Đồ án tốt nghiệp : Kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong chuẩn wlan ieee 802 11

Ngày nay WLAN đang được phát triển rộng rãi vì những hệ thống này không sử dụng cáp truyền và dễ dàng truy cập vào hệ thống mạng từ những vị trí khác nhau, ngoài ra nó còn có nhiều ưu đi

KY THUAT OFDM VA UNG DUNG

TRONG CHUAN WLAN 802.11

CHUYEN NGANH: DIEN TU - VIEN THONG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐHDL KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - 000 -

2 oe aie ae a &

NHIEM VU LUAN AN TOT NGHIEP

(Sinh viên phải đóng bản nhiệm vụ này vào trang thứ nhất của để an)

Ho va tén SV : NGUYEN THANH THUYET MSSV : 103101111

Nganh : Dién tir - ‘Vien 1 thong - Lớp :03DT01

1 Đầu dé dé án tốt nghiệp: -

KỸ THUẬT OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG CHUẨN WLAN 802.11

2 Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp (Yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu):

- Tổng quan về mạng WLAN

- Nguyên lý kỹ thuật OFDM và ứng dụng của kỹ thuật OFDM trong chuẩn WLAN

IEEE802.1

- Viết chương trình mô phỏng

3 Ngày giao nhiệm vụ đồ án : 01/10/2007

4 Ngày hoàn thành đồán : 12/01/2008

5 Họ tên người hướng dẫn : ¬ Phần hướng dẫn

1/ V6 Thi Bich Ngoc 1/ Toàn bộ

Nội dung và yêu cầu của ĐATN đã được thông qua

Ngày tháng năm 2007

TRƯỞNG KHOA NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH

(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)

Khua ĐIỆN ĐIỆNTÚ | ˆ

L———srr Ngọc Bá VO THI BICH NGOC

BANG NHAN XET

CUA GIAO VIEN HUONG DAN

SVTH : Nguyén Thanh Thuyét

Lớp :03DHDTI

MSSV : 103101111

GVHD : V6 Thi Bich Ngoc

Đề tài luận văn:

KY THUAT OFDM VA UNG DUNG TRONG CHUAN WLAN 802.11

A 4 nd oF CA , Ẩ °

Nhận xét của giáo viên hướng dân : dl H099 000 0 001K T000 0 90.15 05 8 5 S0 6S 0091195556621 555551555 HỌ0 90 1010 00 nọ TT 0 099009 560 5505515 5 S555 5555555555551 1 s5 maAAA Íqqcc ỐỐỐỐỐỐốỐốỐốỐốỐỐố

Họ 090 00 1 Họ TH T1 H0 0066 0685 05 5 50555 655105 6515255552555 S009 16000010056 6.00 0004.116 0 0 9 5 5:1 9S T2 05555518 sc A"M ụ ốỐốỐố.ỐốỐ.ỐốỐố.ốỐốỐốỐốỐốỐốỐốỐốỐỐỐốỐốỐốỐốỐốỐốỐốỐốỐốỐốố ẽ.-

0910 0000 C0001 0 cọ 0.0 005 5 00555 596661905 515080052

20900001 00650 1 nọ HT nọ 99 10 550 15 555 SE 6959955555155 55 C06800 0030 Họ 0 0 0000 018 19 155550 T0 5595555 8559555515 58522 s0 21 0050100 00 T00 0 ii 03 55 0 59555 9S K15 5955555 S010 000 8 1 0 T000 01 581 1 55555005 689955555155 59555

0060601 6 0 0 1T ch 0 c0 9 0 T105 8.55 56 0 6 11055552 S900 010 1 TT 0 110 500 S915 5 919055152 S004 00000100 HT 00 06 0 T9 0.0 005 95 S195 55 n5 51909555552 c0 kh 0 0 t0 0 9.00 05 0 S1 6 S91 9052 S000 1000 00 00 00 1s 0000 0 Ti c0 56 50 6 85 55 00551 ss

mm D.D ÁCÁ CCC Ố cm

Tp.Hồ Chí Minh, ngày ¿0 tháng 01 năm 2008

Giáo viên hướng dẫn

Võ Thị Bích Ngọc

BANG NHAN XET CUA GIAO VIEN PHAN BIEN

SVTH : Nguyén Thanh Thuyét

Lớp :03DHDTI

MSSV : 103101111

GVPB : Th.S Nguyén Huy Hùng

Đề tài luận văn:

KỸ THUẬT OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG CHUAN WLAN 802.11

Nhận xét của giáo viên phản biện :

COCO OOOH OOO DEDEDE OTOL OEE EERE EOD E OHO E 0.66 660.040.0444 0-6-0040-66-2 0.0.2.9 0 bo» 6 Đó ĐỌ Đ ĐÓ ĐÓ ĐÓ GIÓ G000 0 0 00 0009000000090606000000000000060660608800000900e se

Tp.Hồ Chí Minh, ngày tháng 01 năm 2008

Giáo viên phản biện

Th.S Nguyễn Huy Hùng

1 CAM

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô đã tận tình dạy bảo em trong những năm qua và truyền đạt cho em những kiến thức quí báu để làm hành trang cho em bước vào đời

Xin ghi nhớ công ơn của cha mẹ, anh em đã không quản mọi gian lao khó nhọc, và cả sự hi sinh cao cả để cho con được như ngày hôm nay

Xin chân thành cảm ơn các thầy cô Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ

TPHCM đã tận tình chỉ bảo em trong suốt khoá học vừa qua

Xin cảm ơn cô Võ Thị Bích Ngọc đã tận tình hướng dẫn và cung cấp cho em nhưng tài liệu quý báu để hoàn thành luận văn này, cũng như truyền thụ những kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian thực hiện nguyên cứu luận văn

Xin chân thành cảm ơn các bạn bè đã cùng chia sẽ và bàn luận những kiến thức

có ích để em hoàn thiện cuốn luận văn này Đã góp ý giúp đỡ về tỉnh thần cũng như

kinh nghiệm, kiến thức |

Một lần nữa xin gửi đến những người thân yêu, bạn một lời biết ơn sâu sắc

nhất

TP HỖ CHÍ MINH, ngày tháng 1 năm 2008

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thanh Thuyết

1.1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 2,5G Trang 5

1.1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3G Trang 6 1.2 Tổng quan về mạng LAN không đây (Wireless LAN) Trang 7

1.2.1 Gidi thigu WLAN ( Wireless LAN) - Trang 7

1.2.2 Cc thanh phan cia WLAN ecesscesscesscessesseesessseessesseeeees Trang 9 1.2.3 Các vấn đề liên quan khi sử dụng WLAN Trang 10

1.2.4 Các chuẩn WLAN ngày nay 2s ccecrtvrxereeee Trang 12 1.2.5 Phương pháp trải phô 2 ¿se cceerescrerrxerrxee Trang 14 1.2.6 Phương pháp dùng kỹ thuật OFDM - Trang 17 Chương 2: Giới thiệu kỹ thuật truyền đa sóng mang -c«¿ Trang 18

2.2 Kỹ thuật truyền đa sóng 100: ÔÖÖÖÔ Trang 19

2.3 Kênh truyền, đặc tính kênh truyền vô tuyến c .- Trang 21

2.3.1 Các đặc tính của kênh truyễn s-csrsccserscrs Trang 21

2.3.2 Tác nhân ảnh hưởng lên tín hiệu khi truyền Trang 22

Chương 3: Giới thiệu kỹ thuật OFDM «5 5xx cE se eecsee Trang 28

3 Nguyên lý của kỹ thuật OFDM 5+ scscsssseeceersesersee Trang 28

3.1 Hệ thống OFDM -2-©s2csE2CxeSEeEExeerEtrvrEeevrreerr Trang 30

3.1.1 Tạo và thu OFDMM Ăccc sen crec Trang 30 3.1.2 Bộ khuyếch đại công suất máy phát .«. Trang 34 3.1.3 Nối tiếp — song songg -+cesecxstresrrxeerrerrrsee Trang 34

