Các hệ thống di động kỹ thuật điều chế OFDM

Các hệ thống di động kỹ thuật điều chế OFDM

CHƯƠNG 1 CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.1 Thế hệ thứ nhất (1G)

Đặc điểm:

Hệ thống mạng di động tế bào thế hệ thứ nhất được phát triển vào những năm cuối thập kỷ 70 đầu 80, sử dụng kỹ thuật tương tự (Analog).Tất cả các hệ thống thuộc thế hệ này đều sử dụng kiểu đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA ( Frequency Division Multiple Access)

Chất lượng hệ thống vào thời điểm này còn rất thấp do thường xuyên xảy

ra tình trạng nghẽn mạch và nhiễu

Các hệ thống mạng:

• NMT (Nordic Mobile Telephone): Nga và Đông Âu

• AMPS (Advanced Mobile Phone System): Mỹ

• TACS (Total Access Communications System): Anh

• ETACS (Enhanced Total Access Communications System): Châu Âu

1.2 Thế hệ thứ hai (2G)

Đặc điểm:

Các hệ thống mạng thuộc thế hệ 2G được triển khai từ năm 1990, ngày nay vẫn còn tồn tại và ứng dụng phổ biến Là một mạng thông tin số băng hẹp sử dụng phương pháp chuyển mạch - mạch là chủ yếu Đa truy cập theo thời gian TDMA kết hợp tần số FDMA hoặc đa truy nhập kiểu mã CDMA kết hợp tần số FDMA

Các hệ thống mạng:

• GSM (Global System Mobile)

Ra đời năm 1988 GSM là chuẩn phổ biến nhất cho thông tin di động Tế bào, trên 2 tỉ người trên thế giới sử dụng các loại hình dịch vụ của chuẩn này, và

nó phủ sóng ở trên 200 quốc gia trên toàn thế giới Chuẩn này cho phép roaming toàn cầu với các mạng cùng chuẩn mang lại tiện ích rất lớn cho người sử dụng,

họ có thể mang máy tới bất kỳ nơi đâu chỉ cần các nhà điều hành mạng kết nối mạng lưới sử dụng của họ với nhau

Sử dụng kết hợp hai phương pháp đa truy cập theo thời gian TDMA và theo tần số FDMA nhờ đó tại một thời điểm có thể có 8 thuê bao cùng sử dụng chung một kênh toàn tốc (Full Rate) 13Kbps và 16 thuê bao cùng dùng chung một kênh bán tốc (Haft Rate) 6Kbps

Điện thoại GSM sử dụng SIM - CARD do nhà điều hành cấp, SIM như một máy tính nhỏ lưu trữ danh bạ và các thông tin từ nhà điều hành mạng, thuê bao có thể liên kết với mạng nhờ thẻ SIM này

GSM khai thác băng tần 900MHz và 1800MHz, một số ít nơi khai thác băng tần 850MHz và 1900MHz như Mỹ và Canada do băng 900MHz và 1800MHz đã bị khai thác hết Công suất của MS tối đa với GSM900 là 2.5W, đối với GSM1800 là 1W

Bán kính phủ sóng của GSM phụ thuộc vào độ cao, tăng ích của ăng-ten

và điều kiện truyền sóng Bán kính tối đa cho vùng phủ sóng của nó là 35Km

Ở Việt Nam hiện có 3 nhà điều hành mạng khai thác băng tần GSM900: Viettel, Vinaphone, MobiPhone Riêng có MobiPhone, Viettel đang triển khai

và khai thác băng tần GSM1800

•IS95 (CDMA ONE):

IS95 là mạng tế bào số đầu tiên sử dụng phương pháp đa truy nhập kiểu CDMA nên còn được gọi là CDMA ONE do Qualcom đề suất và được triển khai đầu tiên ở Mỹ

Dung lượng kênh của CDMA là lớn gấp khoảng 6 lần so với dung lượng kênh của GSM dó đó một số lượng lớn thuê bao có thể được phục vụ bởi số tế bào ít hơn, nhờ đó mà đem lại hiệu quả kinh tế cao hơn so với GSM Đặc biệt với hạ tầng và công nghệ của nó dễ dàng để nâng cấp lên chuẩn cao hơn với tốc

