Chương 1 Giới Thiệu Chung Bài Giảng Cơ Sở Kỹ Thuật Thông Tin Vô Tuyến

Slide 1 1Nguyễn Viết Đảm Fundamentals of Wireless Communication KHOA VIỄN THÔNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG Chương 1 BÀI GIẢNG CƠ SỞ KỸ THUẬT THÔNG TIN VÔ TUYẾN Hà nội 02 2017 Nguyễn Viết Đảm Khoa Viễn thông 1[.]

KHOA VIỄN THÔNG 1

GIỚI THIỆU CHUNG

Chương 1

CƠ SỞ KỸ THUẬT THÔNG TIN VÔ TUYẾN

Hà nội 02-2017

Nguyễn Viết Đảm

Khoa Viễn thông 1

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Địa chỉ: PTIT- Km10- Đường Nguyễn Trãi, Quận Hà đông, Thành phố Hà nội

Điện thoại: 0912699394 Email: damnvptit@gmail.com

 Tên học phần:

Cơ sở kỹ thuật thông tin vô tuyến

FUNDAMENTALS OF WIRELESS COMMUNICATION

 Tổng lượng kiến thức/Số tín chỉ: 45 tiết / 03 tín chỉ

 Bài tập/Tiểu luận: 10 %

 Kiểm tra giữa kỳ: 10 %

 Thi kết thúc (Thi tự luận): 60 %

Kiến thức: Do đặc điểm cơ bản của truyền dẫn vô tuyến là: (i) tài nguyên vốn có bịhạn chế; (ii) chất lượng bị ảnh hưởng nghiêm trọng bởi phađinh ngẫu nhiên, trongkhi đó nhu cầu chiến dụng tài nguyên vô tuyến ngày càng gia tăng cũng như yêu cầu

về tính đa dạng, chất lượng về dịch vụ ngày càng cao Từ lịch sử phát triển cũng như

xu thế tất yếu của các hệ thống truyền dẫn vô tuyến là khám phá tài nguyên, khaithác triệt để & hiệu quả tài nguyên, các giải pháp nhằm tăng dung lượng nhưng vẫnđảm bảo chất lượng, cũng như bài toán phân bổ tài nguyên công bằng mềmdẻo,v,v sự chắt lọc, tích hợp các kỹ thuật cơ bản cùng với các kỹ thuật tiên tiến,tính khả thi nhờ các công nghệ như FPGA sẽ được hội tụ trong các hệ thống vôtuyến thế hệ sau Là môn học cơ sở của chuyên nghành thông tin vô tuyến, nội dungkiến thức của môn học này được sử dụng một cách chọn lọc để thiết kế và xây dựngcác hệ thống thông tin vô tuyến ở các mức độ tối ưu khác nhau, và phục vụ cho cácmôn học tiếp theo như: Các công nghệ và mạng truy nhập; Thông tin di động; Cácchuyên đề thông tin vô tuyến

MỤC TIÊU (1/2):

Kỹ năng: Xây dựng mô hình và chương trình mô phỏng các phần tử

và hệ thống truyền dẫn vô tuyến số điển hình nhằm: (i) trực quan hóa nguyên lý hoạt động ở dạng biểu diễn tín hiệu và hệ thống trong miền thời gian, miền tần số,v,v, ; (ii) tính toán, phân tích, đánh giá hiệu năng, tối ưu các tham số đối lập cũng như ưu nhược điểm của các hệ thống thông tin vô tuyến Quy hoạch, khai thác, quản lý và bảo dưỡng

hệ thống thông tin vô tuyến.

Thái độ, chuyên cần: Nhận thức rõ vị trí, vai trò nội dung của môn học trong phân tích, thiết kế, quản lý khai thác các hệ thống thông tin

vô tuyến Cập nhật và làm chủ các kỹ thuật công nghệ tiên tiến.

MỤC TIÊU (2/2):

Trang bị cho sinh viên Điện tử-Viễn thông các kiến thức cơ bản nền tảng, đặc trưngcủa thông tin vô tuyến:

 Các khái niệm cơ bản trong truyền dẫn vô tuyến số: Kênh truyền, sóng mang, tínhiệu băng tần gốc và thông băng, phân tập, ghép kênh không gian v,v

 Lý thuyết về kênh vô tuyến: Kênh vô tuyến, đặc tính kênh vô tuyến, mô hình vàdung lượng kênh vô tuyến, phương pháp mô phỏng và phân tích đánh giá hiệu năng

