PHƯƠNG PHÁP đa TRUY cập TRONG UWB

MỤC LỤC Bảng các từ viết tắt i Danh sách hình vẽ iii Danh sách bảng v LỜI NÓI ĐẦU vi CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VIỄN THÔNG 1 1.1 Quá trình hình thành và phát triển của hệ thống viễn thông 1 1.2 Thực trạng của mạng viễn thông trong nước và quốc tế 6 1.3 Những hạn chế của hệ thống viễn thông ngày nay 15 1.4 Những xu hướng phát triển mới 17 1.5 Sự ra đời của công nghệ UWB 18 1.6 So sánh công nghệ UWB với các hệ thống truyền thông băng thông rộng khác 20 1.6.1 Công nghệ UWB và công nghệ CDMA 20 1.6.2 Công nghệ UWB với các phương pháp điều chế DSSS và FHSS 22 1.6.3 Công nghệ UWB và ghép theo tần số trực giao OFDM 26 1.7 Tóm tắt nội dung chương I 29 CHƯƠNG II: KHÁI QUÁT VỀ UWB 30 2.1 UWB là gì 30 2.2 Khái quát về UWB 30 2.3 Công nghệ của UWB 33 2.3.1 Tín hiệu trong UWB 34 2.3.2 Phương thức liên lạc không dây bằng UWB 37 2.3.3 Các phương pháp điều chế được sử dụng trong UWB 39 2.3.3.1 Phương pháp điều chế vị trí xung PPM 42 2.3.3.2 Phương pháp điều chế pha nhị phân BPM 42 2.3.3.3 Một số phương pháp điều chế khác 44 2.3.3.4 Tóm lược về các phương pháp điều chế trong UWB 46 2.3.4 Chuỗi xung 47 2.3.4.1 Chuỗi xung Gaussian 48 2.3.4.2 Mã kênh PN 48 2.3.4.3 Hệ thống UWB PPM nhảy thời gian 50 2.3.5 Máy phát UWB 52 2.3.6 Máy thu UWB 53 2.3.6.1 Tách sóng 55 2.3.6.2 Tích hợp xung 55 2.3.6.3 Theo dấu 56 2.3.6.4 Máy thu rake 56 2.3.7 Nhiễu trong hệ thống liên lạc không dây bằng UWB 57 2.3.7.1 Các mạng vùng nội hạt không dây WLAN 58 2.3.7.2 Bluetooth 61 2.3.7.3 Định vị toàn cầu GPS 61 2.3.7.4 Các hệ thống tế bào 62 2.4 Các mặt hạn chế 63 2.5 Các mặt tích cực 64 2.6 Những biện pháp khắc phục 66 2.7 Những ứng dụng của UWB 67 2.8 Giới thiệu khái quát về phương pháp đa truy cập 71 2.9 Tóm tắt nội dung chương II 72 CHƯƠNG III: PHƯƠNG PHÁP ĐA TRUY CẬP TRONG UWB 73 3.1 Đa truy cập trong UWB là gì 73 3.1.1 Phương pháp đa truy cập 73 3.2 Các phương pháp đa truy cập trong UWB 74 3.2.1 Phương pháp đa truy cập phân chia theo tần số FDMA 74 3.2.2 Phương pháp đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA 75 3.2.3 Phương pháp đa truy cập phân chia theo mã CDMA 75 3.2.4 Phương pháp đa truy cập xung trực giao OPMA 76 3.3 Dung lượng của các hệ thống UWB 78 3.4 Nhiễu trong UWB 81 3.5 Một số phương pháp chống nhiễu 82 3.6 Ưu điểm của các phương pháp đa truy cập 86 3.7 Nhược điểm của các phương pháp đa truy cập 87 3.8 Các giải pháp khắc phục 88 3.9 Hướng phát triển 89 3.10 Khả năng ứng dụng trong thực tiễn 89 3.11 Tóm tắt nội dung chương III 90 KẾT LUẬN 92 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 93

MỤC LỤC

Bảng các từ viết tắt i

Danh sách hình vẽ iii

Danh sách bảng v

LỜI NÓI ĐẦU vi

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VIỄN THÔNG 1

1.1 QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG VIỄN THÔNG 1 1.2 THỰC TRẠNG CỦA MẠNG VIỄN THÔNG TRONG NƯỚC VÀ QUỐC TẾ 6

1.3 NHỮNG HẠN CHẾ CỦA HỆ THỐNG VIỄN THÔNG NGÀY NAY 15

1.4 NHỮNG XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN MỚI 17

1.5 SỰ RA ĐỜI CỦA CÔNG NGHỆ UWB 18

1.6 SO SÁNH CÔNG NGHỆ UWB VỚI CÁC HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG BĂNG THÔNG RỘNG KHÁC 20

1.6.1Công nghệ UWB và công nghệ CDMA 20

1.6.2Công nghệ UWB với các phương pháp điều chế DSSS và FHSS 22

1.6.3Công nghệ UWB và ghép theo tần số trực giao OFDM 26

1.7 TÓM TẮT NỘI DUNG CHƯƠNG I 29

CHƯƠNG II: KHÁI QUÁT VỀ UWB 30

2.1 UWB LÀ GÌ 30

2.2 KHÁI QUÁT VỀ UWB 30

2.3 CÔNG NGHỆ CỦA UWB 33

2.3.1Tín hiệu trong UWB 34

2.3.2Phương thức liên lạc không dây bằng UWB 37

2.3.3Các phương pháp điều chế được sử dụng trong UWB 39

2.3.3.1Phương pháp điều chế vị trí xung PPM 42

2.3.3.2Phương pháp điều chế pha nhị phân BPM 42

2.3.3.3Một số phương pháp điều chế khác 44

2.3.3.4Tóm lược về các phương pháp điều chế trong UWB 46

2.3.4Chuỗi xung 47

2.3.4.1Chuỗi xung Gaussian 48

2.3.4.2Mã kênh PN 48

2.3.4.3Hệ thống UWB PPM nhảy thời gian 50

2.3.5Máy phát UWB 52

2.3.6Máy thu UWB 53

2.3.6.1Tách sóng 55

2.3.6.2Tích hợp xung 55

2.3.6.3Theo dấu 56

2.3.6.4Máy thu rake 56

2.3.7Nhiễu trong hệ thống liên lạc không dây bằng UWB 57

2.3.7.1Các mạng vùng nội hạt không dây WLAN 58

2.3.7.2Bluetooth 61

2.3.7.3Định vị toàn cầu GPS 61

2.3.7.4Các hệ thống tế bào 62

2.4 CÁC MẶT HẠN CHẾ 63

2.5 CÁC MẶT TÍCH CỰC 64

2.6 NHỮNG BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC 66

2.7 NHỮNG ỨNG DỤNG CỦA UWB 67

2.8 GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐA TRUY CẬP 71

2.9 TÓM TẮT NỘI DUNG CHƯƠNG II 72

CHƯƠNG III: PHƯƠNG PHÁP ĐA TRUY CẬP TRONG UWB 73

3.1 ĐA TRUY CẬP TRONG UWB LÀ GÌ 73

3.1.1 Phương pháp đa truy cập 73

3.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐA TRUY CẬP TRONG UWB 74

3.2.1Phương pháp đa truy cập phân chia theo tần số FDMA 74

3.2.1 Phương pháp đa truy cập phân chia theo tần số FDMA 74

3.2.2Phương pháp đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA 75

3.2.2 Phương pháp đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA 75

3.2.3Phương pháp đa truy cập phân chia theo mã CDMA 75

3.2.3 Phương pháp đa truy cập phân chia theo mã CDMA 75

3.2.4Phương pháp đa truy cập xung trực giao OPMA 76

3.2.4 Phương pháp đa truy cập xung trực giao OPMA 76

3.3 DUNG LƯỢNG CỦA CÁC HỆ THỐNG UWB 78

3.4 NHIỄU TRONG UWB 81

3.5 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CHỐNG NHIỄU 82

3.6 ƯU ĐIỂM CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐA TRUY CẬP 86

3.7 NHƯỢC ĐIỂM CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐA TRUY CẬP 87

3.8 CÁC GIẢI PHÁP KHẮC PHỤC 88

3.9 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 89

3.10 KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TRONG THỰC TIỄN 89

3.11 TÓM TẮT NỘI DUNG CHƯƠNG III 90

KẾT LUẬN 92

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 93

Code Division Multiple Access

Conference of Europe on Post and Telecommunications

Digital Cellular System Digital Cordless Telecommunication System

Direct Sequence Spread Spectrum

Frequency Division Multiple Access

Global System for Mobile communications

the Institute of Electrical and Electronics Engineers

International Mobile Telecommunication Integrated Services Digital Network Inter-Symbol Interference

International Telecommunication Union

Local Area Network

Thế hệ thứ 3Điều chế pha nhị phân

Hệ thống không dây số

Trải phổ chuỗi trực tiếp

Đa truy nhập phân chiatheo tần số

Thông tin di động toàn cầu

Tổ chức các kỹ sư điện

và điện tử quốc tếViễn thông di động quốc tế

Mạng đa dịch sốNhiễu xuyên dấuLiên minh viễn thông quốc tế

Mạng cục bộ

On-Off Keying Orthogonal Pulse Modulation

Pulse Amplitude Modulation Personal Area Network Public Land Mobile Radio

UltraWideband Wide Area Network

Nhiễu đa truy cậpXung Hermitian đã điều chỉnh

Nhiễu đa người dùngGhép theo tần số trực giao

Điều chế phím bặt-tắtĐiều chế xung trực giao

Điều chế biên độ xungMạng vùng cá nhânMạng vô tuyến di độngmặt đất công cộng

- Giả nhiễu

- Nhiễu giả ngẫu nhiên

Điều chế vị trí xungMạng chuyển mạch điện thoại công cộngTần số Radio

Tỷ lệ tín trên tạp

Đa truy nhập phân chiatheo thời gian

Băng thông cực rộngMạng diện rộng

Cấu tạo của mạng lưới viễn thông.