3.1.5 Điều chế RE 2 ccssccxerkeEEkEEkeerkerrkeerreerrvee Trang 36

3.2.1 Mô tả toán học OEDMM 5-5 cc<ccscsecsecseesee Trang 40 3.2.2 Trực giao miền tần số . 2s sccee+xezxeccre Trang 44 3.3 Khoảng bảo vệ ( guard period) 5s «sac scscscse Trang 44 3.3.1 Bảo vệ chống lại offset thời gian - Trang 45

3.3.3 Overhead bảo vệ và khoảng cách các tải phụ Trang 47 3.4 Giới hạn băng thông của OFDM - 5 5 cc<scc<xcsc2 Trang 47 3.4.1 Lọc băng thông . cv H 19161151 xzersree Trang 48 3.4.2 Độ phức tạp tính toán lọc băng thông FTR Trang 48

3.4.3 Ảnh hướng bộ lọc băng thông tới chỉ tiêu kỹ thuật .Trang 49 3.5 Ảnh hưởng của nhiễu Gauss trắng cộng đến OFDM Trang 49

3.6 So sánh truyền OFDM với truyền sóng mang đơn Trang 50

3.7 Các giới hạn điều chế của hệ thống .- -scc«¿ Trang 51 3.8 Điều ché trong OFDM vecsscsssssscsssesssessssssssssssessuesssscessecesssecees Trang 53 3.8.1 Điều chế kết hợp -e+©cescerxrsrksrvrsrresere Trang 53

3.8.2 Điều chế pha vi sai 6 ccscctertEkkeExerrreerrsrr, Trang 53

°S L9 mẽ Trang 55

3.9 Những tham số hệ thống OFDM s-ccsccescrcee Trang 55

Chương 4: Ưu điểm và nhược điểm của kỹ thuật OFDM Trang 57

4 Sơ lược OEDMM - sọ gn HT H1 HH ng HH Hung Trang 57

4.1 Ưu điểm của OFEDM 2 ssczxeEEEeEEkevEkxerEEerrreesrer Trang 57

4.2 Nhược điểm của OFDM ¿- + e+xsvreerevreerxerrerrerrs Trang 58

4.2.1 Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ tần số .- - Trang 58

4.2.2 Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ thời gian Trang 59

4.2.3 Ảnh hưởng của tỉ số công suất trung bình đỉnh Trang 60 Chương 5: Ứng dụng kỹ thuật OFDM vào mạng WLAN Trang 67

con aaag`—”°” Trang 67

5.1.1 Phát thanh âm thanh sỐ .2- - 2s ece+keEsreeezrerz Trang 69

5.1.3 Phát thanh số trên mặt đất - 2s csscrscred Trang 7l

5.3 IEEE 802.1 ÌE s3 HH ng Hung Trang 76 5.4 Khoảng bảo vệ và phần mở rộng tuần hoàn - Trang 77 5.5 Forward Error Correction Coding ( Ma stra 16i tién) Trang 78 5.6 Phép chèn InterleaVing - c1 x11 rxee Trang 79

5.7 Đồng bộ bằng cách sử dụng Symbol training đặc biệt Trang 81

5.8 Su tach sóng ( Detection) - - «kg ng, Trang 82 5.8.1 Sự tách sóng kết hợp . . + < s+zsccscksrkereerxee Trang 84

Kết luận 2° óc E1 AE E111 ererrkd Trang 111

60 c0) ii 0i nh Trang 112 Thuật ngữ Viết tắt -2.2-2s-2s SE TH HH EErgreerkrrerrkeee Trang 113

Danh sach cac hinh

1.1 Sơ đồ phát triển mạng vô tuyến 2-c-©ee++EEevEEEtErxeerrrerrr Trang 3 1.2 Mô hình mạng và độ phủ sóng WLAN - 5c ccecscc Trang 8

1.3 Các điểm có thể liên lạc với nhau 2-2+©+e+tzetEzsrrserrseea Trang 11 1.4 Các điểm không liên lac duoc V6i mhau eecsesesssesssceeccssescssesssseeesseses Trang 12

2.1 Sơ đồ khối của kỹ thuật đơn sóng mang và đa sóng mang Trang 18

2.2 Sơ đồ truyền nhận của OFDM 2 -+++++evEEEstrveertzsrreerree Trang 19

2.3 Đa sóng mang và khoảng bảo vỆ - - 5-5-5557 Ss 2s scxxsssseerees Trang 20 2.4 Giải thông được tiết kiệm giữa đơn sóng mang va đa sóng mang Trang 21 2.5 Mô hình phản xạ mặt đất sscte re ckkvkeEEkrErrvrrerrerrree Trang 23 3.1 Các sóng mang trực giao với nhau - 5< s 55 sa ve sxseseeexe Trang 30

3.2 Hệ thống truyền tín hiệu của OFDM -2 -++22cceczeeztzsezrsecrez Trang 31

3.3 Hệ thống nhận tín hiệu của OFIDMM 2 Gv xe eesca Trang 31

3.4 Điều chế IQ, 16- QAM, với mã Gray dit liéu tới mỗi vị trí Trang 36

3.5 Khoảng bảo vệ của tín hiệu OFIDMM 5-5 sec sec sec Trang 45 3.6 Chức năng của khoảng bảo vệ chống lại ISI 2 + s2 Trang 46 3.7 Chức năng của khoảng bảo vệ chống lại ISI có Multipath Trang 47 3.8 Băng thông của OFDM và FDMM 5-5 5 <xss sex sex kcxe Trang 50 3.9 Mô hình OFDM sử dụng giải thuật Beamforming Trang 56 4.1 Dao động hình bao của 5 sóng trực giao và không trực giao Trang 60 4.2 Đồ thị đầu ra / đầu vào của công Suất +-csccceocsecrkreerreeee Trang 65

5.1 Cấu trúc tần số thời gian của một tín hiệu OFDM Trang 73

5.2 Cấu trúc tần số và thời gian của một IEEE802.11a- gói OFDM Trang 76

5.3 Đường bao của các Symbol OFDM với khoảng bảo vệ phẳng Trang 77 5.4 Mô tả quá trình chèn Interleaved - 55c xxx xe ceg Trang 80 2.5 Mô hình tách sóngg + sàn ch HH nh HH Hưng Trang 84

1 Ly do chon dé tai:

Hiện nay thông tin vô tuyến đang phát triển một cách mạnh mẽ Mà kỹ thuật

OFDM thì ứng dụng trong mạng vô tuyến rất tốt vì nó làm giảm các nhiễu đa đường

mà trong truyền vô tuyến thường mắc phải Vì vậy chọn đề tài này để tìm hiểu kỹ

thuật của nó để bổ xung những kiến thức giúp ích cho em có những kiến cho những

công việc sau này

2 Mục đích đề tài:

> Tìm hiểu kỹ thuật đa sóng mang OFDM

3 Phuong phap nghién ciru:

Từ yêu cầu của đẻ tài, phương án thực thi sẽ là:

> Chương l: Giới thiệu truyền thông vô tuyến

Chương 2: Giới thiệu kỹ thuật truyền đa sóng mang

Chương 3: Giới thiệu kỹ thuật OFDM

Chương 4: Ưu và nhược điểm của kỹ thuật OFDM

Chương 5: Ứng dụng kỹ thuật OFDM vào mạng WLAN

Chương 6: Mô phỏng và đánh giá kết quả

4 Kết quả đạt được:

> Đã tìm hiểu được yêu cầu của đề tài

e _ Kỹ thuật đa sóng mang OFDM

e Ứng dụngOFDM vào mạng WLAN

> Qua mô phỏng Matlab đã hiểu được một số kỹ thuật chèn bit, khoảng bảo vệ,

lỗi xảy ra khi truyền đa đường

Hạn chế của đề tài:

> Trong đồ án này, chỉ nói một vài kỹ thuật OFDM chưa đi sâu vào hệ thống vì chưa hình dung được mô hình thực tế Chưa phân tích được nhiều về ưu và

nhược điểm của OFDM Chưa mô phỏng được nhiều để thấy rõ được kỹ thuật

này Nêu có thêm nhiêu thời gian và điêu kiện thì sẽ nói rõ hơn các vẫn đề này

CHUONG

GIỚITHIỆU

TRUYEN THONG VO TUYEN

1.1 TRUYEN THONG VO TUYEN

Truyền thông vô tuyến di động đã và đang phát triển hết sức nhanh chóng trên phạm vi toàn cầu Số lượng thuê bao di động đã vượt hẳn số thuê bao cố định Truyền

thông vô tuyến rất tiện lợi và hiệu quả, nó cũng là một nhân tố để phát triển xã hội

Trong tương lai số lượng di động sẽ phát triển rất nhanh theo cấp số nhân, vì vậy sẽ có nhiều vấn đề xảy ra như: trạm BTS quá tải, nghẽn mạch điều này dẫn đến chất lượng dịch vụ không tốt Cho nên chúng ta phải không ngừng nâng cấp thiết bị cũng như là phương thức truyền sóng vô tuyến Từ trước tới nay hệ thống thông tin vô tuyến đã

trải qua 3 thế hệ: 1G, 2G, 3G

Mobility?

Broadband wireless communication

1.1.1 Hệ thống thông tin di động 1G:

Mạng di động thế hệ 1G này là mạng di động đầu tiên, nó sử dụng kỹ thuật

tương tự TẤt cả các mạng di động thế hệ 1G này sử dụng phương pháp truy nhập phân chia theo tần số dùng kỹ thuật FDMA (Frequency Division Multiple Access)

Lúc này thuê bao không nhiều nhưng sử dụng công nghệ này thì chỉ được dùng

để sử dụng cho dịch vụ thoại với chất lượng cuộc gọi thấp nguyên nhân do tình trạng nghẽn mạch và nhiễu xảy ra Khi sử dụng theo công nghệ này thì lúc ta đang thực hiện

cuộc gọi nếu có sự di chuyển từ Cell này đến một Cell khác thì hệ thống sẽ không đáp

ứng kịp vì có sự thay đổi tần số lúc này cuộc gọi sẽ bị gián đoạn

Các hê thống 1G:

Các hệ thống mạng di động 1G bao gồm các hệ thống:

e AMPS (Advaced Mobile Phone System)

e ETACTS (Enhanced Total Access Cellular System)

e NMI (Nordic Mobile Telephone System)

Vì lý do mạng thông tin vô tuyến 1G có nhiều nhược điểm không thể đáp

ứng được lượng thuê bao ngày càng nhiều và nhu cầu mọi người này càng cao nên

mạng di động thế hệ 2G ra đời

1.1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ 2G:

Hệ thống mạng 2G bao gồm các hệ thống :

© _PSC (Personal Communication System) PSC là hệ thống truyền dẫn ở tần

số 1900MHZ Ưu điểm của điện thoại PSC là nhỏ, trọng lượng nhẹ bảo mật tốt và thời

gian pin cho lau

© TDMA ( Time Division Multiple Access), 14 mang di động sử dụng kỹ thuật điều chế số phat trién tir mang 1G AMPS, tăng dung lượng mạng bằng cách cho

phép nhiều người dùng chung một kênh vô tuyến mà vẫn đảm bảo chất lượng thoại Điện thoại TDMA có thể hoạt động ở 2 chế độ: analog và digital Trong thông tin TDMA thì nhiều người sử dụng một sóng mang và trục thời gian được chia thành

nhiêu khoản thời gian nhỏ để giành cho nhiều người sử dụng sao cho không có sự

Chương 1: Giới thiệu thông tin vô tuyến

chồng chéo TDMA có hai loại TDMA băng hẹp và TDMA băng rộng nhưng cả hai

hệ thống là sử dụng công nghệ TDMA và FDMA vì người sử dụng thực tế dùng các

kênh được ấn định cả về tần số và thời gian trong băng tần

e CDMA ( Code Division Multiple Access), mang CDMA được khai triển năm 1995 Tương tự như TDMA, mạng CDMA cũng phục vụ cả về analog và digital Điểm khác biệt giữa CDMA và TDMA: các kênh của CDMA rộng hơn khoảng 6 lần

và hệ thống cấp cho mỗi thuê bao một mã duy nhất CDMA có tính bảo mật hơn so với TDMA vì CDMA muốn truy cập thì phải có mã truy cập cho mỗi thuê bao là duy

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 va 1800 MHZ dugc nuéc ta str

dụng cho mạng vinaphone, mobiphone, và viettel Hiện bây giờ chúng ta sử dụng thế

hệ 2,5G cũng là dùng công nghệ giống như 2G nhưng có nâng cấp thêm dịch vụ GPRS để truy cập Internet và tải nhạc và hình

1.1.3 HỆ THÔNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THÉ HỆ THỨ 2,5 G

Hệ thống mạng 2,5G là mạng chuyến tiếp giữa hệ thống mạng di động thế hệ 2G và mạng di động thế hệ 3G Hệ thống hoàn toàn đựa trên cơ chế chuyển mạch gói

Ưu điểm của 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 chỉ 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

Các hệ thống thế hệ 2,5G:

e 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 hắn 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

Chương 1: Giới thiệu thông tin vô tuyến

thé 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

e 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 xi 384 kbps

1.1.4 HỆ THÓNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THÉ HỆ 3G

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 chỉ phí xây dựng cơ sở hạ tầng cho hệ thống này rất tốn kém

e WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access), WCDMA hay con gọi IMT-2000 là một 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

e 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

Chương l1: Giới thiệu thông tin vô tuyến

mạng cải tién tir mang 2G GSM

1.2 TONG QUAN VE MANG LAN KHONG DAY (WIRELESS LAN)

1.2.1 Gidi thiéu WLAN (WIRELESS LOCAL AREA NETWORK)

WLAN là một hệ thống truyền thông dữ liệu mở để truy nhập vô tuyến đến

mạng Internet và các mạng Intetranet Nó cũng cho phép kết nối LAN tới LAN trong một toà nhà hoặc một khu tập thể, hoặc một khu trường đại học Triển khai mạng WLAN bao gồm triển khai các thành phần WLAN, các cấu trúc giao thức, v.v

Trong bối cảnh toàn cầu hoá, sự bùng nỗ nhu cầu truyền số liệu tốc độ cao và nhu cầu đa dạng hoá các loại hình dịch vụ cung cấp như truy nhập Internet, thư điện

tử, thương mại điện tử, truyền file, đã thúc đây sự phát triển của các giải pháp mạng cục bộ vô tuyến (WLAN) Mục đích của WLAN nhằm cung cấp thêm một phương án

lựa chọn cho khách hàng bên cạch các giải pháp như xDSL, Ethernet, GPRS, 3G

WLAN là một phần của giải pháp văn phòng di động, cho phép người sử dụng kết nối mạng LAN từ các khu vực công cộng như khách sạn, sân bay và thậm chí có thể ngay

cả trên các phương tiện vận tải

Các máy tính xách tay được kết nối với nhau thông qua card mạng và thiết bị truy nhập Cisco Aironet 350 với tốc độ từ 1 đến 11 Mbit⁄s Công nghệ này cho phép người sử dụng có thể sử dụng Internet với tốc độ lớn hơn rất nhiều so với phương thức truy nhập gián tiếp truyền thống

