„ Để tiết kiệm tài nguyên, người ta thường

sử dụng phương pháp sao cho nhiều thuê

bao có thể sử dụng chung một kênh

truyền, viếc nhiều thuê bao cùng sử dụng

chung một kênh truyền gọi là đa truy nhập

„ Hiện nay có rất nhiều phương pháp đa truy

nhập như FDMA, TDMA, CDMA, CSMA,

ALOHA

8/3/2007 3

I/ Đa truy cập theo phân chia tần

Access): đa truy cập phân chia theo

tần số

8/3/2007 5

Hình 1: Mô hình FDMA

Phương pháp đa truy nhập FDMA

„ Mỗi một người sử dụng trong một tế bào (cell) được

phân chia một dải tần số (băng tần) nhất định

„ Các băng tần của những người sử dụng khác nhau sẽ

không trùng nhau (non-overlap) mà được sắp xếp

liên tiếp nhau trên dải thông tần của đường truyền

„ Tín hiệu nguyên thủy phải được điều chế để chuyển

lên băng tần cao hơn nhờ các sóng mang phụ (

subcarrier )

„ Những người sử dụng trong một tế bào (cell) không

gây nhiễu cho nhau (lý tưởng)

„ Do yêu cầu cần có một số lượng lớn người sử dụng

trong mạng, các băng tần sẽ được sử dụng lại ở các

tế bào khác => nhiễu đồng kênh (co-channel

interference)

8/3/2007 7

2 Đặc diểm truyền dẫn

„ Tín hiệu cần được phát tới một số khách

hàng từ một máy phát sẽ được phát đi

bằng cách phân chia các băng tần

„ Máy thu sẽ chọn thông tin thuộc băng

tần của nó

„ FDMA là phát tín hiệu tới một số máy

thu

„ Nếu sử dụng FDMA trong hệ thống tế bào

thì FDMA phải là kênh nghịch (backward

channal) FDM là kênh thuận ( Forward

Channel ) => gọi là: FDM/FDMA

Phương pháp đa truy nhập FDMA

Hình 2 (trunked): 1 mạch trên một mạch

RF

8/3/2007 9

„ Gây ra nhiễu ký hiệu (ISI - Intersymbol

Interference) và đôi khi làm giảm chỉ tiêu của hệ

thống tế bào

=> Sử dụng bộ cân bằng song đôi khi rất khó

thực hiện

„ Nếu chu kỳ ký hiệu của dữ liệu số càng lớn - tức

là độ rộng băng tần của kênh càng nhỏ thì ISI

càng không bị ảnh hưởng của khuyếch tán trễ

thường xuyên

=> Chia nhỏ tần số

„ Nhiễu cùng kênh là một vấn đề nữa có thể phát

sinh do việc phân chia nhỏ phổ tần số

=> Cần băng tần bảo vệ giữa các kênh

Phương pháp đa truy nhập FDMA

„ Chú ý

phụ fc

- Băng dưới LSB( lower sideband )

- Băng trên USB( upper sideband)

biên DSB ( double sideband ).

„ Hai băng LSB và USB thông tin giống hệt

nhau và chiếm gần 30% năng lượng phổ

thông cần thiết tăng gấp hai =>

tải một băng thông, thương người ta

truyền tải băng dưới ( kỹ thuật SSB không

sóng mang ).

+ Phát đơn băng ( LSB hoặc USB ) kèm

sóng mang VSB ( vestigial sideband )

8/3/2007 13

• Ưu điểm:

„Không cần đồng bộ cân bằng trong

kênh tế bào

„Không cần đến đồng bộ mạng ban đầu

„Việc phục hồi định thời bít hay đồng

„ Nhiễu giao thoa gi u giao thoa gi ữa giữa các kênh lân

cận, đồng thời cũng không thể tránh khỏi

các loại nhiễu khác như nhiễu xuyên âm,

nhiễu đồng kênh và bị ảnh hưởng của các

tạp âm do dây truyền tải thường làm bằng

„ TDMA: Time Division Multiple Access – đa truy

nhập phân chia theo thời gian

„ Mỗi người sử dụng được phân chia một khoảng

thời gian – khe thời gian để truyền và nhận thông

8/3/2007 17

b) Cấu hình của khung

„ Tuyến lên (từ máy di động đến trạm gốc)

bao gồm :

+ Phần mào đầu

+ Từ mã đồng bộ dữ liệu điều khiển

+ Dữ liệu của người sử dụng

+ Thời gian bảo vệ

„ Khung của tuyến xuống (từ trạm gốc đến

máy di động) là tín hiệu liên tục nên không

cần thiết phải có phần mào đầu và thời

gian bảo vệ

Phương pháp đa truy nhập TDMA

into frames and those frames divided into timeslots.