Cấu trúc tổ ong của mạng vô tuyến tế bào.

Mã hóa kênh tín hiệu tiếng nói đã số hoá trong GSM.

Cấu trúc cơ bản của một mạng GSM – PLMN.

Sơ đồ khối hệ thống CDMA của Qualcomm.

Sơ đồ truyền tin cơ bản của hệ thống viễn thông.

Hướng phát triển của mạng viễn thông.

Quan hệ tần số-thời gian cho hai người dùng sử dụng

FHSS.

Quan hệ tần số-thời gian cho hai người dùng sử dụng

DSSS Hai người dùng được chia bởi các mã khác nhau.

So sánh về BER của các hệ thống DSSS, FHSS, và UWB

trong trường hợp một người dùng.

So sánh về BER của các hệ thống DSSS, FHSS, và UWB

trong trường hợp 30 người đồng thời hoạt động.

So sánh về BER đối với số người dùng của các hệ thống

Băng tần hoạt động của UWB

Mối quan hệ giữa độ rộng băng tần và công suất của các

hệ thống viễn thông.

5 8 11 12 15 16 18

34

Sơ đồ khối hệ thống UWB.

So sánh giữa công nghệ truyền thống và công nghệ UWB.

Tín hiệu phát bởi máy phát PPM-TH-UWB.

Mô hình chung của một hệ thống liên lạc.

Các phương pháp điều chế trong liên lạc bằng UWB.

So sánh dạng xung của PPM và BPM.

So sánh dạng xung sau điều chế của PAM, OOK, OPM.

Một chuỗi xung Gaussian trong miền thời gian và tần số

Đầu ra hệ thống điều chế xung nhị phân.

Sơ đồ khối tổng quát của một máy phát UWB.

Sơ đồ khối tổng quát của một máy thu UWB.

Dải tần hoạt động của một số hệ thống.

Mạng vùng cá nhân không dây tốc độ cao HDR-WLAN.

Mạng vùng không dây thông minh IWAN.

Mạng cảm ứng, nhận dạng, định vị SPIN.

Mạng đồng cấp ngoài trời OPPN.

Đa truy cập phân chia theo tần số FDMA.

Đa truy cập phân chia theo thời gian.

Đa truy cập phân chia theo mã CDMA.

Xung trực giao đầu ra.

Nhiễu xuyên dấu ISI.

Trải phổ DS-UWB.

Sơ đồ cấu trúc triệt nhiễu lặp.

Mô hình hệ thống đa truy cập.

35 36 37 38 40 41 46 49 51 52 54 58 67 68 69 70 74 75 76 77 81 84 85 86

Danh sách bảng

2.1

2.2

Ưu, nhược điểm của các phương pháp điều chế khác nhau.

Tham số chính của chuẩn IEEE 802.11a mạng vùng nội hạt

không dây OPDM.

47

59

LỜI NÓI ĐẦU

Sự ra đời của điện thoại di động cũng như những ứng dụng của nó trong cuộcsống đã giúp cải thiện đáng kể chất lượng sống của con người, mang lại sựthoải mái trong sinh hoạt của chúng ta, mở ra viễn cảnh về một thế giới diđộng toàn cầu, nơi mà khoảng cách bị xoá bỏ Con nguời ở khắp các châu lục

có thể liên lạc, trao đổi thông tin với nhau một cách đơn giản và nhanh chóng,loài người sẽ xích lại gần nhau hơn, hiểu và thông cảm nhau hơn

Sự phát triển như vũ bão trong lĩnh vực viễn thông, với việc ngày càng cónhiều nhà cung cấp dịch vụ viễn thông mới đi vào hoạt động đã làm chonguồn tài nguyên băng tần vốn đã hạn hẹp nay càng thiếu hơn Vấn đề đặt ra

là làm sao tận dụng tối đa các dải băng tần đang sử dụng và cố gắng mở rộngdải băng tần đó

Và một giải pháp được đưa ra là công nghệ UWB, với việc hoạt động trêndải tần cao từ 3,1 GHz đến 10,6 GHz đã mở ra một hướng phát triển mới chongành viễn thông Với dải tần rất rộng lên đến 7,5 GHz, sẽ rất thuận lợi choviệc phát triển các mạng viễn thông mới vì nó không cần phải tranh chấp tần

số với các mạng viễn thông truyền thống

Công nghệ UWB hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ứng dụng trong cuộc sống, đặcbiệt là các ứng dụng trong phạm vi hẹp như các mạng cá nhân, gia đình…Trong phạm vị của đồ án này, ta chỉ đi vào nghiên cứu các phương pháp đatruy cập trong UWB Tìm hiểu các ưu, nhược điểm của chúng và đưa ranhững biện pháp khắc phục những hạn chế đó Tìm hiểu những ứng dụngtrong cuộc sống và các hướng phát triển của công nghệ UWB

Đặc biệt, em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy giáo Trần Xuân Nam,người đã trực tiếp hướng dẫn em nghiên cứu về công nghệ UWB Sự tận tìnhchỉ bảo của thầy cũng như những tài liệu tham khảo do thầy cung cấp đã giúp

em hoàn thành tốt đồ án này

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VIỄN

là dùng ngọn lửa, các tín hiệu cờ, tù và, kèn và trống…và đặc biệt khi chữ viết

ra đời nó đã làm thay đổi hoàn toàn cách giao tiếp của con người, giờ đây loàingười có thể truyền và lưu trữ thông tin mà không phụ thuộc vào không gian

và thời gian, nó là bước ngoặt quan trọng trong quá trình tiến hoá của nhânloại, đưa con người lên một tầm cao mới, là bước đệm để con người chinhphục thiên nhiên và vũ trụ bao la

Tuy đã có chữ viết và công nghệ in nhưng vẫn chưa đáp ứng được nhu cầungày càng cao của con người đó là mong muốn được giao tiếp trực tiếp ởnhững khoảng cách xa hơn, và đó chính là xuất phát điểm của sự ra đời vàphát triển của hệ thống viễn thông Đặt nền móng cho sự phát triển này lànhững tiên đề, định lý và định luật vật lý về tín hiệu điện, và cách thức truyềntín hiệu điện tiêu biểu như:

Năm 1820 Nhà bác học Georgo Ohm đã đưa ra công thức và phương trìnhtoán học để giải thích các tín hiệu điện chạy qua một dây dẫn rất thành công.Năm 1830 Nhà bác học Micheal Faraday tìm ra định luật cảm ứng từ

Năm 1850 Đại số Boolean của Georgo Boolers đã tạo nền móng cho logichọc và phát triển rơ-le điện, cũng chính vào thời gian này hệ thống cáp đầu

tiên xuyên qua Đại Tây Dương được lắp đặt để truyền tín hiệu điện tín đượclắp đặt.

