Thông tin di động là một lĩnh vực rất quan trọng trong đời sống xã hội. Những năm gần đây thì các dịch vụ truyền số liệu, các dịch vụ truyền thông đa phương tiện phát triển nhanh chóng đã thúc đẩy quá trình nghiên cứu tìm ra các công nghệ mới có thể đáp ứng được nhu cầu này. Các hệ thống di động băng rộng theo tiêu chuẩn mới ra đời như 4G LTE với các kĩ thuật đa anten, đa truy cập phân chia theo không gian sẽ hứa hẹn sẽ đem đến cho người sử dụng các dịch vụ có tốc độ truy cập cao và chất lượng tốt.Bên cạnh đó thì cải thiện chất lượng của vùng phủ sóng cũng là một vấ đề quan trọng. Để đạt được chất lượng tín hiệu tốt với một vùng phủ sóng lớn là điều không dễ dàng, và để cải thiện vấn đề này thì hệ thống truyền thông đa chặng đời (gồm oneway relay và twoway relay). Hệ thống MIMO kết hợp đa chặng giúp mở rộng vùng phủ sóng, tăng thông lượng hệ thống và chất lượng dịch vụ mà không phải mất quá nhiều chi phí cho việc lắp đặt thêm trạm mới. Tuy nhiên thì vấn đề lớn nhất trong hệ thống này đó là nhiễu xuyên kênh khi mà cùng một lúc trạm gốc phục vụ cho nhiều thuê bao. Và chính vì thế mà việc nghiên cứu các kĩ thuật tiền mã hóa trong hệ thống đa chặng là vô cùng quan trọng. Và em chọn đề tài cho đồ án tốt nghiệp là: “Nghiên cứu kĩ thuật tiền mã hóa trong hệ thống thông tin đa chặng twoway relay”.Đồ án gồm 4 chương:Chương 1: Giới thiệu về hệ thống thông tin di động.Chương 2: Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM và đa truy cập phân chia theo không gian SDMA.Chương 3: Thông tin đa chặng và tiền mã hóa trong hệ thống twoway relay.Chương 4: Mô phỏng.Đồ án sẽ nghiên cứu về kỹ thuật tiền mã hóa trong hệ thống thông tin đa chặng, đồng thời nghiên cứu sự thay đổi của chất lượng của hệ thống khi số thuê bao, số anten tại trạm gốc và relay thay đổi. Kết quả mô phỏng cho ta một cái nhìn trực quan hơn về hệ thống đa chặng trong thông tin di động.
Trang 1LỜI CAM ĐOAN
Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam Độc lập - Tự do - Hạnh phúc LỜI CAM ĐOAN
Kính gửi : Hội đồng bảo vệ đồ án tốt nghiệp khoa Điện tử - Viễn thông
Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng
Em tên là: Bùi Minh Sinh
Hiện đang học lớp 09DT1 – Khoa Điện tử - Viễn Thông, trường đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng
Em xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của bất cứ
đồ án hoặc công trình đã có từ trước Nếu vi phạm em xin chịu mọi hình thức kỷ luậtcủa khoa
Sinh viên thực hiện đồ án
Bùi Minh Sinh
Trang 2MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN 1
MỤC LỤC 2
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 5
LỜI MỞ ĐẦU 7
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 9
1.1 Giới thiệu chương 9
1.2 Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin di động 9
1.2.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 (1G) 9
1.2.2 Hệ thống di động thế hệ 2 (2G) 10
1.2.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 (3G) 13
1.2.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ 4 (4G) 15
1.3 Các hiện tượng ảnh hưởng đến kênh truyền trong thông tin di động 16
1.3.1 Suy hao 16
1.3.2 Fading đa đường 17
1.3.3 Nhiễu trắng Gaussian 21
1.3.4 Hiệu ứng Doppler 21
1.3.5 Trải trễ 22
1.4 Kết luận chương 22
CHƯƠNG 2 GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO VÀ ĐA TRUY CẬP PHÂN CHIA THEO KHÔNG GIAN 23
2.1 Giới thiệu chương 23
2.2 Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM 23
2.2.1 Giới thiệu về OFDM 23
2.2.2 Mô hình tín hiệu 25
2.2.3 Ưu điểm, nhược điểm của OFDM 27
2.3 Đa truy cập phân chia theo không gian SDMA 27
Trang 3MỤC LỤC
2.3.1 Giới thiệu về SDMA 27
2.3.2 Tiền mã hóa trong SDMA 30
2.4 Kết luận chương 33
CHƯƠNG 3 THÔNG TIN ĐA CHẶNG VÀ TIỀN MÃ HÓA TRONG HỆ THỐNG TWO-WAY RELAY 34
3.1 Giới thiệu chương 34
3.2 Tổng quan về hệ thống thông tin đa chặng 34