8/3/2007 19

2 Các phương pháp ghép kênh cơ bản

Phương pháp đa truy nhập TDMA

a) Ghép kênh xen bít ( bit – by – bit )

„ Lấy tất cả bít cùng tên của các nhánh ghép

lại với nhau thành nhóm

„ Tốc độ bít mỗi kênh nhánh là v = 8b/Tf

„ VD : ghép 4 kênh nhánh => thì tốc độ

bít sẽ là: v’ = 32b/ Tf

„ Ưu điểm: cấu trúc khung độc lập, dung

lượng bộ nhớ yêu cầu thấp

„ Nhược điểm: bên thu tách kênh phức tạp

và chậm

kênh nhánh được sắp xếp liên tiếp

xác

Phương pháp đa truy nhập TDMA

3 Đặc điểm truyền dẫn

b) Cấu hình của khung

định thời phát

d) Thu tín hiệu nhóm

8/3/2007 23

lặp lại

lựa thu phát trong máy di động.

để đo mức thu của các trạm gốc lân

cận.

Phương pháp đa truy nhập TDMA

Hình 4: Định thời phát thu ở trạm gốc trong trường

hợp 3 kênh

8/3/2007 25

„ Phần mào đầu là hệ thống mã của đồng bộ

sóng mang và đồng bộ đồng hồ.

„ Khi phát hiện trễ thì việc tái tạo sóng

mang là không cần thiết và mã đồng bộ

sóng mang là mã 1 bởi vì sóng thu phải là

sóng chuẩn để phát hiện bằng cách tạo ra

thời gian trễ mã 1.

„ Từ mã đồng bộ chỉ rõ điểm bất đầu của dữ

liệu điều khiển và dữ liệu người sử dụng.

Phương pháp đa truy nhập TDMA

Hình 5: Cấu hình của khung

8/3/2007 27

c) Điều chỉnh thời gian bảo vệ và định thời

phát

„ Khi một máy di động gửi chùm tín hiệu hướng lên để tạo định thời

cho tín hiệu TDMA hướng xuống, đôi khi chùm này bị xung đột bởi

vì cự ly giữa các máy di động tới trạm gốc là khác nhau Chẳng

hạn như khi khe 1 được gán cho một máy di động ở xa trạm gốc

v máy di động gần nhất được gán khe 2 thì phần cuối của tín hiệu

chùm sẽ va chạm với khe 2 bởi vì chùm tín hiệu của máy di động

1 đến chậm Có thể tránh được bằng cách đưa vào sử dụng thời

Phương pháp đa truy nhập TDMA

„ Thời gian bảo vệ quá dài thì hiệu quả của

khung (độ dài của dữ liệu điều khiển + dữ

liệu người sử dụng) độ dài khung bị giảm

d) Thu tín hiệu nhóm

„ Việc tái tạo đồng hồ của nhóm của mỗi

máy di dộng là cần thiết ở trạm gốc

„ Để không làm giảm hiệu quả khung thì

việc đồng bộ hoá đồng hồ cần phải được

chèn vào 1 phần mào đầu ngắn với tốc độ

cao

„ Làm cho cuộc gọi được liên tục

„ Phương pháp: phát hiện ra bào đôi dịch chuyển

và chuyển tế bào này sang kênh vô tuyến khi

máy di động đang gọi tới tế bào đã di chuyển

„ Là một kỹ thuật điều khiển quan trọng khi cường

độ trường của tín hiệu thu được tại trạm gốc bị

giảm (trong hệ thống tế bào tương tự)

Phương pháp đa truy nhập TDMA

Nên nó được sử dụng thì quá trình điều khiển của trạm gốc

sẽ được đơn giản hoá rất nhiều bởi vì có thể đo cường độ tín

dịch chuyển

8/3/2007 31

b) GSM (Group Special Mobile )

Phương pháp đa truy nhập TDMA

Hệ thống AMPS hiện tại có khả năng chuyển

vùng với cấu trúc khung và cấu trúc khe thời

gian được chỉ ra trên hình và hình

Hệ thống này mã hoá tín hiệu thoại theo mã VSELP (dự đoán tổng vectơ

tuyến tính tồn tại), điều chế /4 DQPSK và hoạt động theo kiểu cặp đôi.