Năm 1870 Nhà bác học James Clerk Maxwell đã đưa ra công thức toán học

về thuyết điện từ trường giúp tính toán một các định lượng các thông số củađiện từ trường, và dựa vào các công thức toán học đó mà nhà bác học HenrichHertz lần đầu tiên trong lịch sử đã truyền đi và nhận được sóng vô tuyếnthành công bằng cách sử dụng điện từ trường

Và đặc biệt vào ngày 2/6/1875 nhà bác học Alexander Graham Bell đã phátminh ra chiếc điện thoại đầu tiên trên thế giới, đó là một phát minh quan trọngtrong lịch sử phát triển của hệ thống viễn thông, là bước ngoặt giúp trao đổithông tin sang một trang mới Chiếc điện thoại đầu tiên trên thế giới dựa trênthí nghiệm của chính ông, đó là thí nghiệm với thanh thép mỏng, nam châm,các cuộn dây và dây dẫn A.G.Bell đã đặt thiết bị nhận ở phòng mình và mộtthiết bị phát thì đặt trong phòng người trợ lý là Thomas Willson ngay bêncạnh, hai thiết bị được nối với nhau bằng một hệ thống dây dẫn Khi Willsonlàm rung thanh thép mỏng thì ở phía đầu thu bên kia Bell đã nhận được tínhiệu âm thanh là những tiếng leng keng của thanh thép mỏng và ông nhận rarằng khi thanh thép mỏng dao động phía trên nam châm sẽ tạo các dòng điệnchạy qua dây dẫn và chính nó đã làm cho thanh thép trong phòng ông rung lêntạo ra những âm thanh leng keng

Năm 1876 tổng đài điện thoại đầu tiên trên thế giới được thiết lập sau khichiếc điện thoại đầu tiên của A.G.Bell ra đời Từ đó mạng điện thoại cố địnhliên tục phát triển không ngừng nhờ vào những tiến bộ của nền khoa học vàtri thức nhân loại

Khi đó những chiếc điện thoại chỉ có thể cố định và được nối với nhaubằng các hệ thống dây dẫn thông qua tổng đài, tuy các thí nghiệm của nhà báchọc người Ý Marconi Guglielmo đã cho thấy là thông tin vô tuyến có thể thựchiện giữa các máy thu phát ở xa nhau và di động nhưng mãi đến năm 1928 hệthống vô tuyến truyền thanh mới được thiết lập, ban đầu chỉ dùng cho cảnh

sát Đến năm 1933 sở cảnh sát Bayone, New Jersey mới thiết lập được một hệthống thoại vô tuyến di động tương đối hoàn chỉnh đầu tiên trên thế giới.Tuy nhiên khi đó những thiết bị điện thoại di động rất cồng kềnh, nặnghàng chục kilogram, đầy tạp âm và rất tốn nguồn do dùng các đèn điện tử tiêuthụ nguồn lớn Công tác trong dải thấp của băng VHF, các thiết bị này liên lạcđược với khoảng cách vài chục dặm Do các đặc tính truyền dẫn sóng vôtuyến dẫn đến tín hiệu thu được là một tổ hợp nhiều thành phần của tín hiệu

đã được phát đi, khác nhau cả về biên độ, pha và độ trễ Tổng vecto của cáctín hiệu này làm cho đường bao tín hiệu thu được bị thăng giáng mạnh vànhanh làm cho chất lượng đàm thoại kém, mặt khác băng tần có thể sử dụngcho thông tin vô tuyến luôn khan hiếm Các băng sóng trung và dài đã được

sử dụng cho phát thanh trong khi các băng tần số thấp và cao (LF-Low Frequency và HF-High Frequency) thì bị chiếm bởi các dịnh vụ thông tin

toàn cầu Công nghệ lúc này chưa thích hợp để đạt được chất lượng liên lạc

cao trên các băng sóng VHF (Very High Frequency) và UHF (Ultra High Frequency) Khái niệm tái sử dụng tần số đã được nhận thức song không

được áp dụng để đạt được mật độ người sử dụng cao Do đó suốt nhiều năm,chất lượng của thông tin di động kém hơn nhiều so với thông tin hữu tuyến.Trong khi các mạng điện thoại tương tự cố định thương mại đang được sốhoá nhờ sự phát minh ra các dụng cụ điện tử có kích thước nhỏ bé và tiêu thụ

ít nguồn thì tình trạng của vô tuyến di động vẫn còn biến đổi rất chậm chạp.Các hệ thống vô tuyến di động nội bộ mặt đất đã bắt đầu được sử dụng songmới chỉ dừng lại ở mức độ phục vụ các nhóm chuyên biệt chứ chưa phải chocác cá nhân trong cộng đồng Mặc dù công ty Bell Laboratories đã đưa ra ýtưởng về mạng điện thoại di động tế bào từ những năm 1947, song do côngnghệ thời đó chưa đáp ứng được nhu cầu của mạng nên phải đến năm 1979với sự ra đời của các mạch tích hợp thiết kế được một cách tuỳ chọn, các bộ

vi xử lý, các mạch tổng hợp tần số, các chuyển mạch nhanh dung lượng lớn…mạng vô tuyến tế bào mới được biến thành hiện thực

Năm 1980 đã chứng kiến sự ra đời của một số hệ thống vô tuyến tế bàotương tự thường được gọi là các mạng vô tuyến di động mặt đất công cộng

PLMR (Public Land Mobile Radio) Làm việc ở dải tần UHF (Ultra High Frequency), các mạng này cho thấy một sự thay đổi vượt bậc về độ phức tạp

của các hệ thống thông tin liên lạc dân sự Chúng cho phép người sử dụng cóđược các cuộc đàm thoại khi di động với bất kỳ đối tượng nào có kết nối tới

các mạng điện thoại chuyển mạch công cộng PSTN (Public Switched Telephone Network) hoặc các mạng đa dịch số ISDN (Integrated Services Digital Network) Trong những năm 1990 đã có những bước tiến hơn nữa trong thông tin di động với việc áp dụng các mạng tế bào số DCS (Digital Cellular System) và các hệ thống không dây số DCTS (Digital Cordless Telecommunication System) Ngoài các dịch vụ điện thoại truyền thống, các

hệ thống vô tuyến di động số thế hệ thứ hai sẽ cung cấp một mảng các dịch vụmới khác như thư tiếng nói, truyền số liệu, truyền fax, truyền các tin ngắn…Thông tin di động đã và đang phát triển hết sức mạnh mẽ trên phạm vi toànthế giới, càng ngày càng tiến tới chia sẻ thị trường và thay thế từng mảng cácdịnh vụ thông tin cố định

Từ năm 1997, liên minh viễn thông quốc tế ITU (International Telecommunication Union) đã xây dựng tiêu chuẩn chung cho thông tin di động thế hệ thứ ba (3G: 3 nd Generation) trong dự án IMT-2000 (International Mobile Telecommunication-2000) Mục đích của IMT-2000 là xây dựng tiêu

chuẩn chung nhất cho các hệ thống thông tin di động toàn cầu, phục vụ nhiềuloại hình dịch vụ với tốc độ tối đa lên tới 2Mb/s

Cho dù mạng viễn thông phát triển theo nhiều hướng khác nhau và theonhững nhu cầu khác nhau của người sử dụng nhưng về cơ bản chúng vẫn cóđiểm chung giống nhau kể cả hệ thống thông tin vô tuyến và hữu tuyến, diđộng và cố định Và chúng được mô phỏng như sau:

Hình 1.1: Cấu tạo của mạng lưới viễn thông.

Trong đó, nguồn thông tin: con người hay máy sẽ phát ra thông tin cầntruyền đi Thông tin phát ra được phân loại thành tiếng nói, mã và hình ảnh(ký tự, ký hiệu và hình ảnh)

Thiết bị truyền: bộ phận hay thiết bị có nhiệm vụ chuyển thông tin phát đithành các tín hiệu để truyền đi qua các đường truyền dẫn

Đường truyền dẫn: một phương tiện để truyền các tín hiệu từ thiết truyềnđến thiết bị nhận, bao gồm các loại cáp đồng trục, cáp quang, không gian…

và các hướng sóng được sử dụng rộng rãi cho mục đích này Tín hiệu truyềntrên đường truyền bị ảnh hưởng bởi các tạp âm và nhiễu

Thiết bị nhận: là một bộ phận hay thiết bị dùng để biến đổi các tín hiệunhận được về dạng ban đầu

Người sử dụng: là con người hay máy nhận thông tin từ các thiết bị nhận

Hệ thống viễn thông điện tử được sử dụng phổ biến nhất là hệ thống thông tinđiện thoại trong đó con người là nguồn thông tin đồng thời cũng chính làngười sử dụng, điện thoại được dùng làm thiết bị truyền và nhận tín hiệuNguồn tạp âm: là những tác động có hại từ bên trong và ngoài đườngtruyền dẫn như tạp âm (từ bên trong), nhiễu và fading (từ bên ngoài)

Đó là mô hình chung của các hệ thống viễn thông, từ đó nó phát triển theocác hướng khác nhau nhằm phục vụ tốt nhất cho cuộc sống của con người,theo dòng phát triển của khoa học kỹ thuật mà hệ thống viễn thông ngày càng

Nguồn

thông tin

Thiết bị truyền

Đường truyền (chuyển mạch)

Thiết bị nhận

Người

sử dụng

Nguồn tạp âmThông tin Dữ liệu Dữ liệu Thông tin

phát triển hoàn thiện hơn, chất lượng dịch vụ cũng tốt hơn, sử dụng đơn giảnhơn và phạm vi áp dụng cũng được mở rộng hơn.