 Các kỹ thuật điều chế/giải điều chế số, mô phỏng và phân tích đánh giá hiệu năng

 Các kỹ thật mã hóa kênh kiểm soát lỗi, mô phỏng và phân tích đánh giá hiệu năng

 Các mô hình kênh, dung lượng kênh và phương pháp mô phỏng

 Các phương pháp quản lý và phân bổ tài nguyên vô tuyến điển hình, mô phỏng vàphân tích đánh giá hiệu năng

 Ảnh hưởng của truyền sóng vô tuyến và biện pháp khắc phục

 Phân tích, tính toán đường truyền dẫn vô tuyến số: Lựa chọn và tính toán các thông

số, phân tích đường truyền vô tuyến số mặt đất, phân tích đường truyền vệ tinh

 Thiết bị và hệ thống truyền dẫn vô tuyến số: Cấu hình hệ thống, quy hoạch tần số,các phần tử đặc trưng của thiết bị vô tuyến, quản lý khai thác, đo đánh giá và định vị

sự cố

Chương 1. Giới thiệu chung

Chương 2. Các dạng tín hiệu trong hệ thống thông tin vô tuyến

Chương 3. Không gian tín hiệu và điều chế

Chương 4. Mã hóa kênh kiểm soát lỗi trong hệ thống trong hệ thống

thông tin vô tuyến số.

Chương 5. Xử lý kênh vật lý và mã hóa kiểm soát lỗi trong các hệ

thống thông tin di động.

Chương 6. Thiết bị vi ba số

Chương 7. Quy hoạch tần số và cấu hình hệ thống truyền dẫn vô

tuyến số.

Chương 8. Phân tích đường truyền vô tuyến số

Chương 9 Các thách thức truyền dẫn tốc độ cao trong các hệ thống

thông tin vô tuyến băng rộng

Chương 10. Kỹ thuật đa anten

Chương 11. Lập biểu và thích ứng đường truyền

Học liệu bắt buộc (HLBB):

Cơ sở kỹ thuật thông tin vô tuyến, TS Nguyễn Phạm Anh Dũng, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn

thông, 2013

Học liệu tham khảo (HLTK):

1 Mô phỏng hệ thống viễn thông và ứng dụng Matlab, Nguyễn Viết Đảm, Nhà xuất bản Bưu Điện, 2007

2 Lý thuyết trải phổ và đa truy nhập vô tuyến, TS Nguyễn Phạm Anh Dũng, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông.

3 Wireless Communications, Andrea Goldsmith, Stanford University

4 Fundamentals of Wireless Communication, Dr David Tse and Dr Pramod Viswanath, Cambridge University Press, 2005

6 Digital Communications, Dr Bernard Sklar, Prentice-Hall, 2004

7 Digital Communications, Dr John G Proakis, McGraw-Hill, 2001

Học liệu bổ trợ (HLBT): Các đề tài nghiên cứu khoa học và chương trình mô phỏng:

1 Nghiên cứu mô hình lớp vật lý 802.16e trong WiMAX di động và mô phỏng kênh đường xuống Mã số: 09-HV-2007-RD-VT.

2 Phân bổ tài nguyên thích ứng và lập lịch động cho hệ thống vô tuyến thế hệ sau Mã số: RD-VT.

01-HV-2008-3 Xây dựng các mô hình truyền dẫn thích ứng đa lớp cho các hệ thống thông tin di động thế hệ sau Mã số: 101-06-KHKT-RD.

4 Xây dựng phần mềm mô phỏng kênh phađinh cho thông tin di động Mã số: 06-HV-2003-RD-VT.

5 Nghiên cứu điều chế thích ứng cho máy thu thông minh trong thông tin di động Mã số: RD-VT.

02-HV-2004-6 Nghiên cứu mô phỏng hệ thống truyền dẫn vô tuyến sử dụng máy thu phát thông minh trên cơ sở OFDM thích ứng Mã số: 12-HV-2005-RD-VT.

TIẾN HÓA

TRUYỀN THÔNG VÔ TUYẾN

Khai thác tài nguyên vô

tuyến chưa triệt để.

Khai thác tiềm năng của

các thành phần và node mạng chưa triệt để.

Khai thác CSI chưa triệt

để.

Việc phối kết hợp chưa cao.

• Mã hóa kênh sửa lỗi tiên tiến, phân tập, điều chế bậc cao, MIMO-OFDM,…

• Quy hoạch và tối ưu mạng, mạng tự tối ưu, SON,…

• Phân bổ tài nguyên tối ưu và lập lịch động, cơ chế thích ứng: AMC, AOFDM ,…

Tài nguyên bị hạn chế và khan

Khai thác hiệu quả và triệt

để tài nguyên vô tuyến

Khai thác triệt để năng lực

và tiềm năng của các thành phần và nút mạng.