6 thuê bao với một nửa tốc độ trên một kênh

8/3/2007 33

Hình 6: Cấu trúc khung.

Phương pháp đa truy nhập TDMA

„ Dạng khe thời gian từ máy di động đến

G - thời gian guard

R - thời gian ramp

SACCH - kênh điều khiển liên kết chậm

CDVCC - mã xác minh màu số đã mã

8/3/2007 35

Hình 7: Dạng khe thời gian

Phương pháp đa truy nhập TDMA

b) GSM (Group Special Mobile)

Là một hệ thống thông tin số của Châu Âu

tương thích với hệ thống báo hiệu số 7

„ Sử dụng hệ thống TDMA với cấu trúc khe

thời gian

„ Tạo nên được sự linh hoạt trong truyền

thoại, số liệu và thông tin điều khiển.

Sử dụng băng tần (890 - 915) MHz để

truyền dẫn tín hiệu từ máy di động đến BS

và băng tần (935 - 960) MHz để truyền

dẫn tín hiệu từ BS đến máy di động .

8/3/2007 37

Hình 8: Cấu trúc khung

Phương pháp đa truy nhập CDMA

III/ Phương pháp truy nhập phân

chia theo mã CDMA

CDMA

2 Phương thức truyền dẫn

3 Nguyên lý hoạt động của CDMA

4 Đặc điểm của CDMA

8/3/2007 39

CDMA: Code Division Multiple Assces là phương thức Đa truy

nhậtheo mã.

Công nghệ CDMA là công nghệ truyền dẫn sử dụng mã để

phân biệt các thuê bao với nhau trong khi truyền.Các mã để phân

biệt này được gọi là mã giả ngẫu nhiên PN(Pseudo Noise)

Mã giả ngẫu nhiên: là loại tín hiệu mang tính chất của tín hiệu

ngẫu nhiên nhưng hoàn toàn xác định để có thể tái tạo lại ở phía

thu nên người ta gọi là mã giả ngẫu nhiên.

Tính chất của Mã giả ngẫu nhiên:

Tính cân bằng (Balance) : Số bit 0 và 1 trong mã giả ngẫu

nhiên chỉ khác nhau là 1

Tính tương quan: hiệu số giữa các bit giống nhau và các bit

khác nhau ở chuỗi giả ngẫu nhiên PN với chính nó quay đi 1 đơn vị

không quá 1.

Æ Dễ d ng thu được ở phía thu.

Phương pháp đa truy nhập CDMA

2 Phương thức truyền dẫn

dụng lại tần số ở các tế b o cạnh nhau) là một vấn đề lớn

khôi phục tín hiệu của người đó Trong kỹ thật này có nhiễu

trong tế bào (intra-cell interference) và nhiễu giữa các tế

bào (inter-cell interference).

- Vẫn còn nhiễu giữa các kênh trong cùng 1 tế b o lân cậ

Phương pháp đa truy nhập CDMA

3 Nguyên lý hoạt động của CDMA

Các bước truyền dẫn CDMA

-Bước1 Tín hiệu số hóa thoại (9,6 Kb/s) phía phát

được mã hóa, lập, chèn, và được nhân với sóng mang f-0

-Bước 2 Tín hiệu được điều chế đi qua một bộ lọc băng

được phát xạ qua antena.

băng thông độ rộng băng như ở bước 2 và số liệu thoại

mong muốn được tách ra để tái tạo lại số liệu thoại nhờ bộ

sử dụng bộ tách chèn và giải mã.