1.2 THỰC TRẠNG CỦA MẠNG VIỄN THÔNG TRONG NƯỚC VÀ QUỐC TẾ

Ngày nay, với những thành quả vượt bậc của công nghệ khoa học và kỹ thuật

đã giúp cho mạng lưới các hệ thống viễn thông phát triển mạnh mẽ và rộngkhắp Đáp ứng được nhu cầu cao của người sử dụng, mang lại nhiều tiện íchcho đời sống của nhân loại

Hiện nay trên thế giới đã triển khai các mạng di động thế hệ 3G và đangtiến hành thử nghiệm mạng di động thế hệ 4G, sử dụng công nghệ tiên tiến

như hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM (Global System for Mobile communications) và ba loại đa truy cập là: đa truy cập phân chia theo tần số FDMA (Frequency Division Multiple Access), đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA (Time Division Multiple Access) và đa truy cập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access) Với các cách thức đa truy

cập khác nhau thì sẽ có những mặt tích cực và tiêu cực khác nhau, cụ thể là:

 Với phương pháp đa truy cập phân chia theo tần số FDMA: mỗi mộtthuê bao truy cập mạng bằng một tần số Băng tần chung W được chia thành

N kênh vô tuyến, mỗi thuê bao truy cập và liên lạc trên kênh con trong suốtthời gian liên lạc Ưu điểm là thiết bị đơn giản, yêu cầu về đồng bộ không quácao, bên cạnh đó là các nhược điểm như thiết bị trạm gốc cồng kềnh do cóbao nhiêu kênh (tần số sóng mang kênh con) thì tại trạm gốc phải có bấynhiêu máy thu-phát

 Với phương pháp đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA: các thuêbao sử dụng chung một tần số song luân phiên về mặt thời gian Ưu điểm củaphương pháp này là trạm gốc đơn giản do với một tần số chỉ cần một máythu-phát phục vụ được nhiều người truy cập (phân biệt nhau về mặt thờigian) Tuy nhược điểm của nó lại là cần sự động bộ rất ngặt nghèo của cả hệthống

 Với phương pháp đa truy cập phân chia theo mã CDMA: các thuê baodùng chung một tần số trong suốt thời gian liên lạc, phân biệt nhau nhờ sửdụng mã trải phổ khác nhau do đó hầu như không gây nhiễu lẫn nhau Ưuđiểm là hiểu quả sử dụng phổ cao, có khả năng chuyển vùng mềm và đơn giảntrong kế hoạch phân bổ tần số, khả năng chống nhiễu và bảo mật cao, thiết bịtrạm gốc đơn giản (chỉ cần một máy thu-phát) Tuy nhiên nhược điểm củaphương pháp này là yêu cầu về đồng bộ và điều khiển công suất rất khắt khe,chênh lệch công suất thu tại trạm gốc từ các máy di động trong một tế bàophải ≤ ±1 dB, trái lại thì số kênh phục vụ được bị giảm đi rất nhiều.

Đối với Việt Nam chúng ta hiện nay, mạng viễn thông vẫn ở thế hệ 2,5G vàđang triển khai cơ sở hạ tầng để chuyển sang thế hệ 3G Về mặt công nghệcác công ty viễn thông của chúng ta đang triển khai hai công nghệ di độngtiên tiến của thế giới đó là GSM và CDMA, ngoài ra chúng ta còn cố gắng mởrộng quan hệ và hợp tác với các hãng viễn thông lớn trên thế giới để phát triển

và đưa vào khai thác những công nghệ mới, tiên tiến nhằm tối đa hoá mạnglưới viễn thông trong nước và không bị lạc hậu với công nghệ của thế giới.Đặc biệt sau một thời gian dài bị chậm trễ, dự án VINASAT đã được khởiđộng lại một cách tích cực và dự tính đến quý 2/2008 sẽ phóng vệ tinhVINASAT vào quỹ đạo và khi đưa vào hoạt động nó sẽ đem lại nhiều lợi thếcho viễn thông Việt Nam trong quá trình phát triển và hội nhập với khu vực

và thế giới khi chúng ta đã là thành viên chính thức của tổ chức thương mạithế giới WTO Đó là về mặt công nghệ còn về mặt tài chính, chúng ta đang

mở cửa đón những nhà đầu tư nước ngoài vào tham gia thị trường viễn thôngtrong nước bằng cách cổ phần hoá các doanh nghiệp viễn thông rồi bán cổphần cho họ cộng thêm những chính sách ưu đãi Đó là hướng phát triển tối

ưu nhất chúng ta vừa có thể sử dụng những công nghệ tiên tiến trên thế giớivừa có thể huy động ngồn vốn dồi dào từ nước ngoài đầu tư vào Việt Nam

Để hiểu được vì sao Việt Nam lại chọn lựa hai giải pháp công nghệ là GSM

và CDMA, trước tiên cần tìm hiểu rõ hai công nghệ đó là gì

 Thứ nhất là công nghệ GSM: được ra đời vào những năm 1980của thế kỷ 20 nhưng cũng phải đến năm 1986 tại hội nghị của CEPT

(Conference of Europe on Post and Telecommunications) diễn ra ở Paris thì

GSM mới chính thức có cấu hình tiêu chuẩn của hệ thống căn cứ theo các yêucầu về hiệu quả phổ, chất lượng âm thanh, giá thành máy di động, giá trạm cốđịnh, tính tiện lợi khi mang xách, khả năng phục vụ các dịch vụ mới và khảnăng cùng hoạt động với các hệ thống hiện hành

Khởi nguồn của hệ thống GSM là mạng vô tuyến tế bào gồm các trạm gốc

BS (Base Station) đặt giữa các tế bào được bố trí thành mạng hình tổ ong

Hình 1.2

Hình 1.2: Cấu trúc tổ ong của mạng vô tuyến tế bào.

Các băng sóng đường lên, đường xuống có độ rộng W được chia thành các

phần B và mỗi dải con c B được gán cho một tế bào, N tế bào lân cận nhau c

4

7 6

2 5 7 6 3

4

7 6 3

4

7 6 3

4

7 6

2 5 7 6 3

4

7 6 3

4

7 6 3

4

7 6 3

R

Các tế bào (cell)

Trạm gốc (BS)

D

Khoảng cách tái

dụng tần số

R: bán kính tế bào

hợp thành từng cụm N trạm gốc BS với W = ×N B c Các cụm này lại ghépgiáp nhau và phủ kín vùng cần phủ sóng là phần diện tích cần cung cấp dịch

vụ liên lạc di động Giữa các vùng phủ sóng, các mạng nối với nhau có thểbằng đường trục riêng hoặc thông qua PSTN Hệ thống vô tuyến di động tế

bào (Cellular Mobile Radio System) đầu tiên ở châu Âu được lắp đặt vào năm

1981 tại khu vực bán đảo Scandinavi, ban đầu chỉ dùng cho vài ngàn thuêbao Cho đến năm 1992 thì toàn châu Âu đã có 6 loại mạng tế bào khác nhautại 16 nước, phục vụ 1,2 triệu thuê bao Lúc đó tại châu Âu, giữa các hệ thống

và các thuê bao của các mạng khác nhau thì không tương thích, khả năng lưuđộng của thuê bao từ nước này sang nước khác là rất thấp do đó khá bất tiện,

số thuê bao thấp dẫn tới giá thiết bị và dịch vụ cao Trong tình hình như vậy,

từ năm 1982 Hội nghị bưu chính và viễn thông Châu Âu CEPT đã thành lập

Nhóm chuyên trách về thông tin di động GSM (Groupe Speciale Mobile) có

nhiệm vụ xác định một hệ thống thông tin di động công cộng tiêu chuẩn chotoàn châu Âu hoạt động trên băng tần 900Mhz Nhóm này đã quyết định xâydựng hệ thống liên lạc số di động cho hệ GSM (và được biết đến rộng rãi với

nghĩa là: Global System for Mobile communications) Các thí nghiệm và các

hệ thống mô phỏng đã được tiến hành thử nghiệm ở nhiều nước châu Âu trênnhiều loại hệ thống vói nhiều nguyên tắc khác nhau, tới năm 1986, 9 đề nghịđầu tiên đã qua thử nghiệm được đề xuất cho một hệ thống GSM toàn châu

Âu tại hội nghị của CEPT diễn ra ở Paris, bao gồm: CD – 900, MATS – D/W,ADPM, DMS – 90, MOBIRA, SFH – 900, S900 – D, MAX II, MATS –D/N Cả ba loại đa truy cập FDMA, TDMA, CDMA do Pháp và Đức đề xuất

và bảy sơ đồ điều chế được thử nghiệm trong các loại hệ thống này, với tốc

độ truyền từ 20 Kb/s tới 8 Mb/s

Các mô tả chi tiết về GSM được trình bày rõ trong 13 tập khuyến nghị củaGSM, được thông qua vào tháng tư năm 1988 và từ đó tới nay liên tục được

bổ sung và phát triển Sau một thời gian thử nghiệm, từ năm 1991 mạng GSM

đã được sử dụng tại châu Âu và tại rất nhiều nước khác trên thế giới So vớimột số hệ thống thông tin vô tuyến di động tế bào TDMA thế hệ thứ hai khác

như IS – 54 của Mỹ hay hệ thống tương tự như thế ở Nhật Bản… thì GSM làmột hệ thống hoàn thiện hơn cả với tham vọng lớn hơn nhiều (đó là thamvọng vươn tới một hệ thống chuẩn cho toàn cầu) Các mô tả cơ bản của GSM(cho tới năm 1992) như sau:

 Băng sóng: 890÷915 Mhz (đường lên – uplink),

và 935÷960 Mhz (đường xuống – downlink).