độ truyền dữ liệu cao hơn

Sử dụng đa truy nhập thep phương pháp CDMA (Code Division Multi Access), trong đó mỗi thuê bao sử dụng mạng sẽ được cung cấp một mã trải phổ

PN (Pseudo Noise) Khác với GSM các thuê bao sử dụng phương pháp đa truy

nhập kiểu CDMA có thể truy nhập mạng cùng một lúc và các thuê bao có thể sử dụng chung tần số sóng mang trong cùng một tế bào Các thuê bao chỉ phân biệt nhau ở mã trải phổ mà nó được cấp

1.3 Thế hệ 2.5G

Đặc điểm:

Hệ thống mạng 2.5G là một sự chuyển tiếp giữa thế hệ 2G và 3G và thực sự

nó là sản phẩm cải tiến trên nền của hệ thống 2G phát triển lên Hệ thống hoạt động dựa trên hình thức chuyển mạch gói nhờ đó nó có ưu điểm là tiết kiệm không gian truyền dẫn và tăng tốc độ truyền dẫn

Nâng cấp từ 2G lên 2.5G nhanh và dễ hơn so với chuyển trực tiếp lên 3G từ 2G, nó như là một sự chuyển tiếp mềm dẻo không gây ra sự thay đổi một cách đột biến

• GPRS (General Packet Radio Service):

GPRS là một hệ thống được nâng cấp lên từ hệ thống GSM Nó sử dụng phương thức chuyển mạch gói, người dùng sẽ nhận thông tin dưới dạng gói dữ liệu, cũng chính vì thế mà giá cước cũng tính theo dung lượng mà người dùng nhận và gửi, khác với GSM là tính cước dựa trên thời gian đàm thoại của người

sử dụng Cũng nhờ phương pháp này mà tốc độ truyền dẫn tăng lên và giá thành

sử dụng lại kinh tế hơn GPRS cho phép cung cấp các dịch vụ kết nối ảo, truyền

số liệu lên đến 171.2Kbps cho mỗi người sử dụng nhờ có thể sử dụng cùng một lúc nhiều khe thời gian để truyền dẫn Bên cạnh mục đích nâng cao dung lượng

và chất lượng phục vụ, GPRS còn được xem là bước đệm để tiến lên 3G

Với việc xây dựng hệ thống GPRS, các nhà khai thác đã xây dựng một cấu trúc mạng lõi dựa trên IP (Internet Protocol) để hỗ trợ cho các ứng dụng về số liệu, cũng như tạo ra môi trường để thử nghiệm và khai thác các dịch vụ tích hợp giữa thoại và số liệu của thế hệ 3G sau này

Trong hệ thống tập trung hỗ trợ cho dịch vụ thoại là chủ yếu như GSM thì mục đích chính của GPRS là cung cấp các tiện ích truy nhập mạng sử dụng chuẩn TCP/IP

• EDGE (Data rates for GSM Evolution):

EDGE hay còn gọi là E-GPRS, có thể coi là một sản phẩm cải tiến của GPRS Cũng giống như GPRS, EDGE là một sản phẩm được nghiên cứu và triển khai trên nền GSM để tiến lên 3G Sử dụng dịch vụ chuyển mạch gói với tốc độ cao gấp 3 lần so với GPRS nhờ đó mà EDGE có thể cung cấp các dịch vụ truyền số liệu tốc độ cao, ngòai truyền thoại còn có thể truyền Video với chất lượng tương đối tốt, ngoài ra còn có thể kết nối Internet

EDGE sử dụng phương thức điều chế, phương thức mã hóa và cơ chế thích ứng đuờng truyền mới để đạt được tốc độ truyền dữ liệu tối đa (với MCS-9) gấp

3 lần tốc độ tối đa của GPRS (với CS4) Trong khi GSM, GPRS sử dụng điều chế GMSK, thì EDGE sử dụng thêm điều chế 8-PSK cho mã hóa tốc độ cao MCS5-MCS9, bên cạnh GMSK cho mã hóa tốc độ thấp MCS1-MCS4

Bảng 1.1 Các phương pháp mã hoá trong thông tin di động.