WLAN là một hệ thống mạng có chức năng và nhiệm vụ giếng như mạng LAN (Local Area Network) có dây thông thường Ngày nay WLAN đang được phát triển rộng rãi vì những hệ thống này không sử dụng cáp truyền và dễ dàng truy cập vào hệ

thống mạng từ những vị trí khác nhau, ngoài ra nó còn có nhiều ưu điểm như là dễ

dàng lắp đặt và kết nối với các thiết bị trong mạng lại với nhau, triển khai nhanh

chóng dễ dàng nâng cấp bảo trì Các hệ thống này hoạt động phổ biến theo chuẩn IEEE 802.11

Một hệ thống WLAN có thể được tích hợp với mạng vô tuyến diện rộng Tốc

độ bit đạt được trong WLAN cần phải được hỗ trợ truyền dẫn thích hợp từ mạng đường trục Tiêu chuẩn chính của WLAN hiện nay là IEEE 8§02.11b còn IEEE 802.11a dành cho tốc độ bit cao hơn HiperLAN/2 được dự định gộp cả tiêu chuẩn

Chương 1: Giới thiệu thông tin vô tuyến

đữ liệu thông thường nằm trong khoảng 800 MHZ, đến 900 MHZ., 2.4 GHZ, 5.7 GHZ,

thuộc bằng tần ISM (Industry,Scientific and Medical Frequency) của phố sóng điện từ

và các tần số hoạt động này không cần phải đăng kí xin phép sử dụng Các dạng truyền này đều sử dụng đường ngắm Line- of— Sight

Hình 1.2 Mô hình mạng và độ phủ sóng Wlan Infra-red Wireless Lans khéng linh hoat bang hé théng WLAN sir dụng chuẩn

IEEE 802.11, bởi vì hệ thống này sử dụng tín hiệu hồng ngoại để truyền mà loại tín

hiệu này rất nhạy với các vật cản trở, do đó nó đòi hỏi đường Line-of-sight cao Các

thiết bị HUB và NIC hồng ngoại phải luôn đặt tại vị trí cố định để đảm bảo rằng

chúng luôn nhìn thấy nhau Lợi ích chính của hé thong Infra-Red WLAN 1a giam dang

kế hệ thống kết nối đường dây

Phiên bản mới của Infra-Red WLAN được gọi là Diffuse Infta-Red, hoạt động không cần đường ngắm Line-of-Sight bằng cách Bouncing tín hiệu hồng ngoại Tuy nhiên, tín hiệu này chỉ cho phép hoạt động trong một phòng và ở một khoảng cách từ

50 đến 70 feet

Các mạng WLAN đơn giản gồm có 2 hoặc nhiều hơn hai máy tính kết nối qua

liên kết không dây để liên kết với nhau Kết nối mạng WLAN không có dây cáp hoặc

kết nói vật lý nào, thay vào đó nó có một kết nối thông qua quang phổ điện từ đi qua

Chương 1: Giới thiệu thông tin vô tuyế

như Card PCM, PCI trong máy tính notebook, ISA hoặc bộ tương thích PCI trong

máy tính để bàn và thường là bộ tích hợp luôn trong máy tính xách tay đời mới bây giờ Mỗi bộ tương thích mạng này phải chứa những bộ thu phát cần thiết ( nhằm thực hiện việc truyền và nhận thông tin) cho môi trường lựa chọn Tương tự sóng vô tuyến

FM, trong WLAN dữ liệu truyền được thêm vào trên sóng điện từ ở tần số đặc biệt và

được truyền trên làn sóng Radio bỡi bộ tương thích mạng wireless Bộ thu nhận tín

hiệu lắng nghe ở cùng tần số và khi nó nhận được tín hiệu truyền tới, nó tiếp tục công đoạn tách dữ liệu đã thêm vào sóng điện từ và đặt lên hàng đợi để sử dụng

1.2.2 Các thành phần của Wlan

Các thành phần WLAN bao gồm các card giao diện mạng vô tuyến, các điểm truy nhập và các cầu vô tuyến từ xa

> Các card giao diện mạng vô tuyến

Các card giao diện mạng vô tuyến không khác nhiều so với các card biến đổi thích ứng được sử dụng trong mạng LAN hữu tuyến Giống như các card biến đổi thích ứng card giao diện mạng vô tuyến trao đổi thông tin với hệ thống điều hành mạng thông qua một bộ điều khiển chuyên dụng, như vậy cho phép các ứng dụng sử dụng mạng vô tuyến để truyền đữ liệu Tuy nhiên khác với các card biến đổi thích ứng các card này không cần bất kỳ dây cáp nào nối chúng tới mạng và cho phép đặt lại vị trí các nút mạng mà không cần thay đổi cáp mạng hoặc thay đổi các kết nối tới các hub

> Các điểm truy nhập vô tuyến

Các điểm truy nhập tạo ra các vùng phủ sóng, các vùng này nối các nút di động tới cơ sở hạ tầng LAN hữu tuyến Nó làm cho WLAN biến thành một phần mở rộng của mạng hữu tuyến Vì các điểm truy nhập cho phép mở rộng vùng phủ sóng nên các

WLAN rat ổn định và các điểm truy nhập bổ xung có thế triển khai trong cả một toà nhà hay một khu trường đại học để tạo ra các vùng truy nhập vô tuyến rộng lớn Các điểm truy nhập này không chỉ cung cấp trao đổi thông tin với các mạng nối dây mà còn lọc lưu lượng và thực hiện các chức năng cầu nối tiêu chuẩn Do băng thông ghép đôi không đối xứng giữa thông tin vô tuyến và hữu tuyến nên cần một điểm truy nhập

có bộ đệm thích hợp và các tài nguyên của bộ nhớ Các bộ đệm cũng chủ yếu dùng để lưu các gói dữ liệu ở điểm truy nhập khi một nút đi động cố gắng di chuyển khỏi vùng

phủ sóng hoặc khi một nút di động hoạt động ở chế độ công suất thấp Các điểm truy

nhập trao đổi với nhau qua mạng hữu tuyến để quản lý các nút di động Một điểm truy

nhập không cần điều khiển truy nhập từ nhiều nút di động (có nghĩa nó có thể hoạt

động với một giao thức truy nhập ngẫu nhiên phân tán như là CSMA Tuy nhiên một giao thức đa truy nhập tập trung được điều khiển bởi một điểm truy nhập có nhiều thuận lợi Các lựa chọn giao diện mạng hữu tuyến chung tới điểm truy nhập gồm có

10Base2, 10BaseT, modem cáp và modem ADSL, ISDN

> Cầu nối vô tuyến từ xa

Các cầu vô tuyến từ xa tương tự như các điểm truy nhập trừ trường hợp chúng

được sử dụng cho các kênh bên ngoài Tuỳ theo khoảng cách và vùng hoạt động mà

có thể cần tới các ăng ten ngoài Các cầu này được thiết kế để kết nối các mạng với

nhau, đặc biệt trong các toà nhà và xa hàng chục ki lô mét Chúng cung cấp một lựa

chọn nhanh chóng và rẻ tiền so với lắp đặt cáp hoặc đường điện thoại thuê riêng, và

thường được sử dụng khi các kết nối hữu tuyến truyền thống khó thực hiện trong thực

tế (ví dụ qua các sông, vướng địa hình, các khu vực riêng, đường cao tốc)

1.2.3 Các vấn đề liên quan khi sử đụng Wlan

Đó là các vấn đề về nút ẩn, theo dõi công suất, các nguồn nhiễu vô tuyến và các cản trở truyền lan tín hiệu Hầu hết các vấn đề này gắn liền với các LAN vô tuyến