Các băng sóng song công này phân bố cho hai dải phòng vệ, mỗi dải rộng

200 Khz, và 124 cặp kênh vô tuyến (lên và xuống) mỗi kênh rộng 200 Khz.Khoảng cách giữa các sóng mang vô tuyến là 200 Khz

 Loại song công: FDD (Frequency Division Duplex – Song công phân

chia theo tần số) đường lên và xuống trên hai tần số thuộc hai băng riêng biệtvới khoảng cách giữa hai sóng mang lên và xuống của một kênh là 45 Mhz

Tần số sóng mang trên hai băng sóng đối với kênh song công thứ n được xác

 Mã hoá tiếng nói: mã dự kiến tuyến tính – kích thích xung đều

RPE-LPC (Regular Pulse Excited – Linear Predictive Code) dự đoán dài hạn, tốc

độ 13 kb/s đối với giai đoạn một của GSM và 6,5 kb/s trong giai đoạn pháttriển 2 và 2+

 Mã hoá kênh: mã chập tốc độ ½, độ dài ràng buộc bằng 5(CC(2,1,5)), kết hợp với mã khối, mã khối với 3 bit kiểm tra được sử dụng để

mã hoá 50 bit tiếng nói quan trọng nhất, sau đó 53 bit này được ghép với 132bit tiếng nói quan trọng cùng 4 bit đuôi tạo thành cụm 189 bit và được mã hoátiếp bằng mã chập tốc độ ½ tạo nên độ dài mã 378 bit, 78 bit tiếng nói khôngquan trọng thì không được mã nhằm tiết kiệm tốc độ bit mã Hình 1.3

Hình 1.3: Mã hóa kênh tín hiệu tiếng nói đã số hoá trong GSM.

Số bit dữ liệu tiếng nói sau mã hoá kênh là 456 bit trong một khung tín hiệutiếng nói 20 ms, hình thành tốc độ tín thoại của một kênh là 22,8 kb/s

 Tráo thứ tự truyền: áp dụng hai lần, do đó việc mất cả một cụm

TDMA (burst) chỉ gây ảnh hưởng tới 12,5% số bit của một khung tín hiệu

tiếng nói

 Tốc độ truyền: tốc độ tín thoại chưa mã hoá kênh là 13 kb/s, tốc độtín thoại của một khe thời gian (một kênh) là 22,8 kb/s, tốc độ số liệu của cả 8khe thời gian (gồm tín thoại, tín hiệu đồng bộ, chuỗi dò kênh…) khoảng 271kb/s

 Điều chế: điều chế tần số dịch pha cực tiểu Gauss GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) có đường bao không đổi, BT =0,3 (Bandwidth Bitinterval), nhờ đó suy giảm giữa 2 sóng mang lân cận là 18dB và hơn 50 dB

đối với các kênh xa hơn Độ rộng phổ tín hiệu băng gốc của một kênh vôtuyến (gồm 8 khe thời gian với tốc độ tổng cộng 271 kb/s) là khoảng 50 kHz

 San bằng: phải giải quyết được các trải giữ chậm tới 16 s µ .

50 bít cực

quan trọng

132 bít tương đối quan trọng

78 bít không quan trọng

78 bít không được mã

378 bít đã mã chập (tốc độ 1/2)Sau mã chập

Các bit sau mã hoá tiếng nói (một khung tín hiệu tiếng nói 20ms)

Sau mã khối 3 bít kiểm tra của mã khối 4 bít đuôi

 Nhảy tần: nhảy tần chậm tốc độ chỉ khoảng 217 bước nhảy/giây, việcquyết định có áp dụng nhảy tần hay không thuộc quyền quyết định của nhàcung cấp dịch vụ điện thoại di động (công ty điện thoại di động).

 Công suất: công suất đỉnh cho máy di động: 2 – 20 [W];

công suất trung bình cho máy di động: 0,25 – 2,5 [W];kiểm soát công suất: có áp dụng

 Kiểm soát - điều khiển: chuyển điều khiển (HandOver): có áp dụng;

tên kênh điều khiển: SACCH (Slow Associated Control CHannel);

tốc độ kênh điều khiển: 967 b/s;

kích thước tín điều khiển: 184 bit;

MSC

HLR

AUC

ADCOMC

Um

A- bit

A- bit

A

Trong đó: MS (Mobile Station): trạm di động

MT (Mobile Termination): đầu cuối di động;

TE (Terminal Equipment): thiết bị đầu cuối;

Um: giao diện vô tuyến giữa trạm gốc và trạm di động;

A: giao diện giữa BS – MSC ;

A-bit: giao diện giữa BTS – BSC;

BS (Base Station): trạm gốc cố định;

BSS (Base Station System): hệ thống trạm gốc;

BTS (Base Transceiver Station): trạm thu – phát gốc;

BSC (Base Station Controller): đài điều khiển trạm gốc;

MSC (Mobile Switching Centre): trung tâm chuyển mạch di động (tổng

đài thông tin di động);

NMC (Network Management Centre): trung tâm quản lý mạng;

OMC (Operations and Maintenance Centre): trung tâm thao tác và bảo

trì;

ADC (Adminstraition Centre): trung tâm quản trị mạng;

AUC (Authentication Centre): trung tâm nhận thực thuê bao;

EIR (Equipment Identity Register): bộ ghi số nhận diện phần cứng trạm

di động;

HLR (Home Location Register): bộ ghi định vị thường trú;

ULR (Visiter Location Register): bộ ghi định vị tạm trú.

 Thứ hai là công nghệ CDMA: đây là một công nghệ tiên tiến córất nhiều ưu điểm đáp ứng được nhiều yêu cầu khác nhau của mạng viễnthông CDMA là một dạng của đa truy cập sử dụng kỹ thuật trải phổ SSMA

(Spread Spectrum Multiple Access), trong đó mỗi một người sử dụng sẽ dùng

toàn bộ phổ tần như với TDMA và trong toàn bộ thời gian của cuộc đàm thoạigiống như với FDMA Người sử dụng được phân biệt với nhau nhờ việc sử

dụng các mã giả nhiễu PN (Pseudo Noise) khác nhau, do vậy nó có những ưu

điểm nội trội so với các công nghệ khác như: hiểu quả sự dụng phổ rất cao,

khả năng tái sử dụng tần số rất cao, phương án bố trí tần số sử dụng trong các

tế bào rất đơn giản, độ an toàn thông tin và khả năng làm việc trong các điềukiện nhiễu mạnh là rất cao… Tuy nhiên nó vần còn những hạn chế như là yêucầu về đồng bộ là rất lớn, thêm vào đó là vấn đề điều khiển công suất và việctìm ra các mã PN cung cấp số kênh lớn rất phức tạp và khó khăn do đó chođến nay công nghệ CDMA vẫn chỉ được ứng dụng ở một số hạn chế các hệthống viễn thông Mặt khác cũng cần phải kể đến hoàn cảnh lịch sử và sự rađời của công nghệ CDMA, do công nghệ TDMA ra đời trước, đã được chấpnhận ở châu Âu và nhiều nước khác trên thế giới và nó bảo đảm tính lưu động

(roaming) quốc tế trên một diện rất rộng trên toàn cầu nên TDMA được sử

dụng rộng rãi hơn so với CDMA Tuy nhiên theo đánh giá của các nhàchuyên môn thì cùng với sự phát triển cả về mặt số lượng và chất lượng củacác thuê bao và các nhu cầu liên lạc đa dịch vụ tăng lên rất lớn thì công nghệCDMA sẽ thay thế công nghệ TDMA, và hiện nay công nghệ CDMA đã đượclựa chọn sử dụng trong nhiều tiêu chuẩn thông tin di động 3G như W –CDMA, hay cdma2000…

 Hình 1.55 mô tả sơ đồ khối của hệ thống CDMA do Qualcommđưa ra

Một số khái niệm về CDMA:

Mã Walsh được tạo ra từ ma trận Hadamard, các tổ hợp mã Walsh đều trựcgiao nhau, và được sử dụng để phân kênh đường xuống

Các kênh trong hệ thống CDMA:

Kênh pilot: được sử dụng cho đồng chỉnh tần số, sử dụng mã Walsh số 0

Kênh đồng bộ: được sử dụng cho đồng bộ đồng hồ (clock), sử dụng mã

Walsh số 32

Các kênh paging và traffic (lưu lượng): sử dụng 62 mã Walsh còn lại, trong

đó kênh paging được sử dụng để thông báo thông tin về hệ thống và đáp tínhiệu truy cập của MS

Hình 1.5: Sơ đồ khối hệ thống CDMA của Qualcomm.