8/3/2007 Hình 9: Sơ đồ nguyên lý của CDMA 43

Phương pháp đa truy nhập CDMA

4 Đặc điểm của CDMA

4.1 Tính đa dạng của phân tập

khoảng cách

8/3/2007 45

Hình 10: Các quá trình phân tập trong CDMA

Phương pháp đa truy nhập CDMA

4.2 Điều khiển công suất của CDMA

Hình 11:Điều khiển công suất của CDMA

8/3/2007 47

4.3 Công suất phát thấp

Một tiến bộ lớn hơn của việc điều khiển công

suất trong hệ thống CDMA là làm giảm công suất

phát trung bình Trong đa số trường hợp thì môi

trường truyền dẫn là thuận lợi đối với CDMA

Trong các hệ thống băng hẹp thì công suất phát

cao luôn luôn được yêu cầu để khắc phục fading

tạo ra theo thời gian Trong hệ thống CDMA thì

công suất trung bình có thể giảm bởi vì công suất

yêu cầu chỉ phát đi khi có điều khiển công suất và

công suất phát chỉ tăng khi có fading

Phương pháp đa truy nhập CDMA

liệu biến đổi

Bộ mã - giải mã thoại của hệ thống CDMA

được thiết kế với các tốc độ biến đổi 8 Kb/s Dịch

vụ thoại 2 chiều của tốc độ số liệu biến đổi cung

cấp thông tin thoại có sử dụng thuật toán mã

-giải mã thoại tốc độ số liệu biến đổi động giữa BS

và máy di động Bộ mã - giải mã thoại phía phát

lấy mẫu tín hiệu thoại để tạo ra các gói tín hiệu

thoại được mã hoá dùng để truyền tới bộ mã

-giải mã thoại phía thu Bộ mã - giải mã thoại phía

thu sẽ giải mã các gói tín hiệu thoại thu được

thành các mẫu tín hiệu thoại

8/3/2007 49

4.5 Bảo mật cuộc gọi

Hệ thống CDMA cung cấp chức năng bảo mật

cuộc gọi mức độ cao và về cơ bản là tạo ra xuyên

âm, việc sử dụng máy thu tìm kiếm và sử dụng

bất hợp pháp kênh RF là khó khăn đối với hệ

thống tổ ong số CDMA bởi vì tín hiệu CDMA đã

được scrambling (trộn) Về cơ bản thì công nghệ

CDMA cung cấp khả năng bảo mật cuộc gọi và các

khả năng bảo vệ khác, tiêu chuẩn đề xuất gồm

khả năng xác nhận và bảo mật cuộc gọi được định

rõ trong EIA/TIA/IS-54-B Có thể mã hoá kênh

thoại số một cách dễ dàng nhờ sử dụng DES hoặc

các công nghệ mã tiêu chuẩn khác

Phương pháp đa truy nhập CDMA

4.6 Máy di động có vùng chuyển mềm

Hình 12:Đường kết nối trong khi chuyển

8/3/2007 51

4.7 Dung lượng

Các tham số chính xác định dung lượng

của hệ thống tổ ong số CDMA bao gồm: độ

lợi sử lý, tỷ số Eb/No (bao gồm cả giới hạn

fading yêu cầu), chu kỳ công suất thoại,

hiệu quả tái sử dụng tần số và số lượng

búp sóng của anten BS Hơn nữa, càng

nhiều kênh thoại được cung cấp trong hệ

thống CDMA có cùng một tỷ lệ cuộc gọi bị

chặn và hiệu quả trung kế cũng tăng lên

thì càng nhiều dịch vụ thuê bao được cung

cấp trên một kênh.

Phương pháp đa truy nhập CDMA

4.8 Tách tín hiệu thoại

Trong thông tin 2 chiều song công tổng quát

thì tỷ số chiếm dụng tải của tín hiệu thoại không

lớn hơn khoảng 35% Trong trường hợp không có

tín hiệu thoại trong hệ thống TDMA và FDMA thì

khó áp dụng yếu tố tích cực thoại vì trễ thời gian

định vị lại kênh tiếp theo là quá dài Nhưng do tốc

độ truyền dẫn số liệu giảm nếu không có tín hiệu

thoại trong hệ thống CDMA nên giao thoa ở người

sử dụng khác giảm một cách đáng kể Dung

lượng hệ thống CDMA tăng khoảng 2 lần và suy

giảm truyền dẫn trung bình của máy di động giảm

khoảng 1/2 vì dung lượng được xác định theo

mức giao thoa ở những người sử dụng khác

8/3/2007 53

4.9 Tái sử dụng tần số và vùng phủ sóng

BS bên cạnh Nói cách khác, tín hiệu của mỗi một máy di

động giao thoa với tín hiệu của tất cả các máy di động khác

di động khác trong cùng một BS với giao thoa từ tất cả các

BS.