3.3 One-way Relay 36
3.3.1 Giới thiệu về One-way Relay 36
3.3.2 Ưu và nhược điểm của One-way relay 37
3.4 Two-way Relay 37
3.4.1 Giới thiệu hệ thống Two-way Relay 37
3.4.2 Mô hình toán học cuả hệ thống two-way relay 38
3.5 Thiết kế ma trận tiền mã hóa trong hệ thống two-way relay 40
3.5.1 Trường hợp số anten của tram gốc và relay bằng số thuê bao 40
3.5.1.1 Thiết kế ma trận tiền mã hóa tại trạm gốc 40
3.5.1.2 Thiết kế ma trận tiền mã hóa tại relay 41
3.5.2 Trường hợp số anten của tram gốc, relay và số thuê bao là khác nhau 44
3.5.2.1 Thiết lập ma trận tiền mã hóa tại trạm gốc 45
3.5.2.2 Thiết lập ma trận tiền mã hóa tại relay 45
3.6 Kết luận chương 47
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG 48
4.1 Giới thiệu chương 48
4.2 Khảo sát hệ thống two-way 48
4.2.1 Lưu đồ thuật toán dùng để mô phỏng 49
4.2.2 Khảo sát chất lượng của hệ thống khi không dung tiền mã hóa và có dùng tiền mã hóa 50
Trang 44.2.3.1 Khi số thuê bao bằng số anten tại trạm gốc và relay 51
4.2.3.2 Khi số thuê bao không bằng số anten tại trạm gốc và relay 51
4.2.3 Khảo sát chất lượng của hệ thống khi thay đổi mức điều chế MQAM 54
4.3 Kết luận chương 54
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 56
TÀI LIỆU THAM KHẢO 57
PHỤ LỤC 58
Trang 54G Fourth Generation Thế hệ thứ tư
AF Ampify and Forward Khuếch đại và chuyển tiếp
AWGN Addition White Gaussian Noise Nhiễu Gaussian trắng cộng
BER Bit Error Rate Tỉ số bit lỗi
Đa truy cập phân chia theo mã
DF Decode and Forward Giải mã và chuyển tiếp
GSM
GPRS
HSDPA
Fast Fourier Transform
Global System for Mobile
Communications General Packet
Radio Service
High-Speed Downlink Packet Access
Phép biến đổi Fourier nhanh
Hệ thống thông tin di động toàn cầuDịch vụ vô tuyến gói tổng hợp
Truy nhập gói đường xuống tốc độcao
ICI Inter- Carrier Interference Nhiễu liên sóng mang
LOS Line Of Sight Đường truyền thẳng
LTE Long Term Evolution Sự tiến triển dài hạn
MIMO Multiple Input Multiple Output Nhiều ngõ vào, nhiều ngõ ra
M-QAM M Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phương M điểmMSE
Trang 6Multiplexing giao
QAM Quadrature Ampitude Modulation Điều chế biên độ cầu phương
SDMA Space Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo không
gianSNR
Time division multiplexingTime division multiple accessWideband CDMA
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu
Tỉ số tín hiệu trên can cộng nhiễu
Ghép cập phân chia theo thời gian
Đa truy cập phân chia theo thời gianCDMA băng rộng
Trang 7LỜI MỞ ĐẦU
LỜI MỞ ĐẦU
Thông tin di động là một lĩnh vực rất quan trọng trong đời sống xã hội Nhữngnăm gần đây thì các dịch vụ truyền số liệu, các dịch vụ truyền thông đa phương tiệnphát triển nhanh chóng đã thúc đẩy quá trình nghiên cứu tìm ra các công nghệ mới cóthể đáp ứng được nhu cầu này Các hệ thống di động băng rộng theo tiêu chuẩn mới rađời như 4G -LTE với các kĩ thuật đa anten, đa truy cập phân chia theo không gian sẽhứa hẹn sẽ đem đến cho người sử dụng các dịch vụ có tốc độ truy cập cao và chấtlượng tốt
Bên cạnh đó thì cải thiện chất lượng của vùng phủ sóng cũng là một vấ đề quantrọng Để đạt được chất lượng tín hiệu tốt với một vùng phủ sóng lớn là điều không dễdàng, và để cải thiện vấn đề này thì hệ thống truyền thông đa chặng đời (gồm one-wayrelay và two-way relay) Hệ thống MIMO kết hợp đa chặng giúp mở rộng vùng phủsóng, tăng thông lượng hệ thống và chất lượng dịch vụ mà không phải mất quá nhiềuchi phí cho việc lắp đặt thêm trạm mới Tuy nhiên thì vấn đề lớn nhất trong hệ thốngnày đó là nhiễu xuyên kênh khi mà cùng một lúc trạm gốc phục vụ cho nhiều thuê bao
Và chính vì thế mà việc nghiên cứu các kĩ thuật tiền mã hóa trong hệ thống đa chặng là
vô cùng quan trọng Và em chọn đề tài cho đồ án tốt nghiệp là: “Nghiên cứu kĩ thuật
tiền mã hóa trong hệ thống thông tin đa chặng two-way relay”.