1.3 NHỮNG HẠN CHẾ CỦA HỆ THỐNG VIỄN THÔNG NGÀY NAY

Do cách thức truyền thông tin của hệ thống viễn thông mà nó có những hạnchế khó khắc phục thậm chí là không thể khắc phục Hầu hết các hệ thốngviễn thông ngay nay đều sử dụng phương pháp tạo sóng mang để tải tín hiệumang thông tin đi xa (hình 1.6)

Bộ tạo

PN dài

Kết hợp tính trọng số

và điều chế cầu phương

Xáo trộn

và ghép t/h

Các bit đk công suất

+ +

+

+ + + +

Hình 1.6: Sơ đồ truyền tin cơ bản của hệ thống viễn thông.

Từ sơ đồ trên ta nhận thấy rằng muốn truyền thông tin đi xa cần phái cómột sóng mang phù hợp tuy nhiên do tài nguyên băng thông có hạn và rất quýnên người ta cần phải cân nhắc kỹ lưỡng trong việc cấp băng thông phục vụvào các mục đích khác nhau Với việc ngày càng có nhiều thuê bao lẫn cácnhà cung cấp dịch vụ mới ra đời đòi hỏi phải có băng tần mới, mặt khác donhu cầu muốn tăng tốc độ truyền thông tin và tích hợp nhiều dịch vụ trongcùng một đường truyền đã dẫn đến việc cần phải mở rộng băng tần… nhưngbằng tần sử dụng được thì hẹp (0,3 ÷ 4,2GHz) , cộng thêm công nghệ bâygiờ chưa cho phép các hệ thống viễn thông truyền tốt tín hiệu ở các băng tầncao Đó là một vấn đề khó giải quyết trong các hệ thống viễn thông hiện nay.Ngoài hạn chế về băng tần các hệ thống viễn thông hiện nay còn gặp phảimột vấn đề khác khó khăn không kém đó là tốc độ truyền tin, khi mà nhịpsống ngày càng nhanh thì đòi hỏi của con người về tốc độ truyền thông tincũng phải có những bước nhảy mới để theo kịp cuộc sống hiện đại

Không chỉ có vậy con người muốn truyền được nhiều thông tin và nhiềudạng tín hiệu cùng một lúc trên cùng một dịch vụ đường truyền những vẫngiữ được tốc độ Đó là những bài toán khó mà tìm ra đáp số đối với các công

ty cung cấp dịch vụ viễn thông, những nhà hoạch định cũng như những nhàkhoa học… nhằm vươn tới một tầm cao mới, thoả mãn được những nhu cầungày càng cao của nhân loại

bộ trộn

Tách sóng

T/bị phát

T/bị thu

sóng mang

T/hiệu mang tin

1.4 NHỮNG XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN MỚI

Xu thế phát triển của ngành viễn thông là tìm ra các giải pháp công nghệ kỹthuật mới, những mô hình hệ thống mới nhằm đáp ứng được những yêu cầukhắt khe của con nguời:

Hướng thứ nhất: là cố gắng mở rộng băng tần lên phía tần số cao để có thểtận dụng được nguồn tài nguyên vốn có, tăng hiệu quả sử dụng phổ cũng nhưtái sử dụng tần số trong một số trường hợp nhất định

Hướng thứ hai: chú trọng đến tốc độ truyền thông tin, nghiên cứu nhữngcông nghệ mới và đưa vào những ứng dụng giúp tăng tốc độ truyền tin, cảithiện chất lượng đường truyền, tăng tốc độ xử lý thông tin ở các thiết bị đầucuối

Hướng thứ ba: đặc biệt quan tâm tới việc tích hợp nhiều ứng dụng vàotrong cùng một dịch vụ cung cấp, chú tâm vào tìm kiếm những công nghệmới giúp cho việc hiện thực hoá mạng viễn thông truyền thông đa phươngtiện với ý nghĩa đích thực của nó và hướng tới một mạng viễn thông đáp ứngtất cả những nhu cầu vui chơi, giải trí cũng như làm việc

Hướng thứ tư: cố gắng trung hoà được cả 3 xu hướng trên vào một hệthống viễn thông duy nhất, đây có thể xem là xu hướng có tính khả thi nhất,

và có khả năng tồn tại nhất

Hình 1.7 mô tả xu hướng phát triển của hệ thống viễn thông trên thế giớinói chung và cũng là xu hướng phát triển của hệ thống mạng viễn thông ViệtNam nói riêng, nhưng với thời gian dự kiến chậm hơn so với thế giới Vì dùsao, điều kiện về kinh tế và kỹ thuật của Việt Nam không cho phép chúng tađáp ứng đúng thời gian dự kiến áp dụng các thế hệ viễn thông như của thếgiới và các nước phát triển

Hình 1.7: Hướng phát triển của mạng viễn thông.

1.5 SỰ RA ĐỜI CỦA CÔNG NGHỆ UWB

Một giải pháp công nghệ được đưa ra là công nghệ UWB, đây là một côngnghệ mới với những ưu điểm vượt trội so vói những công nghệ đang được ápdụng hiện nay, khi mà nó giúp giải quyết những vấn đề tưởng chừng khôngthể giải quyết của công nghệ cũ như vấn đề băng tần, vấn đề tốc độ truyền,vấn đề tích hợp đa phương tiện trong cùng một dịch vụ viễn thông… Tuynhiên, nó vẫn có những mặt hạn chế cần được nghiên cứu kỹ hơn và khắcphục những nhược điểm đó để công nghệ này sớm được ứng dụng rộng rãi.Một đặc điểm nổi bật của truyền thông không dây ngày nay được dựa trênsóng sin (Sinusoidal) Sóng điện từ sin trở nên phổ biến trong truyền thôngradio mà nhiều người không nhận thức được rằng hệ thống truyền thôngkhông dây đầu tiên này thực tế được dựa trên xung Đối với các kỹ sư hiệnnay mẫu này thay đổi từ sin sang xung mà yêu cầu là tập trung nhất vào sựchuyển dịch xung

CDMA

(born in 1940)

TDMA

OFDM(born in 1960)

MIMO-SCM(born in 1990)

4G Systems2010

5G Systems2020?

X: AdoptedO: Not adopted

Năm 1893, H.Hertz đã sử dụng máy xạc phát tia lửa điện để tạo ra sóngđiện từ theo kinh nghiệm của ông, sóng này ngay này được gọi là nhiễu.Những lỗ hổng tia lửa điện và máy xạc arc giữa các điện cực carbon là cácmáy phát sóng quan trọng trong cả 20 năm sau trải nghiệm đầu tiên của Hertz.Tuy nhiên, hình thái quan trọng nhất của truyền thông không dây đã trởthành sóng sin, và mãi đến tận những năm 1960 công trình này mới được bắtđầu lại trong lĩnh vực điện tử Vào đầu những năm 60, sự phát triển này củadao động ký điển hình và các kỹ thuật tương thích cho việc phát các xung có

độ rộng cực hẹp tính bằng nano giây đã tạo ra sự hình thành của UWB Các

kỹ thuật đo động cơ được sử dụng để mô tả hoạt động ngắn của mạng lưới visóng nhất định

Từ các kỹ thuật đo các tập trung chính chuyển sang phát triển máy truyềnthông và radar Cụ thể là, radar được đưa ra nhiều sự chú ý bởi vì các kết quảchính xác mà nó đạt được Các biện pháp cấu thành có tần suất thấp này cóích trong việc thấy rõ các mục tiêu và radar xuyên qua đất được hình thành.Năm 1973, bằng sáng chế đầu tiên của Mỹ được giải là truyền thông UWB.Lĩnh vực này của UWB đã chuyển sang hướng mới Các ứng dụng khác, như

sự tránh va chạm giữa các ôtô, hệ thống định vị, hướng mức chất lỏng, dụng

cụ đo độ cao đã phát triển Hầu hết các ứng dụng và phát triển đều diễn ratrong lĩnh vực quân sự hoặc công trình được tài trợ bởi chính phủ Mỹ theo cácchương trình được phân loại Đối với quân sự, radar chính xác và khả năngxảy ra thấp của truyền thông bị chặn là động lực đằng sau sự nghiên cứu vàphát triển

Điều thú vị là trong ngày đầu UWB liên quan đến công nghệ xung lực vàphần tử tải miễn phí băng gốc Bộ quốc phòng Mỹ cho rằng họ là ngưòi đầu

tiên bắt đầu sử dụng thuật ngữ ultra wideband

Vào cuối những năm 90 sự chuyển dịch sang thương mại hoá của các thiết

bị UWB và hệ thống UWB Các công ty như Time Domain và liên quan đến

phổ cực lớn (XtremeSpectrum) được hình thành xung quanh ý tưởng của

người tiêu dùng

1.6 SO SÁNH CÔNG NGHỆ UWB VỚI CÁC HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG BĂNG THÔNG RỘNG KHÁC

Trong phần này ta sẽ tìm hiểu một số điểm khác nhau và giống nhau quantrọng của hệ thống truyền thông UWB với các hệ thống liên lạc sử dụng

phương pháp trải phổ SS (Spread Spectrum), và các hệ thống ghép theo tần số

trực giao (OFDM) Để có thể đánh giá đúng giá trị sử dụng của một hệ thốngmới, ta sẽ nghiên cứu sự hoạt động của hệ thống đó trong những lĩnh vực màhiện nay các phương pháp cũ đang đảm nhiệm tốt