Một khó khăn do sự dao động lớn của công suất tín hiệu trong WLAN là sự tồn

tại các nút ân (không có vị trí) mà một số nút này nằm trong vùng các bộ thu nhưng không phát Cảm ứng sóng mang được đáp lại không hiệu quả trong tình huống nút ấn này vì một nút nguồn ngăn chặn các nút khác trong vùng lân cận của nó nhiều hơn là

trong vùng của nút đích Do đó làm giảm chất lượng của các giao thức cảm ứng sóng

Chương 1: Giới thiệu thông tin vô tuyến

mang bởi vì khoảng thời gian của các va cham không được bảo vệ kéo dài toàn bộ độ

dài gói dữ liệu Với cảm ứng sóng mang thông thường giai đoạn không được bảo vệ ngắn hơn rất nhiều, thông thường trong khoảng một vài bit đầu tiên của gói dữ liệu Các nút ấn sẽ không phải là vẫn đề trở ngại nếu như các vùng phủ sóng vô tuyến được cách ly tốt Bởi vì các va chạm thường ít xảy ra trong các hệ thống trải phổ hơn là trong hệ thống băng hẹp nên sự tồn tại các nút ẩn không thể gây ra nhiều trở ngại cho các WLAN DSSS và FHSS Ngược lại các nút ân có thể có lợi cho cả hai hệ thống vì khi không sử dụng cảm ứng sóng mang truyền dẫn đa gói bằng các phiên bản dịch

thời gian khác nhau của một mã giả nhiễu hoặc nhảy tần có thể được sử dụng Một vấn đề lớn ở đây là nút D và E không thể trao đổi thông tin khi điểm truy nhập không định cấu hình như là một bộ lặp để chuyển tiếp truyền dẫn các gói thông tin giữa các

nút trong vùng phủ sóng Một giao thức đa truy nhập tập trung (do điểm truy nhập

điều phối) giải quyết được vấn dé nút ẩn cho các LAN cơ sở Các nút không thể phát

đi nếu điểm truy nhập không đưa ra các lệnh cho phép rõ ràng Tuy nhiên một va

chạm giao thức vẫn có thể xảy ra khi 2 điểm truy nhập lân cận phát đồng thời tới một

nút trong vùng chồng lấn Tình huống này có thể được giảm xuống nếu như các điểm truy nhập lân cận điều phối truyền dẫn thông qua mạng hữu tuyến hay hoạt động thông qua các kênh tần số không chồng lấn

Hình 1.3 Các điểm có thể liên lạc với nhau

se ĐiểmC gửi RTS

e Diém B có thể nghe RTS, vì vậy điểm B gửi CTS

e© Điểm A nhận được CTS, và truyền Defer

Chuong 1: Giới thiệu thông tin vô tuyến

Hình 1.4 Các điểm không liên lạc được nhau e© Điểm B gửi RTS đến A

e_ Điểm A nhận được RTS, lúc này A gửi CTS đến B

e Điểm C nhận RTS, nhưng không nhận được CTS và không thể

e_ Điểm B gửi RTS đến điểm A

e Diém A giti CTS đến điểm B

e Điểm C không có thể nhận CTS và không thé truyền

1.2.4 Các chuẩn mang WLAN ngày nay

WLAN là công nghệ thuộc lớp truy nhập, về bản chất thì WLAN là một hệ

thống mạng LAN có cơ chế tránh xung đột CSMA/CA ( Carrier Sence Multiple Access With Collision Avoidance) sự truy cập bằng cách đò tim sóng mang, một thiết

bị dùng giao thức này có khả năng dò tìm sóng mang, nhằm cho phép sự đa truy cập

đến một phương tiện chung Giao thức này có khả năng phát hiện một loại va chạm

bỡi vì kỹ thuật này có định hướng truyền thông

Chuẩn IEEE 802.11 được xây dựng vào năm 1997, chuẩn này được đưa ra cho

những thiết bị của hệ thống WLAN hoạt động ở lớp vật lý Chuẩn IEEE 802.11 hoạt

động theo hai mode đó là mode hạ tang (Infrastructure mode) va phi thé thitc

Chuong 1: Giới thiệu thông tin vô tuyến

+Mode ha tang:hé théng mang WLAN str dung các điểm kết nối Access pomt

(AP) và các thiết bị sử dụng wireless Card trong mạng để kết nối với nhau qua các

điểm truy cập

+ Mode phi thể thức: hệ thống mạng WLAN không cần các điểm truy cập, các

thiết bị trong mạng có thể kết nối trực tiếp với nhau

Hiện nay có 3 dạng chuẩn chính được sử dụng trong các hệ thống mạng cục bộ

không dây là : IEEE 802.11b, IEEE 802.11a, IEEE802.11g

e© Chuan IEEE 802.11b

Release | Op Data rate | Data Rate | Range (Indoor)

Date Frequency (Typ) (Max)

1999 2.4GHZ 6.5 Mbit/s 11 Mbit/s ~30 meter (~ 100

feet)

Day là một chuẩn khá phổ biến, chuẩn này hoạt động ở dãy tần 2.4GHZ, 1a day

tần ISM Tốc độ truyền dữ liệu từ 6.5 MHZ đến 1IMHZ Wi-fi là tên gọi của các dòng

sản phẩm hoạt động tương thích với chuẩn này và được đảm bảo bởi tổ chức WECA

(Wire Ethernet Compatibility Alliance)

Chuẩn IEEE 802.11b sử dụng phương pháp DSSS ( Direct sequence Spread

Spectrum- trải phổ chuỗi trực tiếp) để truyén Broadcast 1 trong 14 kênh tần số trung

tâm

Chương 1: Giới thiệu thông tin vô tuyến

e Chuan IEEE 802.11a

Chuẩn 802.11a dựa trên cơ sở kỹ thuật điều chế ghép kênh phân chia theo tần

số trực giao (OFDM) cho phép truyền số liệu với tốc độ cao từ 25 Mbit/s dén 54

Mbit/s Chuan nay làm việc ở dãy tần 5GHZ với tổng dãi thông băng tần khoảng

300GHZ

Release | Op Data rate| Data Rate | Range (Indoor)

Date Frequency (Typ) (Max)

1999 5 GHZ 25 Mbit/s 54 Mbit/s ~30 meter (~ 100

Release | Op Data rate|Data_ Rate | Range (Indoor)

Date Frequency (Typ) (Max)

June,2003 | 2.4 GHZ 25 Mbit/s 54 Mbit/s ~30 meter (~ 100

feet)

Chuẩn này là sự tích hợp của 2 chuẩn trên Chuẩn 802.11g tăng cường khả

năng sử dụng dải tần 2.4 GHZ, với tốc độ truyền lên tới 54 Mbps, tuy nhiên chỉ có thể

truyền giữa những đối tượng nằm trong khoảng cách ngắn

1.2.5 Phương pháp trải phổ

Trải phổ là một dạng điều chế, phương pháp điều chế này trải dữ liệu phát xuyên suốt trên những băng tần có giá trị, trong một giới hạn nhỏ nhất của băng tần được yêu cầu để gửi thông tin Việc trải dữ liệu xuyên suốt các phố tần số giúp cho tín hiệu chống lại tiếng ồn, nhiễu và nghe trộm Phương pháp điều chế trải phố thường

được sử dụng các thiết bị truyền thông cá nhân cũng như trong mạng cục bộ không dây Phương pháp này được ứng dụng trong mạng WLAN vì nó có những ưu điểm là: + Có khả năng loại bỏ hay giảm bớt sự ảnh hưởng của nhiễu đa đường