Đối phó, khắc phục các

nhược điểm.

Khai thác triệt để CSI.

 Vô tuyến khả tri: Phát hiện và khai thác

phổ tần rỗi (cảm nhận môi trường và phân bổ tài nguyên)

 Vô tuyến hợp tác: Hợp tác, phối kết hợp

giữa các nút mạng và các phần tử để tăng

độ chính xác cảm nhận, mã hóa mạng động,…

 Vô tuyến UWB, Massive MIMO, RoF….

Mục tiêu:

Tối đa hóa hiệu năng (dung lượng

và chất lượng) và hiệu quả chiếm dụng năng lượng

Môi trường vô

tuyến

Yêu cầu và nhu

cầu Mạng truyền thông vô tuyến hiện tại

• Khai thác tài nguyên VT

chưa triệt để.

• Khai thác tiềm năng của các

thành phần và node mạng chưa triệt để.

• Khai thác CSI chưa triệt để.

• Việc phối kết hợp chưa cao.

• Mã hóa kênh sửa lỗi tiên tiến, phân tập, điều chế bậc cao, MIMO-OFDM…

• Quy hoạch và tối ưu mạng, mạng tự tối ưu SON…

• Phân bổ tài nguyên tối ưu và lập lịch động, cơ chế thích ứng: AMC, AOFDM…

Khai thác hiệu quả và triệt để tài nguyên vô tuyến ở dạng đồng hoạt động và chồng phổ tần.

Khả năng đề kháng với kênh pha đinh.

Tài nguyên bị hạn chế và khan

hiếm Nhu cầu chiến dụng ngày càng gia tăng

Chất lượng và an ninh kém Yêu cầu chất lượng ngày

- Các tham số đặc trưng của MT động (CSI động)

- Tài nguyên hạn chế và khả dụng động như: hố phổ, chồng phổ (cơ hội chiếm dụng và chia sẻ tài nguyên)…

- Tài nguyên bị hạn chế (mã, công suất, băng thông…)

- Nhu cầu chiếm dụng tài nguyên động…

- Tính công bằng mềm dẻo, mức độ ưu tiên

 Khó khăn thách thức…

 Xử lý tín hiệu tiên tiến, thư viện chương trình xử lý tín hiệu trong các ngôn ngữ lập trình

 Kiểm chứng, phê chuẩn kết quả nghiên cứu

Góp phần gia tăng tốc độ tiến hóa ?

Tối đa hóa hiệu năng (dung lượng và chất lượng) và hiệu quả sử dụng năng lượng.

Mục tiêu

Cellular Architecture and Key Technologies for 5G

Wireless Communication Networks

 A Potential 5G Wireless Cellular Architecture

 Promising Key 5G Wireless Technologies

 Visible Light Communication

 Future Challenges in 5G Wireless Communication Networks

 Optimizing Performance Metrics

 Reducing Signal Processing Complexity for Massive MIMO

 Realistic Channel Models for 5G Wireless Systems

 Interference Management for CR Networks

Cellular Architecture and Key Technologies for 5G Wireless

also be a

heterogeneous

one, with

macrocells, microcells, small cells, and relays

To accommodate high mobility users such as users

in vehicles and high-speed trains,

we have proposed

the mobile

femtocell concept, which combines

the concepts of mobile relay and

Môi trường Vô tuyến

CẢM NHẬN PHỔ

QUYẾT ĐỊNH

PHỔ

PHÂN TÍCH PHỔ

Tín hiệu truyền đi Các tác nhânVô tuyến RF

Thông tin về

hố phổ

Dung lượng kênh

CR thích nghi với môi trường phổ

Vô tuyến khả tri thích nghi với phổ của môi trường; trong khi đó SDR lại thích

nghi với môi trường mạng

Vô tuyến khả tri - Vô tuyến nhận thức - Vô tuyến tri thức

“Vô tuyến khả tri CR là vô tuyến có thể thay đổi các thông số truyền trên cơ sở tương tác

với môi trường làm việc”

Theo Ed Thomas “ Nếu xét toàn bộ dải tần số vô tuyến từ 0 đến 100 GHz và quan trắc ở một thời điểm tại một địa điểm cụ thể, thì chỉ có 5% đến 10% lượng phổ tần được chiếm dụng” => lãng phí hơn 90% tài nguyên phổ tần vô tuyến Công nghệ CR được xem là giải pháp tối ưu cho vấn

đề này.