Đồ án gồm 4 chương:
Chương 1: Giới thiệu về hệ thống thông tin di động
Chương 2: Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM và đa truy cậpphân chia theo không gian SDMA
Chương 3: Thông tin đa chặng và tiền mã hóa trong hệ thống two-way relay.Chương 4: Mô phỏng
Đồ án sẽ nghiên cứu về kỹ thuật tiền mã hóa trong hệ thống thông tin đa chặng,đồng thời nghiên cứu sự thay đổi của chất lượng của hệ thống khi số thuê bao, số anten
Trang 8tại trạm gốc và relay thay đổi Kết quả mô phỏng cho ta một cái nhìn trực quan hơn về
hệ thống đa chặng trong thông tin di động
Trong quá trình thực hiện đồ án, em đã cố gắng rất nhiều song không tránh khỏinhững sai sót, kính mong quý thầy cô thông cảm và đóng góp ý kiến để đồ án đượchoàn thiện hơn
Em xin chân thành cảm ơn!
Đà Nẵng, tháng 06 năm 2014 Sinh viên thực hiện
Bùi Minh Sinh
Trang 9CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
1.1 Giới thiệu chương
Thông tin di động là một lĩnh vực rất quan trọng trong đời sống xã hội Xã hộicàng phát triển, nhu cầu về thông tin di động của con người càng tăng lên và thông tin
di động càng khẳng định được sự cần thiết và tính tiện dụng của nó Cho đến nay, hệthống thông tin di động đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển, từ thế hệ di động thế hệ 1đến thế hệ 3 và thế hệ đang phát triển trên thế giới - thế hệ 4
Trong chương này sẽ trình bày các nội dung sau:
- Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin di động
- Các đặc trưng kênh truyền của hệ thống thông tin di động
1.2 Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin di động
Khi các ngành thông tin quảng bá bằng vô tuyến phát triển thì ý tưởng về thiết
bị điện thoại vô tuyến ra đời và cũng là tiền thân của mạng thông tin di động sau này.Năm 1946, mạng điện thoại vô tuyến đầu tiên được thử nghiệm tại ST Louis, bangMissouri của Mỹ
Sau những năm 50, việc phát minh ra chất bán dẫn cũng ảnh hưởng lớn đến lĩnhvực thông tin di động Ứng dụng các linh kiện bán dẫn vào thông tin di động đã cảithiện một số nhược điểm mà trước đây chưa làm được Thuật ngữ thông tin di động tếbào ra đời vào những năm 70, khi kết hợp được các vùng phủ sóng riêng lẻ thành công,
đã giải được bài toán khó về dung lượng
1.2.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 (1G)
Những hệ thống thông tin di động đầu tiên, nay được gọi là thế hệ thứ nhất(1G), sử dụng công nghệ analog gọi là đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) để
Trang 10người dùng được cấp phát một kênh trong tập hợp có trật tự các kênh trong lĩnh vựctần số Trong trường hợp nếu số thuê bao nhiều vượt trội so với các kênh tần số có thể,thì một số người bị chặn lại không được truy cập.
Đặc điểm:
- Mỗi MS được cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông tuyến
- Nhiễu giao thoa do tần số các kênh lân cận nhau là đáng kể.