+ Có thể chia băng tần giống nhau cho người sử dụng khác

+ Khả năng bảo mật cao vì không biết mã động

Chương 1: Giới thiệu thông tin vô tuyến

+ Đồi hỏi số lượng phố thấp vì tín hiệu được trải trên băng tần lớn

Tuy nhiên, phương pháp này có những hạn chế là sử dụng không hiệu quả độ rộng băng tần và việc thực hiện hơi phức tạp Hiện nay có hai phương pháp phổ biến

sử dụng công nghệ trải phổ là: trải phé nhay tan FHSS (Frequency Hopping Spread Sprectrum) và trải phổ tuần tự trực tiếp DSSS (Direct Sequency Spread Sprectrum)

v Trải Phố nhảy tần FHSS

FHSS là một kỹ thuật phổ rộng sử dụng sự linh hoạt tần số để trải dữ liệu Băng tần được phân phối sẽ được chia thành các băng tần con thấp hơn được gọi là các kênh Mỗi kênh đều có băng thông bằng nhau và được xác định bối tốc độ bit cùng

với phương pháp điều chế được dùng Máy phát dùng mỗi kênh trong một khoảng thời gian ngắn trước khi nhảy đến một kênh khác Khi đang dùng một kênh, tần số sóng mang trung tâm của kênh đó được điều chế với các bit đang được truyền tại thời điểm

đó Mẫu hữu dụng của kênh này là giả ngẫu nhiên và được gọi là tuần tự nhảy (Hopping Sequency), thời gian trải trên mỗi kênh được xem như là khoảng thời gian của một chip (Chip Period), và tốc độ nháy là tốc độ phat chip

Có 2 chế độ hoạt động tương ứng với trải phổ nhảy tần và được xác định bởi tỉ

số giữa tốc độ phat chip so với tốc độ số liệu gốc Khi tốc độ chip lớn hơn tốc độ số

liệu thì chế hoạt động tương ứng được gọi là nhảy tần nhanh Và ngược lại tốc độ chip

nhỏ hơn tốc độ số liệu thì chế độ hoạt động tương ứng được gọi là nhảy tần chậm

Trong cả hai trường hợp, có một tần số sóng mang được dùng tại trung tâm của mỗi kênh

Ưu điểm của phương pháp này là khả năng tránh dùng các kênh đã chọn (băng

hẹp) trong toàn bộ băng tần đã được phân phối, đặc biệt là trong băng tần ISM bởi khả

năng xuất hiện một hoặc nhiều nguồn nhiễu băng hẹp công xuất lớn trong vùng phủ của mạng WLAN Nếu có nhiễu xảy ra ở một tần số nào đó thì ta có thể xem tần số đó

đã bị chiếm và có thể loại trừ tần số này

Kỹ thuật này đặc biệt hữu dụng đối với nhảy tần chậm, vì với nhảy tần nhanh

hệ thông sẽ có giá thành cao hơn nhiều so với hệ thống nhảy tần chậm Lúc này đòi

hỏi máy phát và máy thu phải đồng bộ (cùng nhảy) điều này khó thực hiện nhiều so

với nhảy tần chậm Do đó các hệ thống nhảy tần chậm cung cấp một giải pháp có giá

Chương 1: Giới thiệu thông tin vô tuyến

thành hạ cho mạng WLAN Nhưng các hệ thông WLAN đòi hỏi hiệu quả cao thì ta

phải chọn giải pháp nhảy tần nhanh ( tối thiểu tốc độ chip phải gấp 2 lần so với tốc số

liệu gốc)

Y Trai Phé nhay tan DSSS

Nguyên lý hoạt động của trải phổ tuần tự trực tiếp là số liệu nguồn được truyền trước hết được XOR với một tuần tự nhị phân giả ngẫu nhiên, nghĩa là các bit tạo ra

tuần tự mã giả này là ngẫu nhiên nhưng tuần tự này có tốc độ lớn hơn nhiều so với tốc

độ số liệu nguồn Do đó khi tín hiệu đã XOR được điều chế và truyền đi thì nó chiếm

hay còn gọi là trải ra một băng tần tương đối rộng hơn băng thông số liệu nguồn đã phát, làm cho tín hiệu xuất hiện như một tạp âm đối với các user khác của cùng một băng tần (đây là vấn đề bảo mật của phương pháp này)

Tất cả các thành viên khác của cùng WLAN đều biết tuần tự nhị phân giả ngẫu

nhiên này đang được ding Tat ca cdc frame sé liệu được truyền đều được đặt trước

một tuần tự mở đầu kèm theo một mẫu đánh dấu đầu của frame Do dé, sau khi giải

điều chế tín hiệu đã truyền, trước hết máy thu phải tìm tuần tự mở đầu này ( thương là một chuỗi bit 1) va khi da tim thấy tuần tự này máy thu bắt đầu dịch luồng bit một

cách chính xác Đợi cho đến khi thu được mẫu đánh dấu đầu frame, sau đó sẽ xử lý nội dung của fame Nơi nhận dữ liệu được xác định bởi địa chỉ bit đặt tại vùng header của fame theo cách thông thường

Tuy nhiên vì các trạm thuộc về cùng một WLAN, cùng chiếm một băng tần được phânphối và dùng cùng tuần tự nhị phân giả ngẫu nhiên, nên hoạt động truyền

dữ liệu của chúng sẽ quấy rối lẫn nhau tạo nên nhiễu Vì vậy một phương pháp điều khiển truy xuất môi trường thích hợp phải được dùng nhằm đảm bảo chỉ một hoạt

động truyền xảy ra trong một thời điểm

Hệ số trải phố xác định hiệu xuất của một hệ thống trải phổ Thông thường nó được biểu diễn bằng db và được xem như độ lợi gia công, độ lợi này bằng logarithm

của hệ số trải phố Ví dụ : một hệ thống trải phổ có hệ số trải phổ là 10:1 thì sẽ có độ lợi gia công là: Ig(10:1}= 10db Trong tỷ số SNR sẽ trừ bớt độ lợi này Do đó đối với một hệ thông không trải phổ, giả sử yêu cầu SNR là 10db ( năng lượng tín hiệu gấp 10

Chương l1: Giới thiệu thông tin vô tuyến

lần năng lượng nhiễu), thì nếu dùng trải phổ với độ lợi gia công là 10db hệ thống này

sẽ hoạt động tốt ngay cả khi năng lượng tín hiệu bằng năng lượng nhiễu

1.2.6 Phương pháp dùng kỹ thuật OFDM

Kỹ thuật OFDM (othogonal frequency division multiplexing) ghép kênh theo tần số trực giao cũng được ứng dụng trong mạng WLAN theo tiêu chuẩn IEEE 802.11a và HiperLAN/2 Công nghệ này nằm trong một lớp các kỹ thuật điều chế đa sóng mang trong thông tin vô tuyến kỹ thuật này là chia luồng dữ liệu trước khi phát

thành N luồng dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu đó trên

một sóng mang con khác nhau Các sóng mang này trực giao với nhau, điều này được thực hiện bằng cách chọn độ giãn cách tần số giữa chúng một cách hợp lý OFDM tạo

ra lưới theo thời gian và tần số Hiện nay mạng LAN không dây dùng công nghệ

OFDM rất phô biến dùng chuẩn IEEE802.1 1b chuẩn này hoạt động ở dãi tần 2.4GHZ,

la day tần ISM Tốc độ truyền đữ liệu có thể lên tới 11Mbps Wi-fi là tên gọi của

chuẩn này Ngoài ra kỹ thuật OFDM cũng ứng dụng trong các chuẩn khác như: IEEES802.1 la và IEEE802.11g

Chương 1: Giới thiệu thông tin vô tuyến

Trong tiêu chuẩn đơn sóng mang những hệ thống thông tin liên lạc cho đữ liệu

tốc độ cao, những hiệu ứng của lan truyền đa đường tăng đòi hỏi sự cân bằng cao đến

những khoảng thời gian ký hiệu ngắn và những khoảng thời gian trì hoãn kênh tương