Phương pháp Mã hóa &

Điều chế

Tốc độ (Kbps)

Kiểu Điều Chế

1.4 Thế hệ 3G

Đặc điểm:

Là thế hệ di động số cho phép chuyển mạng bất kỳ cho phép truyền thông

đa phương tiện chất lượng cao Các hệ thống 3G được xây dựng trên nền chuẩn CDMA hoặc là CDMA kết hợp với TDMA, có khả năng cung cấp một băng tần theo yêu cầu do đó có thể hỗ trợ các dịch vụ có những tốc độ khác nhau

Ở thế hệ thứ 3, các hệ thống có xu hướng tiến đến một chuẩn chung duy nhất, cung cấp dich vụ truyền với tốc độ 2Mbps Mặc dù được tính toàn là một chuẩn chung cho toàn cầu nhưng chi phí để triển khai nó là rất lớn

Các hệ thống:

•WCDMA (Wideband-CDMA):

Được nghiên cứu và phát triển bởi tập đoàn viễn thông NTT DOCOMO và sau đó đã được đề xuất lên tổ chức viễn thông quốc tế ITU làm chuẩn cho thế hệ thứ 3 và được biết đến với một tên khác là IMT-2000

Phát triển lên trên nền chuẩn CDMA, độ phân cách sóng mang cho các kênh truyền là 5MHz trong khi của CDMA2000 là 1.25MHz qua đó có thể thấy dung lượng của WCDMA là rất lớn, do đó nó cho phép hỗ trợ truyền dữ liệu tốc

độ cao, hỗ trợ truyền thoại, hình ảnh và Video chất lượng cao

UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)

UMTS là một trong những mạng di động thuộc thế hệ 3G Nó là sự kết hợp các công nghệ của thế hệ 3G kết hợp với chuẩn GSM vì thế mà đôi khi người ta còn gọi UMTS là 3GSM Hỗ trợ truyền dữ liệu với tốc độ lên đến 2Mbps cho phép truyền hình ảnh và đa phương tiện chất lượng cao

1.5 Thế hệ 4G

Đặc điểm:

•Cho phép truyền tải các dữ liệu, âm thanh và hình ảnh với chất lượng cao

•Yêu cầu về tốc độ là từ 100Mbps đến 1Gbps

•Có thể roaming từ mạng di động này sang mạng di động khác và từ các công nghệ không dây khác nhau

•Mạng lõi hòan toàn ứng dụng trên nền IP, khác với các thế hệ trước là sử dụng phương thức chuyển mạch gói

Các công nghệ ứng dụng cho thế hệ 4G:

Một trong những công nghệ chính của mạng 4G là ghép kênh phân chia tần

số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) OFDM là một dạng của điều chế đa sóng mang, làm việc theo nguyên tắc phân chia dòng

bit truyền tại dải thông B thành nhiều dòng bit song song N với khoảng cách B/N Các sóng mang con trực giao N điều chế dòng bit song song, sau đó được tổng hợp lại trước khi truyền dẫn Một bộ phát OFDM chấp nhận dữ liệu từ mạng IP, biến đổi và mã hoá dữ liệu trước khi điều chế Một bộ IFFT (biến đổi ngược Fourier nhanh) biến đổi tín hiệu OFDM thành tín hiệu tương tự IF và được gửi tới bộ thu RF Mạch thu khôi phục lại dữ liệu bằng cách đảo chiều chu trình này Với các sóng mang con trực giao, bộ thu có thể tách biệt và xử lý mỗi sóng mang con mà không có nhiễu từ các sóng mang con khác Không bị pha-đinh và trễ đa đường như các công nghệ truyền dẫn khác, OFDM cung cấp liên kết và chất lượng thông tốt hơn

•Công nghệ MIMO:

Hệ thống MIMO (Multi Input Multi Output) sử dụng hệ thống ăng-ten dàn

ở cả phần phát và phần thu Tín hiệu cần gửi được tách ra thành N luồng nhỏ và được phát đi trên N ăng-ten qua các môi trường có đặc tính pha-đinh khác nhau

Về lý thuyết thì có nghĩa ta đã tăng hiệu suất sử dụng phổ tần lên gấp N lần và tỉ

lệ lỗi bit cho ảnh hưởng của pha-đinh và điều kiện kênh truyền sẽ giảm đi Khi truyền qua các kênh không tương quan giữa hệ thống phát và thu, tín hiệu từ mỗi ăng-ten phát tại vị trí thu có sự khác nhau về tham số không gian Hệ thống máy thu có thể sử dụng sự khác biệt này để tách các tín hiệu có cùng tần số được phát đồng thời từ các ăng-ten khác nhau

•Công nghệ Wimax:

WiMax di động là một giải pháp vô tuyến băng rộng cho phép hội tụ các mạng băng rộng cố định và di động thông qua một công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng diện rộng và kiến trúc mạng mềm dẻo Giao diện không gian WiMax

di động thông qua công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) để cải thiện hiệu suất đa đường trong môi trường tầm nhìn không thẳng NLOS OFDMA theo tỷ lệ (SOFDMA) được giới thiệu trong bổ sung IEEE 802.16e để hỗ trợ các băng tần kênh truyền theo tỷ lệ từ 1.25 đến 20MHz Nhóm kỹ thuật di dộng (Mobile Technical Group) trong diễn đàn WiMax đang phát triển các tham số hệ thống cho WiMax di động qua đó xác định các đặc

tính bắt buộc và tùy chọn của chuẩn IEEE mà cần thiết để xây dựng giao diện không gian tuân theo WiMax di động có thể được chứng nhận bởi diễn đàn WiMax Các tham số hệ thống WiMax di động cho phép các hệ thống di động được cấu hình dựa trên một tập hợp đặc tính cơ bản phổ biến do đó đảm bảo các chức năng cơ bản nhất cho các thiết bị đầu cuối và các trạm gốc có thể tương tác hoàn toàn Một số các phần tử của tham số trạm gốc được đưa ra như một tùy chọn để cung cấp thêm tính linh hoạt cho việc triển khai, dựa trên các điều kiện triển khai cụ thể mà có thể yêu cầu các cấu hình khác nhau là dung lượng tối ưu hay độ bao phủ tối ưu Các tham số WiMax di động phiên bản 1 sẽ bao phủ các băng tần kênh là 5, 7, 8.75 và 10MHz cho các ấn định phổ cấp phép toàn cầu trong các băng tần 2.3, 3.3 và 3.5 GHz

Nhóm làm việc diễn đàn WiMax đang phát triển các đặc điểm kỹ thuật mạng mức cao hơn cho các hệ thống WiMax di động dựa trên những gì được định nghĩa trong chuẩn IEEE 802.16 mà chỉ đơn giản gọi tên các đặc điểm kỹ thuật giao diện vô tuyến Sự cố gắng kết hợp của IEEE 802.16 và diễn đàn WiMax giúp định nghĩa giải pháp hệ thống đầu cuối-đầu cuối (end-to-end) cho một mạng WiMax di động

Các hệ thống WiMax di động đề xuất khả năng thay đổi được cho cả công nghệ truy nhập vô tuyến và kiến trúc mạng, vì vậy nó cung cấp tính linh hoạt lớn cho các lựa chọn triển khai mạng và các đề xuất dịch vụ