- Trạm thu phát gốc BTS phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi MS
trong cell
Những nhược điểm của hệ thống thông tin di động thế hệ 1:
Hệ thống di động thế hệ 1 sử dụng phương pháp đa truy cập đơn giản Tuynhiên hệ thống không thỏa mãn nhu cầu ngày càng tăng của người dùng về cả dunglượng và tốc độ Những nhược điểm của 1G là :
- Phân bổ tần số rất hạn chế, dung lượng nhỏ Tiếng ồn khó chịu và nhiễu xảy ra
khi máy di động chuyển dịch trong môi trường fading đa tia
- Không cho phép giảm đáng kể giá thành của thiết bị di động và cơ sở hạ tầng.
Không đảm bảo tính bí mật của các cuộc gọi
- Không tương thích giữa các hệ thống khác nhau, đặc biệt ở châu Âu, làm cho
thuê bao không thể sử dụng được máy di động của mình ở các nước khác
Trang 11CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
sự phát triển nhanh chóng của thuê bao, hệ thống thông tin di động thế hệ 2 lúc đó đãđáp ứng kịp thời số lượng lớn các thuê bao di động dựa trên công nghệ số Hệ thống2G hấp dẫn hơn hệ thống 1G bởi vì ngoài dịch vụ thoại truyền thống, hệ thống này còn
có khả năng cung cấp một số dịch vụ truyền dữ liệu và các dịch vụ bổ sung khác Tất
cả hệ thống thông tin di động thế hệ 2 đều sử dụng kỹ thuật điều chế số Và chúng sửdụng 2 phương pháp đa truy cập:
Đa truy cập phân chia theo thời gian (Time Division Multiple Access TDMA): phục vụ các cuộc gọi theo các khe thời gian khác nhau
-Đa truy cập phân chia theo mã (Code Division Multiple Access - CDMA):phục vụ các cuộc gọi theo các chuỗi mã khác nhau
Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA
Trong hệ thống TDMA phổ tần số quy định cho liên lạc di động được chia thànhcác dải tần liên lạc, mỗi dải tần liên lạc này được dùng chung cho N kênh liên lạc, mỗikênh liên lạc là một khe thời gian (Time slot) trong chu kỳ một khung Tin tức được tổchức dưới dạng gói, mỗi gói có bit chỉ thị đầu gói, chỉ thị cuối gói, các bit đồng bộ vàcác bit dữ liệu Không như hệ thống FDMA, hệ thống TDMA truyền dẫn dữ liệu khôngliên tục và chỉ sử dụng cho dữ liệu số và điều chế số
Các đặc điểm của TDMA
- TDMA có thể phân phát thông tin theo hai phương pháp là phân định trước
và phân phát theo yêu cầu Trong phương pháp phân định trước, việc phânphát các cụm được định trước hoặc phân phát theo thời gian Ngược lại trongphương pháp phân định theo yêu cầu các mạch được tới đáp ứng khi có cuộcgọi yêu cầu, nhờ đó tăng được hiệu suất sử dụng mạch
- Trong TDMA các kênh được phân chia theo thời gian nên nhiễu giao thoagiữa các kênh kế cận giảm đáng kể TDMA sử dụng một kênh vô tuyến đểghép nhiều luồng thông tin thông qua việc phân chia theo thời gian nên cần
Trang 12vì số lượng kênh ghép tăng nên thời gian trễ do truyền dẫn đa đường khôngthể bỏ qua được, do đó sự đồng bộ phải tối ưu.