đối dài Cho ví dụ: nếu chúng ta muốn sử dụng kỹ thuật đơn sóng mang cho truyền tốc

độ bit của 20mbps hoặc nhiều hơn, khoảng thời gian ký hiệu là khoảng 50 ns Tình

trạng hỗn độn trong kênh gây ra dội lại những thời gian trì hoãn hơn 500ns Trong

trường hợp của QPSK, bộ hiệu chỉnh cần nhiều hơn so với nhưng trạng thái bên trong

1000.000 Vì vậy cần phải có một kỹ thuật cân bằng tốt hơn

Singie Carrier

Trong khi chúng ta nhìn thấy hình 2.1 ở trên, kỹ thuật đa sóng mang là truyền

dữ liệu dưới dạng song song Trên mỗi sóng mang bạn cần tất cả các phan tử của một

hệ thống đơn sóng mang Lợi thế chính của kỹ thuật đa sóng mang là một khoảng thời

gian ký hiệu dài hơn N lần (N: số sóng mang đơn) OFDM là một trường hợp đặc biệt

của kỹ thuật đa sóng mang Xung hình chữ nhật tần số được chuyển Puls việc hình thành lọc tín hiệu ở bộ phát và máy nhận được sử dụng Hiệu quả những cấu trúc IFFT/FFT thì được sử dụng để xấp xỉ xung hình chữ nhật hình thành Để khắc phục hiệu ứng của truyền lan nhiều đường, một khoảng bộ phận bảo vệ ngắn được đề ra Với khoảng bộ phận bảo vệ này, hệ thống OFDM chỉ cần một bộ nhân trên mỗi sóng

mang Nhìn hình 2.2 ở dưới, bạn có thể nhìn thấy hệ thống OFDM riêng biệt và hoàn

chỉnh

Hinh 2.2 Sơ đề khối truyền nhận của OFDM

2.2 KỸ THUẬT TRUYÊN ĐA SÓNG MANG

Trong kỹ thuật truyền đơn sóng mang nhìn hình 2.3 ở dưới thì mỗi kênh phát truyền trên một tần số khác nhau, sử dụng kỹ thuật FDM để duy trì sự ngăn cách giữa

các đài Tuy nhiên không có sự kết hợp đồng bộ giữa mỗi trạm với các trạm khác Với

kỹ thuật truyền đơn sóng mang này những tín hiệu truyền cần có khoảng bảo vệ tần số

lớn giữa những kênh ngăn ngừa can nhiễu Điều này làm giảm hiệu quả phổ Nếu

trong một đường truyền mà bị nhiễu một tần số thì phía ẽ bị thu thiếu tín hiệu

Truyền tín hiệu vô tuyến chịu ảnh hưởng của môi trường truyền như: nhiễu hay

sự suy giảm biên độ tín hiệu Do đó nếu việc truyền tín hiệu không phải bằng một sóng mang đơn mà bằng nhiều sóng mang đơn ( đa sóng), với mỗi sóng mang sẽ tải

một phần đữ liệu có ích và được trải đều trên cả băng thông thì khi chịu ảnh hưởng

xấu của môi trường truyền thì chỉ có một phần dữ liệu có ích bị mắt, dựa trên cơ sở dữ ee

liệu mà các sóng mang khác tải ta có thể khôi phục lại dữ liệu ban đầu vì Vậy đa sóng

độ bít thấp, nhiều đữ liệu gốc sẽ được thu chính xác Để khôi phục dữ liệu đã mắt,

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 tối thiểu khi hiệu quả phổ kém Khi hiệu quả phổ kém thì chịu nhiều ảnh hưởng của nhiễu

xuyên kênh, các kênh cùng truyền trong một băng thông rất đễ gây nhiễu xuyên kênh, lúc này ta phải có biện pháp tạo được khoảng bảo vệ tối thiểu để cho việc thu tín hiệ

được tốt hơn

Chương 2: Giới thiệu kỹ thuật truyền đa sóng mang

Hình 24 Giải thông được tiết kiệm giữa đơn sóng mang và đa sóng mang

Để khắc phục hiệu quả phổ kém giải pháp là phải có khoảng bảo vệ (Guard

Period) là giảm khoảng cách các sóng mang cạnh nhau trùng lắp nhau Sự trùng lặp

này thì 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)

2.3 KENH TRUYEN, DAC TINH KENH TRUYEN VO TUYEN

2.3.1 CAC DAC TINH CUA KENH TRUYEN

Đối với, đường truyền tín hiệu vô tuyến lý tưởng, thì tín hiệu nhận chỉ bao gồm

các đường truyền tín hiệu đơn trực tiếp, tín hiệu sẽ được tái tạo hoàn chỉnh như ban

đầu không có sự sai lệch về nội dung 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 sẽ bị suy giảm

theo đường truyền, phản xạ và tán xạ từ các đối tượng ở gần như đồi núi, cao ốc, nhà

cửa, xe cộ, môi trường, và các tác nhân khác

2.3.2 TAC NHAN ANH HUONG LEN TIN HIEU KHI TRUYEN

> TRUYEN SONG TRONG KHONG GIAN TU DO

Xét cong suat trung binh P;, giả sử là được phát theo mọi hướng Điều này có nghĩa là phân bô đều trên mặt cau tat cả các sóng được phát ra từ nguồn, vì vậy ở cự

ly d, mật độ công suất trên một đơn vị diện tích là:

Py, =

sóng

Cũng nên nhớ rằng là tất cả các anten đều có một đặc tính hướng tính riêng nó,

nó phát xạ nhiều công suất hơn trong một số hướng có độ rông kém hơn các hướng còn lại Độ lợi hướng tính là tỷ số của mật độ công suất thật sự đọc theo trục phát xạ của anten với thành phần công suất được tạo ra bởi anten đẳng hướng tại cùng một cự

ly và có cùng công suất nguồn đầu vào

Cho: Gr: là độ lợi hướng tính cực đại của anten phát, mật độ công suất theo

hướng phát xạ cực đại sẽ là:

P, = PyG, = “Or Vv

47m

Anten thu có thể được điều chỉnh vị trí để nó có thể nhận được công suất cực

đại từ sóng Khi ở vị trí này, cho Pạ công suất tiêu tán trên tải của anten đưới điều kiện

tương thích, thì anten có thể xem như có một diện tích hiệu dụng hay khẩu độ là A,„,

Chương 2: Giới thiệu kỹ thuật truyền đa sóng mang

Trong đó: pry là công suất trung bình

Gr là độ lợi hướng tính cực đại của anten phát

Gạp là độ lợi của anten thu

3 là bước sóng của sóng được phát

d_ là khoản cách giữa hai anten

4zz4° là diện tích bề mặt quả cầu antenna

Công suất tín hiệu thu phụ thuộc vào đ'Y— khoảng cách giữa anten phát

Chiều dài trực tiếp:

Chiều đài khi có sóng phản xạ:

Chương 2: Giới thiệu kỹ thuật truyền đa s sóng mang

được tốt hay xấu phụ thuộc vào nhiều yếu tố như là máy thu phải tốt và antenna phải

tốt và hướng quay antenna phải được định hướng tốt so với hướng truyền sóng của tín hiệu sóng tới

Đặc trưng của fading chọn lọc tần số là cường độ tín hiệu ở một vài tần số thì được tăng cường bỡi vì sóng tới và sóng phản xạ đồng pha với nhau lúc này biên độ của hai sóng tới và sóng phản xạ sẽ được cộng lại và ngược lại một vài tần số khác thì tín hiệu sẽ bị suy giảm vì hai sóng tới và sóng phản xạ lúc này ngược pha với nhau biên độ tổng của sóng lúc này sẽ là hiệu của sóng tới và sóng phản xạ Khi máy thu và

tất cả các đối tượng 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 và việc thu

sẽ bi 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

> TRUYEN SONG TRONG VUNG TOI VA FADING CHAM

Độ lớn vùng tối phụ thuộc vào kích thước của các đối tượng che khuắt, cấu trúc vật liệu và tần số tín hiệu RF Hầu hết các vật liệu là trong suốt cao ở tần số RE 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, đổi cao hap thu RF di qua nó, tạo vùng tối chiều sâu ở đăng sau chúng Trong những 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

kế đến vùng tối của ánh sáng nhìn thấy vì bước sóng ánh sáng nhỏ (0.4m-0.7m) 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 fading chậm