1.6 Kết luận

Thông tin vô tuyến di động đã và đang phát triển với tốc độ hết sức nhanh chóng trên phạm vi toàn cầu Kết quả thống kê cho thấy ở một số quốc gia, số lượng thuê bao di động đã vượt hẳn số lượng thuê bao cố định Trong tương lai,

số lượng thuê bao cả di động và cố định sẽ tiếp tục tăng lên và cùng với nó là sự gia tăng về nhu cầu sử dụng các dịch vụ thông tin của người sử dụng Điều này đòi hỏi các nhà khai thác cũng như các tổ chức viễn thông trên toàn cầu không ngừng nghiên cứu, cải tiến và đưa ra các phương pháp kỹ thuật, các công nghệ mới để cải tiến và nâng cấp các hệ thống thông tin Cho đến nay hệ thống thông tin đã trải qua 3 thế hệ và đang nghiên cứu công nghệ 4G để phát triển hệ thống thông tin di động không dây trong tương lai

CHƯƠNG 2

KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM 2.1 Khái niệm

Kỹ thuật OFDM là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Đó là sự kết hợp giữa mã hóa và ghép kênh Thường thường nói tới ghép kênh người ta thường nói tới những tín hiệu độc lập từ những nguồn độc lập được tổ hợp lại Trong OFDM, những tín hiệu độc lập này là các sóng mang con Đầu tiên tín hiệu sẽ chia thành các nguồn độc lập, mã hóa và sau đó ghép kênh lại để tao nên sóng mang OFDM OFDM là trường hợp đặc biệt của FDM (Frequency Divison Multiplex), đây là phương thức phát đa sóng mang theo nguyên lý chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số sóng mang được phân

bổ một cách trực giao Nhờ thực hiện biến đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song nên thời gian symbol tăng lên Do đó, sự phân tán theo thời gian gây bởi trải rộng trễ do truyền dẫn đa đường (multipath) giảm xuống

2.1.1 Điều chế đơn sóng mang

Hệ thống đơn sóng mang là một hệ thống có dữ liệu được điều chế và truyền đi chỉ trên một sóng mang

Hình 2.1: Truyền dẫn sóng mang đơn.

Hình 1.7 mô tả cấu trúc chung của một hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang Các ký tự phát đi là các xung được định dạng bằng bộ lọc ở phía phát Sau khi truyền trên kênh đa đường Ở phía thu, một bộ lọc phối hợp với kênh truyền được sử dụng nhằm cực đại tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) ở thiết bị thu nhận

dữ liệu Đối với hệ thống đơn sóng mang, việc loại bỏ nhiễu giao thoa bên thu cực kỳ phức tạp Đây chính là nguyên nhân để các hệ thống đa sóng mang chiếm

ưu thế hơn các hệ thống đơn sóng mang

2.1.2 Điều chế đa sóng mang

Nếu truyền tín hiệu không phải bằng một sóng mang mà bằng nhiều sóng mang, mỗi sóng mang tải một phần dữ liệu có ích và được trải đều trên cả băng thông thì khi chịu ảnh hưởng xấu của đáp tuyến kênh sẽ chỉ có một phần dữ liệu

có ích bị mất, trên cơ sở dữ liệu mà các sóng mang khác mang tải có thể khôi phục dữ liệu có ích

Hình 2.2: Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang.

Do vậy, khi sử dụng nhiều sóng mang có tốc độ bit thấp, các dữ liệu gốc sẽ thu được chính xác Để khôi phục dữ liệu đã mất, người ta sử dụng phương pháp sửa lỗi tiến FFC Ở máy thu, mỗi sóng mang được tách ra khi dùng bộ lọc thông thường và giải điều chế Tuy nhiên, để không có can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) phải có khoảng bảo vệ khi hiệu quả phổ kém

OFDM là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ vô số sóng mang phụ mang các bit thông tin Bằng cách này ta có thể tận dụng băng thông tín hiệu, chống lại nhiễu giữa các ký tự,…Để làm được điều này, một sóng mang phụ cần một máy phát sóng sin, một bộ điều chế và giải điều chế của riêng nó Trong trường hợp số sóng mang phụ là khá lớn, điều này là không thể chấp nhận được Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi IDFT/DFT được dùng để thay thế hàng loạt các bộ dao động tạo sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế Hơn nữa, IFFT/FFT được xem

là một thuật toán giúp cho việc biến đổi IDFT/DFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiện phép biến đổi IDFT/DFT và giúp tiết