Phương pháp đa truy nhập CDMA

4.10 Giá trị Eb/No thấp (hay C/I) và chống lỗi

Eb/No là tỷ số của năng lượng trên mỗi bit đối với mật

độ phổ công suất tạp âm, đó là giá trị tiêu chuẩn để so

suất và độ dư mã sửa sai cao Nói cách khác thì độ rộng

kênh bị giới hạn trong hệ thống điều chế số băng tần hẹp,

chỉ các mã sửa sai có hiệu suất và độ dư thấp là được phép

cùng với giải điều chế số hiệu suất cao Có thể tăng dung

Eb/No.

8/3/2007 55

4.11 Dung lượng mềm

Hiện tại FCC (Uỷ ban thông tin liên bang của Mỹ) ấn

được phân bổ đồng đều cho 2 công ty viễn thông theo các

v ng Dải phổ n y được phân phối lại giữa các ô để cho

cuộc gọi khi lưu lượng bị nghẽn Khi đó thậm chí một kênh

giữa số lượng người sử dụng và loại dịch vụ Ví dụ, người sử

thời gian liên tục đưa đến việc tăng lỗi bit Chức năng đó có

thể làm tránh được việc tắc cuộc gọi do tắc nghẽn kênh

trong trạng thái chuyển vùng

Phương pháp đa truy nhập CSMA

-CSMA: Là phương thức đa truy nhập cảm

nhận sóng mang ( Carrier sense multiple

assces)

-Để truyền thông tin, mỗi giao tiếp mạng phải

lắng nghe cho tới khi không có tín hiệu trong

kênh chung , lúc này nó mới có thể truyền

thông tin Nếu một giao tiếp mạng thực hiện

truyền thông tin trong kênh thì gọi là sóng và

các trạm khác phải chờ đợi cho tới khi sự truyền

dẫn này kết thúc Quá trình này gọi là phát

hiện sóng mang

8/3/2007 57

- Giao thức CSMA/CD được thiết kế nhằm

cung cấp cơ hội ngang bằng truy nhập

kênh chung cho mọi trạm trong mạng

Sau khi gói tin được gửi đi mỗi trạm trong

mạng sẽ sủ dụng giao thức CSMA/CD để

xem trạm nào sẽ được gửi tiếp sau.

-CSMA/CD có nguồn gốc từ hệ thống radio

đã phát triển ở trường đại học Hawai vào

khoảng nǎm 1970, gọi là ALOHANET.

Phương pháp đa truy nhập CSMA

2 Thuật toán của truy nhập CSMA/CD

- Các adaptor sẽ nhận gói dữ liệu từ tầng trọng lượng

- Nếu các adaptor cảm nhận kênh rỗi thì nó sẽ bắt đầu

thì n sẽ đợi đến khi nào kênh rỗi thì n sẽ gửi.

- Nếu các adaptor dò thấy có sự truyền nào khác thì

quá trình truyền của nó sẽ bị dừng lại và gửi đi 1 tín hiệu

giao thông ( Jam Signal)

sẽ chọn 1 số k bất kì từ tập hợp { 0,1,2, ,2m-1}, các

adaptor sẽ đợi trong khoảng k*512 thời gian bit (bit time)

8/3/2007 59

-Jam Signal: là tín hiệu giao thông có nhiệm vụ

va chạm

-Bit time: 1s ứng với 10 Mbps trong Ethernet.

Ví dụ: nếu k= 1024 thì thời gian chờ của các adaptor sẽ là

50ms

- Exponential backoff:

Mục tiêu: Sự truyền lại sẽ được cố gắng ước lượng tùy

thuộc vào dòng tải (current load)

chờ trong khoảng thời gian k*512 thời gian truyền bit

Phương pháp đa truy nhập CSMA

3 Hiệu suất của CDMA/CD

Hiệu suất (Efficiency) của CSMA/CD là

Efficiency =

Trong đó :

T-prop (chu kì truyền): sự truyền cực đại giữa 2

nút trong mạng

Ttrans (thời gian truyền): thời gian truyền

khung với kích thước cực đại

Hiệu suất của phương thức này dần tới 1 khi

Tprop tiến dần tới 0 hoặc Ttrans không xác định

Ttrans Tprop /

5 1 1 +