> TRUYEN SONG TRONG VUNG FADING RAYLEIGH

Fading mức nhỏ gọi là Fading Rayleigh hay là Fading Ricean Tùy thuộc vào cấu trúc tín hiệu thu được mà ta phân biệt hai loại Fading này Để hiểu rõ được điều này thì ta phải phân tích dưới đây

Fading Rayleigh: Xét trường hợp tín hiệu truyền đi là đơn tần với biên độ không

đôi Trong kênh vô tuyến di động tiêu biểu, giả sử sóng trực tiếp bị ngăn cản và máy thu

di động chỉ thu các sóng phản xạ Khi số lượng sóng phản xạ là lớn, theo định lý giới hạn trung tâm thì hai thành phần vuông góc của tín hiệu thu là các quá trình Gausian ngẫu nhiên không tương quan với giá trị trung bình bằng Zero Kết quả là đường bao của tín

hiệu thu được tại bất kỳ thời điểm nào cũng có phân bố Rayleigh và pha của nó phân bố

đồng nhất Hàm phân bố xác suất được xác định:

S rayleigh (x) — (x / p).e*

Trong đó: x : là tín hiệu đã được khuyếch đại x> 0

P: là tín hiệu bằng một nửa tín hiệu nguồn

Fading Rayleigh có thé ha xuống 20, 30 hoặc 40 db

Fading Ricean: Trong hệ thống theo kiểu nhìn thang Los, nhu thông tin vệ tỉnh tín

hiệu thu bao gồm 1 sóng trực tiếp và các sóng phản xạ Sóng trực tiếp có biên độ không

đổi, trong khi sóng phản xạ mang tính ngẫu nhiên Khi số lượng các sóng phản xạ lớn, các thành phần vuông góc chúng được đặc trưng bằng quá trình Gaussian ngẫu nhiên có trị trung bình bằng Zero và đường bao có phân bố Rayleigh Tổng tín hiệu trực tiếp có biên độ là hằng số với các tín hiệu phản xạ có phân bố Rayleigh tạo thành tín hiệu phân

bô có đường bao Ricean

Chương 2: Giới thiệu kỹ thuật truyền đa sóng mang

Trong các đường truyền vô tuyến, tín hiệu RF từ nơi truyền sẽ bị phản xạ bởi nhà cửa, xe cộ Điều này sẽ làm 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 giá trị 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 tăng giảm đáng kể do cấu hình đường truyền sóng thay đổi khi tram di động di chuyển

Nếu trong đường truyền sóng có nhiều phần tử tăng giảm phức tạp thì hầu như

không tính được điện trường thu một cách chính xác từ cầu 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 ví dụ 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

CHUONG

GIOI THIEU

KY THUAT OFDM

3 NGUYEN LY CUA K¥ THUAT OFDM

Trong OFDM, dạng sơ cấp của nó thì được coi như là một kỹ thuật biến điệu số

và không phải nhiều người sử dụng kỹ thuật truy cập kênh Lúc này nó là một truyền thông để gửi một dòng bít qua một kênh đang sử dụng một chuỗi những ký hiệu

OFDM Tuy nhiên, OFDM có thể được kết hợp với đa truy cập theo thời gian, tần số

hay tách mã ra những người sử dụng

Trong sự truy cập song song theo tần số trực giao (OFDMA), sự truy cập song |

song tần số thì những kênh mức dưới đạt được bỡi việc gán OFDM khác nhau tới

những người sử dụng khác nhau Những sự hỗ trợ OFDMA được phân biệt chất lượng

phục vụ khác nhau bỡi chỉ định số khác nhau của đa sóng mang đến những người sử dụng khác nhau giống tương tự như trong CDMA va sy lập chương trình gói như vậy rất phức tạp và sự điều khiển truy cập phương tiện truyền thông loại này thì có thể

được tránh ra

Mở rộng xây dựng OFDM thành một vùng phủ sóng rộng lớn, những cái máy

thu có thể làm lợi từ việc nhận được những tín hiệu từ nhiều máy phát truyền tín hiệu

cùng lúc, từ đó những máy phát sẽ chỉ bị nhiễu phá hoại lẫn nhau trên một số giới chế của các sóng mang mức dưới Nói chung trong khi chúng sẽ củng cố phạm vi trong một vùng rộng Điều này rất có lợi cho nhiều nu top nó trở nên có hiệu quả quốc gia những mạng tần số đơn Ở đó nhiều máy phát`sế gửi cùng tín hiệu đồng thời trên một kênh có tần số giống nhau Mạng đơn tần số dùng phạm vi sẵn có hiệu quả hơn những mạng truyền thông nhiều tần số Ở đó nội dung chương trình thì được lặp lại trên những tần số sóng mang khác nhau Mạng đơn tần số cũng dẫn tới một lợi ích đa

Chương 3: Giới thiệu kỹ thuật OFDM

dạng trong những cái máy thu định vị giữa nhiều cái máy phát Vùng phạm vi thi đang

được gia tăng và xác xuất hao hụt thì được giảm bớt khi so sánh tới những kỹ thuật

truyền thông nhiều tần số, nhờ có tăng cường sức mạnh tín hiệu nhận được trung bình

trên tất cả sóng mang ở mức dưới

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

đữ liệu này được truyền khi sử dụng khối OFDM được tạo ra từ gói dày đặc nhiều

sóng mang Tat 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 lắp 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 triển, 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 (M ), 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’Etude en dédiffution et Télécomunication) của Pháp phát minh nghién ctru

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 (rực 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

Z=a Htn

Hình 3.1 Các sóng mang trực giao với nhau

3.1 HE THONG OFDM

3.1.1 TAO VA THU OFDM

Một tín hiệu của OFDM là tổng của nhiều sóng mang trực giao, với dữ liệu

gốc trên mỗi đa sóng mang được điều chế một cách độc lập sử dụng một vài cách điều

chế điều chế theo biên độ (QAM) hay chuyển dich pha (PSK) Tin hiéu dai gốc này là

một kiểu sử dụng để điều chế sóng mang chính RE

Xa am

Hình 3.2 Hệ thống truyền tín hiệu của OFDM

S() là một dòng tín hiệu nhị phân Bằng bộ đa nghịch dao, những tín hiệu này

thành N bit song và mỗi ký tự một vài kỹ thuật điều chế nào đó như là QAM,

PSK chú ý rằng nhữ kỹ thuật điều chế có thể khác nhau vì vậy một số bít có tốc độ mẫu cao hơn một số bit khác

Một bộ biến đổi Fourier rời rạc đáo thì được tính toán tập hợp của các ký tự, cho

tập hợp số phức lấy mẫu theo thời gian những mẫu này thì được so pha và trộn sau nó

qua bộ lọc băng thông theo đúng tiêu chuẩn của OFDM Những thành phần ảo và thực của số phức này được đưa vào khối chuyển đổi tín hiệu từ số sang tương tự (DAC),

những tín hiệu tương tự này thì được dùng để biến đổi cosin và những sóng hình sin tại tần số sóng mang f, tương ứng Những tín hiệu sin cosin này thì qua bộ cộng và được cộng lại và truyền đi ra không gian gọi là tin hiéu s(t) Lac nay song mang, mang