RF Điều chế Mã hóa Tạo khung Xử lý

Vô tuyến thông thường

RF Điều chế Mã hóa Tạo khung Xử lý

Vô tuyến định nghĩa bằng

Xử lý thông minh (cảm nhận, nhận thức, tối ưu)

Khái quát về vô tuyến khả tri

Vô tuyến thông thường - Vô tuyến được định nghĩa bằng phần mềm

SDR - Vô tuyến khả tri CR

Mức độ phức tạp của ISP và Công nghệ qua các tầng của mô hình OSI Đối với một CR tối ưu, tính thông minh

và khả năng tái cấu hình được ở tất cả các lớp là yêu cầu lý

tưởng.

7 tầng của mô hình OSI

“CR sử dụng xử lý tín hiệu thông minh (ISP) ở lớp Vật lý của hệ thống vô tuyến và đạt được bằng

cách kết hợp ISP với SDR”

Khái quát về vô tuyến khả tri

Khái quát về vô tuyến khả tri

Anten

băng rộng

Bộ ghép song công

Cổng định thời

Điều khiển công suất phát (TPC) Bộ tổng hợp

thích ứng

Phát hiện lịch sử chiếm dụng tài nguyên vô tuyến (IPD)

Phối hợp lựa chọn

Mô hình vô tuyến khả tri dựa trên SDR

(FPGA => cho phép thông minh hóa thiết bị người dùng)

Khả năng khả tri

Khả năng tự cấu hình

Tính chất điển hình của vô tuyến khả tri:

Khái quát về vô tuyến khả tri

 Khả năng khả tri: khả nhận tài nguyên (phổ tần) không được chiếm dụng tại một thời điểm,

tại vị trí nhất định => tối ưu hóa phân bổ tài nguyên (công suất, mã, lập lịch, ), tối ưu hóa tham số đối lập (AMC) tối ưu hóa hiệu năng

 Tính tự cấu hình: Khả năng điều chỉnh các thông số theo môi trường truyền thông động và tài nguyên động, khả năng thích ứng.

KÊNH VÔ TUYẾN

VÀ THAM SỐ ĐẶC TRƯNG

Mục đích

Làm sáng tỏ: Các khái niệm về kênh vô tuyến di động, các tham số đặc trưng, nhận thức tài nguyên vô tuyến; các mô hình kênh truyền sóng, các hàm kênh truyền sóng, mô hình

hệ thống trên cơ sở mô phỏng kênh vô tuyến.

Nội dung

 Tóm tắt lý thuyết: Mô hình hóa kênh pha đinh phân bố Rayleigh, Rice Các tham số đặc trưng.

NVD_Rayleigh_Fading_Sim: Tiến hành mô phỏng theo từng bước, xác định và thay đổi các tham số đầu vào cho chương trình, phân tích ảnh hưởng của các tham số đầu vào lên kết quả mô phỏng.

Mô hình thu tín hiệu trong môi trường

kênh vô tuyến thay đổi theo thời gian

Mô hình thu tín hiệu trong

 Mô hình đa đường thống kê

• Số lượng các thành phần đa đường ngẫu nhiên, mỗi thành phần đa đường có:

– Biên độ ngẫu nhiên – Pha ngẫu nhiên – Dịch tần Doppler ngẫu nhiên – Trễ ngẫu nhiên

• Các thành phần ngẫu nhiên thay đổi theo thời gian => Đáp ứng xung kim CIR thay đổi theo thời gian

• Đặc điểm cơ bản của tín hiệu thu:

– Nhiều thành phần đa đường – Biên độ thay đổi chậm – Pha thay đổi nhanh

 Các ảnh hưởng:

- Truyền sóng đa đường

- Hiệu ứng Doppler:

 Hiệu ứng Doppler và ảnh hưởng:

n



 d

Ả nh hưởng của tần số Doppler

gây nở phổ tần tin hiệu

Kênh vô tuyến

Đáp ứng xung kim của kênh a) CIR băng thông, (b) CIR băng gốc

 Đáp ứng xung kim kênh (CIR)

Tóm tắt lý thuyết

Mụ hỡnh elip của Parsons và Bajwa

Các đường truyền cùng độ dài cùng

C A

Các đường truyền độ dài Trễ

A B

 Đáp ứng xung kim kênh và lấy trung bình các thành phần tán xạ

Các đường truyền khả phân giải

L 1

2 0





        