Tuy nhiên, sẽ có những lĩnh vực mà chúng ta không thể dựa vào để so sánhgiữa các hệ thống vì một lẽ đơn giản UWB chưa thể có những ứng dụng tronglĩnh vực đó (tương lai sẽ quyết định câu trả lời) Ví dụ, như những ứng dụngtrong phạm vi rộng và ngoài trời, như việc liên lạc từ trạm gốc tới thiết bị diđộng có khoảng cách hàng trăm mét, thậm trí lên tới hàng trăm kilomet.Nhưng các mạng LAN không dây trong nhà vẫn ở trong các phạm vi ứngdụng có thể làm được của UWB, và vì vậy, đây là một cơ hội tốt đưa ra để sosánh

Các tiêu chuẩn IEEE (the Institute of Electrical and Electronics Engineers

-tổ chức các kỹ sư điện và điện tử quốc tế) mà các mạng LAN được biết đến

rộng rãi sử dụng trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) trong 802.11b, có tần số trung tâm là 2.4 GHz, và OFDM cho

chuẩn 802.11a là 5 GHz

Sau đây, chúng ta sẽ tiếp tục việc so sánh và tìm hiểu sự khác nhau trong lýthuyết và thực tế giữa ba hệ thống liên lạc băng rộng

1.6.1 Công nghệ UWB và công nghệ CDMA

Một trong các tiêu chuẩn liên lạc không dây trong nhà phổ biến nhất là chuẩnIEEE 802.11b cho các mạng vùng nội hạt không dây Nó hoạt động trongbăng tần không có đăng kí 2.4 GHz Trong chuẩn 802.11b, các kĩ thuật trảiphổ được dùng để lấy một tín hiệu dữ liệu băng hẹp và trải rộng nó trên toàn

bộ băng tần số có thể dùng được, để chống lại nhiễu từ các người dùng khác

hoặc từ các nguồn tạp âm Băng tần 2.4 GHz được biết như là băng ISM (the Industrial, Scientific and Medical), dùng cho công nghiệp, khoa học và trong

y học Nó phù hợp với nhiều nguồn bức xạ điện từ Đặc biệt nổi bật nhất củachúng là lò (oven) vi sóng thông thường

Có hai kĩ thuật dùng để trải phổ là: trải phổ nhảy tần (FHSS: Frequency Hopping Spread Spectrum) và trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) Tổng quan của

mối quan hệ thời gian-tần số được chỉ ra tương ứng với hai phương pháptrong Hình 1.8 và 1.9

Trong Hình 1.8 chúng ta có thể thấy là hai người dùng chiếm giữ một băngtần hẹp trong một khoảng thời gian ngắn Có 79 kênh nhảy tần trong chuẩnIEEE 802.11, mỗi kênh có độ rộng là 1 MHz Các bước nhảy chiếm nhiềunhất 224 μs

Hình 1.8: Quan hệ tần số-thời gian cho hai người dùng sử dụng FHSS.

Trái lại, Hình 1.9 chỉ ra rằng mỗi người sử dụng chiếm tất cả phổ có thểdùng được trong toàn bộ thời gian và các người dùng khác nhau được chia bởi

các mã giả tạp âm PN (Pseudo-random Noise) Vì vậy, DSSS còn được gọi là

đa truy nhập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access).

Người sử dụng 1Người sử dụng 2

Hình 1.9: Quan hệ tần số-thời gian cho hai người dùng sử dụng DSSS.

Hai người dùng được chia bởi các mã khác nhau

1.6.2 Công nghệ UWB với các phương pháp điều chế DSSS và FHSS

Trong mục này chúng ta sẽ so sánh ba kĩ thuật điều chế khác nhau là: trải phổchuỗi trực tiếp DSSS, trải phổ nhảy tần FHSS và băng thông cực rộng UWB

Để có sự so sánh tương đối công bằng, giả sử các hệ thống trên được đặttrong cùng một môi trường, cùng một điều kiện như mỗi phương pháp đềuchiếm 3,2 MHz, phát ở cùng tốc độ 3,125 Mbps, và hỗ trợ được 30 ngườiđồng thời sử dụng

Với hệ thống DSSS tỉ số tín trên tạp SNR (Signal-to-Noise Ratio) có thể

được viết như sau

( )

DSSS

0

1SNR

DSSS DSSS

erfc =1

! 2 1

k k k

z z

tín hiệu từ các người dùng khác xen vào

Với UWB thì kết quả SNR đầu ra trung bình có thể được tính bằng việcchọn một chuỗi nhảy thời gian ngẫu nhiên Đặt số lượng những người hoạtđộng là N Tỉ số SNR làu

u

2 1

a

σ được tính nhưsau:

với A là biên độ đơn (monocycle), 1 T là khung thời gian mà được giả sử là f

10ns, và N là số lượng các xung mỗi dấu s

Kết quả đầu tiên được chỉ ra ở Hình 1.10 dành cho trường hợp một ngườidùng Chúng ta có thể thấy dễ dàng là cả 3 phương pháp đều có đường cong

tỷ số lỗi bit SNR giống nhau

Hình 1.10: So sánh về BER của các hệ thống DSSS, FHSS, và UWB trong

trường hợp một người dùng.

Khi 30 người hoạt động đồng thời, sự khác nhau có thể thấy rõ ở Hình1.11 Sàn lỗi được thấy ở nhảy tần do số lượng người dùng quá lớn so với sốkhe tần số có thể dùng được Vì vậy, sự xung đột sẽ luôn luôn xảy ra, nhiễusinh ra có tỉ số SNR cao

UWBFHDS

0.00001

Hình 1.11: So sánh về BER của các hệ thống DSSS, FHSS, và UWB trong

trường hợp 30 người đồng thời hoạt động

Ở Hình 1.12 cho ta thấy rõ rằng, DSSS hoạt động tốt hơn UWB Tuy nhiên,

độ rộng băng của DSSS là nhỏ 0,37 ns, có nghĩa là tín hiệu khi phát ra gặpnhiều khó khăn hơn các hệ thống UWB

Vì vậy, ta có thể tổng kết lại rằng các đặc tính tương tự nhau đạt được bằngcác hệ thống DSSS và UWB, dựa trên cùng điều kiện độ rộng băng Tuynhiên, từ triển vọng thực tế, UWB đưa ra một sự bổ xung khác Nhưng do khi

độ rộng băng tăng thì gánh nặng tín hiệu phát trong các hệ thống DSSS vàFHSS cũng sẽ tăng lên, điều này làm UWB hấp dẫn hơn Trong tương lai,chúng ta có thể thấy rằng rằng độ rộng băng đã đưa ra trong ví dụ chỉ là3,2MHz, trong khi UWB đề xuất độ rộng băng lớn hơn ít nhất là 3 lần độ rộngbăng này

Hình 1.12: So sánh về BER đối với số người dùng của các hệ thống DSSS và

UWB

1.6.3 Công nghệ UWB và ghép theo tần số trực giao OFDM

Với phương pháp ghép theo tần số trực giao OFDM, nhiều sóng mang trựcgiao được truyền đồng thời Do đó, khoảng thời gian của dấu được tăng lên,

làm giảm các ảnh hưởng của nhiễu xuyên dấu ISI (Inter-Symbol Interference)

do môi trường kênh fading Rayleigh gây nên

Các chuỗi vào điều chế các sóng mang được truyền trong suốt khoảng báohiệu là

BER

cầu nhỏ nhất và bằng 1 T Một tín hiệu OFDM s( )n được tạo bằng các chuỗibit song song điều chế các sóng mang con.

Hình 1.13: Đồ thị biểu diễn 4 sóng mang con trực giao để tạo một dấu

OFDM

Sơ đồ khối của một máy phát OFDM 802.11a điển hình được chỉ ra ở Hình1.14 Các dấu điều chế được sắp xếp tới sóng mang con của 64 điểm IDFT

(Inverse Discrete Fourier Transform) để tạo một dấu OFDM Tuy nhiên, chỉ

có 48 sóng mang con được dùng cho điều chế dữ liệu, 4 sóng mang con đượcdùng làm tín hiệu lái (được dùng để đánh giá kênh), và 12 sóng mang conkhông được dùng

Hình 1.14: Sơ đồ khối của một máy phát OFDM tiêu biểu (IEEE 802.11a).

Đầu ra của IFFT (Inverse Fast Fourier Transform) được đưa tới một chuỗi

nối tiếp, và thêm vào một khoảng bảo vệ hay tiếp đầu tuần hoàn

Sơ đồ khối của một máy thu OFDM 802.11a điển hình được thể hiện ởHình 1.15 Máy thu thực hiện quá trình nghịch đảo các hoạt động của máyphát

Hình 1.15: Sơ đồ khối của một máy thu OFDM tiêu biểu (IEEE 802.11a).