ái niệm: tương quan, nhất quán

ân tán trong miền thời gian ,

Minh họa đáp ứng xung kim CIR và đáp ứng tần số của các người dùng

Minh họa ứng dụng ước tính kênh vào việc phân bổ kênh con và công suất giữa các người dùng

 Tính phụ thuộc thời gian

b) Đáp ứng xung kim của hệ thống thay đổi theo thời gian

Dạng hàm thay đổi

PSD đầu vào

PSD đầu ra

n



 d

n



Trễ rất nhỏ

Trễ rất lớn

Kênh

Tín hiệu vào x(t)

Tín hiệu

ra y(t) Hàm truyền đạt

Hàm truyền đạt kênh phẳng trong

băng tần tín hiệu (kênh phađinh

phẳng)

Hàm truyền đạt kênh không

phẳng trong băng tần tín hiệu

(kênh phađinh chọn lọc tần số)

Y(f)

 Tính phụ thuộc tần số

Kênh pha đinh

Suy

hao

Che chắn

Pha đinh đa đường

Thay đổi theo thời gian

Pha đinh phẳng

Pha đinh chậm

Pha đinh nhanh

B¨ng th«ng nhÊt qu¸n B

¶i Doppler f

Phân loại pha đinh phạm vi hẹp

Cơ sở phân loại Loại Phađinh Điều kiện

Trải trễ đa đường Phađinh phẳng B << B C; T 1 0

Phađinh chọn lọc tần số B > B C; T < 10

Trải Doppler Phađinh nhanh T > T C; B < f d

Phađinh chậm T << T C; B >> f d

B là độ rộng băng tần tin hiệu; BC là băng thông nhất quán; fd là trải Doppler; T là chu

kỳ ký hiệu; và  trải trễ trung bình quân phương

Lu ý mối quan hệ: WSSUS với khả phân giải; LTV và Doppler

¶i Doppler f

 Mục đích

 Hiểu vị trí vai trò của truyền thông vô tuyến

 Biết ưu nhược điểm và các biện pháp cải thiện hiệu năng

 Đặc điểm của truyền dẫn vô tuyến số

 Sơ đồ khối chung của một hệ thống tin vô tuyến số và

kiến trúc thu phát số.

 Các biện pháp khắc phục để nâng cao chất lượng truyền

dẫn vô tuyến số.

AN

AN T

AN

AN T

CN

LN

Mạng ngoài

Mạng truy nhập vô tuyến

Lớp ứng dụng Lớp trình bày Lớp phiên Lớp truyền tải Lớp mạng

Lớp liên kết số liệu Lớp vật lý

Mô hình OSI

(1) Thiết bị đầu cuối (T: Terminal);

(2) Mạng truy nhập vô tuyến (RAN: Radio Accesss Network);

(3) Mạng lõi (CN: Core Network);

(4) Mạng ngoài (EN: External Network).

Nhược điểm:

 Môi trường hở => Chất lượng truyền dẫn chựu ảnh hưởng ngẫu nhiên bởi:

Thời tiết khí hậu, địa hình (mặt đất, đồi núi, nhà cửa cây cối )

Nguồn nhiễu trong thiên nhiên: phóng điện trong khí quyển, phát

xạ của các hành tinh khác (khi truyền thông vệ tinh)

Nhiễu công nghiệp từ các động cơ đánh tia lửa điện

Nhiễu từ các thiết bị vô tuyến khác (MAI, nhiễu phá,….).

Vấn đề an ninh: Dễ bị thu trộm tín hiệu, sử dụng trái phép.

Suy hao trong môi trường lớn (môi trường không đồng nhất).

Tính di động tương đối giữa phát và thu (dịch tần Doppler).

 Tài nguyên hạn chế

Ưu điểm:

 Linh hoạt

 Di động

Tài nguyên vô tuyến

và Tài nguyên sợi quang

Tổ chức quy hoạch sử dụng tài nguyên vô tuyến hợp lý: FD, TD,CD,SD, đa

truy nhập…

Sử dụng các giải pháp công nghệ tiên tiến: MIMO; Cơ chế thích ứng; Lập biểu

thích ứng đường truyền; Phân bổ tài nguyên tối ưu…

Tổ chức cấu hình hệ thống hợp lý

 Cấu hình dự phòng để đối phó sự cố thiết bị

 Cấu hình phân tập (phân tập không gian, phân tập tần số, phân tập phân cực,phân tập góc, phân tập thời gian) đối phó sự cố đường truyền