Nguồn

nhị phân

Xáotrộn

Mã xoắn

Punturer,interleaver Điều chế

Chèn tín

hiệu lái

Nối tiếp thành song song

IFFT

Song song thành nối tiếp

Chèn tiếp đầu tuần hoàn

Loại bỏ tiếp

đầu tuần hoàn Sửa tần

Nối tiếp thành song song

IFFT

Song song thành nối tiếp

Loại bỏ t/h lái

Bộ bám pha Sửa kênh

Ứơc lượng kênh

Điều chế Deinterleaver depuncturer Giải mã Viterbi Ước lượng dịch

tần

1.7 TÓM TẮT NỘI DUNG CHƯƠNG I

Qua chương I này, ta có thể hiểu tổng quát về hệ thống viễn thông Sự ra đời,quá trình phát triển và các xu hướng mới trên thế giới từ đó có những lựachọn đúng đắn nhũng ứng dụng kỹ thuật sao cho vừa chất lượng lại vừa manglại lợi ích kinh tế vào hệ thống của mình

Do còn nhiều hạn chế nên chương I chưa thể khái quát hết sự vận độngkhông ngừng của hệ thống viễn thông trong nước cũng như trên thế giới

Từ chương sau, ta bắt đầu đi vào nghiên cứu cụ thể về UWB, từ việc tạo ratín hiệu, điều chế cho đến phát tín hiệu…

CHƯƠNG II: KHÁI QUÁT VỀ UWB

2.1 UWB LÀ GÌ

Cùng với sự phát triển như vũ bão của nền kinh tế và tri thức nhân loại, kéotheo đó là những thành tựu vượt bậc trong lĩnh vực khoa học và kỹ thuật.Hàng loạt những phát minh mới ra đời đã giúp hiện thức hoá những ước mơtưởng chừng xa vời của con người từ đó nâng cao chất lượng cuộc sống củachính họ để ngày một tốt hơn

Với nhu cầu đòi hỏi ngày càng cao về chất lượng, tốc độ và dung lượng đốivới các thiết bị truyền thông, cộng với yêu cầu muốn tích hợp nhiều dịch vụtrong cùng một đường truyền đã thúc đẩy sự ra đời của một công nghệ mới,

đó là công nghệ UWB Một giải pháp có khả năng thay thế hệ thống dây dẫnphức tạp trước đây, và hứa hẹn sẽ mở ra một trang mới cho công nghệ khôngdây trong truyền thông đa phương tiện

Nhưng trước tiên ta cần phải biết UWB là gì và định nghĩa về nó: UWB

(Ultra WideBand) có nghĩa là băng thông cực rộng, cụ thể hơn là ta có thể

truyền thông tin có tốc độ cao và dung lượng rất lớn với băng thông cực rộng,công tác trên dải tần từ 3,1 ÷ 10,6 Ghz Đây là một giải pháp công nghệ mớinhắm tới người sử dụng gia đình, nhằm phục vụ tốt nhất cho cuộc sống sinhhoạt của con người Với những thay đổi đáng kể trong quá trình thu và pháttín hiệu đã làm cho UWB trở thành một công nghệ đầy triển vọng trong lĩnhvực truyền thông không dây, giúp con người thoát khỏi sự phức tạp và rắc rốicủa hệ thống dây dẫn kết nối giữa các thiết bị như trước đây

2.2 KHÁI QUÁT VỀ UWB

Giống như các công nghệ chủ đạo khác UWB nhắm tới người sử dụng giađình Người sử dụng có thể kết nối mạng không dây các thiết bị điện tử tronggia đình với tốc độ cao, dung lượng lớn và nhanh chóng hơn rất nhiều so vớicác công nghệ không dây trước đây như IrDA và Bluetooth

 Về cơ bản UWB được phát triển để phục vụ cho truyền thông giữa cácthiết bị trong gia đình của người sử dụng Tương lai mạng không dây giữa cácthiết bị trong gia đình sẽ là UWB, với khả năng chia sẻ ảnh số, âm nhạc,video, dữ liệu và tiếng nói… Ví dụ bạn có thể xem video trên PC hoặc các

thiết bị điện tử khác như máy quay video, máy phát DVD, HD-TV (High – Definition Television) qua kết nối không dây UWB.

 UWB với bước sóng cực ngắn rất thích hợp cho các mạng gia đình

WPAN (Wireless Personal Area Networks) Đây được coi là công nghệ có giá

rẻ, tiết kiệm năng lượng, băng thông lớn Hiện nay UWB cho phép các thiết bịliên lạc với nhau trong phạm vi là 10 m

 Để có thể hiểu rõ hơn tại sao công nghệ mới UWB lại có thể mở ra mộttrang mới cho mạng không dây, trước hết ta hãy xét qua một số công nghệ đã

và đang được sử dụng trong các mạng không dây như IrDA và Bluetooth

Trước tiên là công nghệ IrDA (Infrafed Data Association: liên kết dữ liệu

bằng hồng ngoại) Được phát triển bởi một nhóm các nhà sản xuất từ nhữngnăm 1990, họ đã phát triển công nghệ để giao tiếp ngang hàng giữa nhữngmáy laptop trong phạm vi hẹp Tiếp đó, IrDA được mở rộng ứng dụng trêncác sản phẩm khác, mà có lẽ được biết đến nhiều nhất là điện thoại di động.Giao tiếp IrDA có nhược điểm lớn đó là các thiết bị cần phải được để đối diệnnhau, để các cổng hồng ngoại có thể nhìn thấy nhau Chính vì yếu điểm nàycủa mình mà công nghệ IrDA dần dần bị thay thế bởi công nghệ Bluetooth.Công nghệ bluetooth: được ra đời để phá bỏ những giới hạn của công nghệIrDA Đầu tiên, bluetooth được sử dụng với mục đích là giao tiếp giữa điệnthoại di động và tai nghe Về sau, công nghệ phát triển và được sử dụng đểkết nối nhiều thiết bị khác nhau Bây giờ, bluetooth có mặt trong hầu hết cácthiết bị tiêu dùng từ điện thoại di động, ôtô đến các thiết bị trong gia đình như

tủ lạnh, máy giặt, lò vi sóng… Các thiết bị trong gia đình đã trở thành mộtđiểm kết nối quan trọng trong mạng không dây nhờ công nghệ bluetooth.Hiện nay, tuy bluetooth phát triển khá mạnh mẽ, có nhiều ứng dụng rộng rãitrong thực tiễn và đã khắc phục được phần lớn nhược điểm của IrDA nhưng

bluetooth vẫn tồn tại những hạn chế rất lớn về dung lượng truyền và tốc độkết nối.

Với những tính năng ưu việt của mình UWB sẽ nhanh chóng thay thế hoàntoàn hai công nghệ không dây cũ là IrDA và bluetooth, để trở thành độcquyền trong lĩnh vực không dây Tham vọng của UWB không chỉ dừng lại ởnhững ứng dụng trong phạm vi gia đình mà còn vươn tới một hệ thống diđộng toàn cầu, với một loạt những chuẩn mới ra đời như chuẩn Wimax, chuẩnUSB không dây và chuẩn UWB hy vọng trong tương lai gần mô hình một thếgiới di động toàn diện sẽ trở thành hiện thực

 Trong thế giới kết nối không dây, bạn có thể làm việc và giải trí mọinơi, mọi lúc đó cũng là ước muốn của con người và cũng là mục tiêu mà loàingười hướng tới Công nghệ hiện nay đã phần nào mang lại sự tiện ích vàthoải mái cho con người với những công nghệ như bluetooth kết nối khôngdây, WiFi cho phép truy xuất internet không dây, điện thoại di động… Nhưngbên cạnh những ưu điểm không thể phụ nhận đó, công nghệ kết nối khôngdây hiện nay vẫn còn hạn chế và chưa có sự liên thông thực sự giữa các thiết

bị trong mạng với nhau

 Để có được môi trường làm việc di động thực sự, các công ty hàng đầutrong lĩnh vực này như Fujitsu, Intel, Sony, LG, Electronics, Motorola… đãnghĩ đến mô hình tương lai cho phép các công nghệ không dây liên thông vớinhau, cùng làm việc và hỗ trợ nhau Để có thể tích hợp được nhiều công nghệkhác nhau, IEEE đã nghiên cứu và đưa ra một hệ thống chuẩn không dây liên

thông: bao gồm IEEE 802.15 dành cho mạng cá nhân PAN (Personal Area Network), IEEE 802.11 dành cho mạng cục bộ LAN (Local Area Network), IEEE 802.16 dành cho mạng nội thị MAN (Metropolitan Area Network), và

đề xuất IEEE 802.20 cho mạng diện rộng WAN (Wide Area Network).

Trong mô hình này các chuẩn UWB, chuẩn USB không dây (Wireless USB

- WUSB) và chuẩn IEEE 802.16 sẽ tạo ra mạng trục không dây, thay thế cápnối ngoại vi USB và thay thế toàn bộ cáp nối thiết bị điện tử