Đa truy cập phân chia theo mã CDMA
Đối với hệ thống CDMA, tất cả người dùng sẽ sử dụng cùng lúc một băng tần.Tín hiệu truyền đi sẽ chiếm toàn bộ băng tần của hệ thống Tuy nhiên, các tín hiệu củamỗi người dùng được phân biệt với nhau bởi các chuỗi mã Thông tin di động CDMA
sử dụng kỹ thuật trải phổ cho nên nhiều người sử dụng có thể chiếm cùng kênh vôtuyến đồng thời tiến hành các cuộc gọi, mà không sợ gây nhiễu lẫn nhau Kênh vôtuyến CDMA được dùng lại mỗi cell trong toàn mạng, và những kênh này cũng đượcphân biệt nhau nhờ mã trải phổ giả ngẫu nhiên PN Trong hệ thống CDMA, tín hiệubản tin băng hẹp được nhân với tín hiệu băng thông rất rộng, gọi là tín hiệu phân tán.Tín hiệu phân tán là một chuỗi mã giả ngẫu nhiên mà tốc độ chip của nó rất lớn so vớitốc độ dữ liệu Tất cả các users trong một hệ thống CDMA dùng chung tần số sóngmang và có thể được phát đồng thời Mỗi user có một từ mã giả ngẫu nhiên riêng của
nó và nó được xem là trực giao với các từ mã khác Tại máy thu, sẽ có một từ mã đặctrưng được tạo ra để tách sóng tín hiệu có từ mã giả ngẫu nhiên tương quan với nó Tất
cả các mã khác được xem như là nhiễu Để khôi phục lại tín hiệu thông tin, máy thucần phải biết từ mã dùng ở máy phát Mỗi thuê bao vận hành một cách độc lập màkhông cần biết các thông tin của máy khác
Đặc điểm của CDMA:
- Dải tần tín hiệu rộng hàng MHz
- Sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp
- Kỹ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vô tuyến sử dụng có cường độ trường rấtnhỏ và chống fading hiệu quả hơn FDMA, TDMA
- Việc các thuê bao MS trong cell dùng chung tần số khiến cho thiết bị truyềndẫn vô tuyến đơn giản, việc thay đổi kế hoạch tần số không còn vấn đề, chuyển giaotrở thành mềm, điều khiển dung lượng cell rất linh hoạt
Trang 13CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
- Chất lượng thoại cao hơn, dung lượng hệ thống tăng đáng kể (có thể gấp từ 4đến 6 lần hệ thống GSM), độ an toàn (tính bảo mật thông tin) cao hơn do sử dụng dãy
mã ngẫu nhiên để trải phổ, kháng nhiễu tốt hơn, khả năng thu đa đường tốt hơn, chuyểnvùng linh hoạt Do hệ số tái sử dụng tần số là 1 nên không cần phải quan tâm đến vấn
hệ hai nếu không sử dụng phổ tần mới, bao gồm các mạng đã được đưa vào sử dụngnhư: GPRS, EDGE và CDMA2000-1x Ở thế hệ thứ 3 này các hệ thống thông tin diđộng có xu thế hoà nhập thành một tiêu chuẩn duy nhất và có khả năng phục vụ ở tốc
độ bit lên đến 2 Mbit/s Để phân biệt với các hệ thống thông tin di động băng hẹp hiệnnay, các hệ thống thông tin di động thế hệ 3 gọi là các hệ thống thông tin di động băngrộng Nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ 3 IMT-2000 đã được đềxuất, trong đó 2 hệ thống W-CDMA và CDMA2000 đã được ITU chấp thuận và đưavào hoạt động Các hệ thống này đều sử dụng công nghệ CDMA, điều này cho phépthực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện vô tuyến của hệ thống thông tin diđộng thế hệ 3
Trang 14 W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access) là sự nâng cấp củacác hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng công nghệ TDMA như: GSM,IS-136
CDMA2000 là sự nâng cấp của hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụngcông nghệ CDMA: IS-95
Đặc điểm của hệ thống thông tin di động thế hệ 3:
Thông tin di động thế hệ thứ 3 xây dựng trên cơ sở IMT-2000 được đưa vàophục vụ từ năm 2001 Mục đích của IMT-2000 là đưa ra nhiều khả năng mới nhưngcũng đồng thời bảo đảm sự phát triển liên tục của thông tin di động thế hệ 2
- Tốc độ của thế hệ thứ ba được xác định như sau:
+ 384 Kb/s đối với vùng phủ sóng rộng
+ 2 Mb/s đối với vùng phủ sóng địa phương
- Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2GHz như sau:
+ Đường lên: 1885-2025 MHz
+ Đường xuống: 2110-2200 MHz
- Là hệ thống thông tin di động toàn cầu cho các loại hình thông tin vô tuyến: + Tích hợp các mạng thông tin hữu tuyến và vô tuyến
+ Tương tác với mọi loại dịch vụ viễn thông
- Sử dụng các môi trường khai thác khác nhau: trong công sở, ngoài đường, trên
xe, vệ tinh
- Có thể hỗ trợ các dịch vụ như:
+ Môi trường thông tin nhà ảo (VHE: Virtual Home Environment) trên cơ
sở mạng thông minh, di động cá nhân và chuyển mạng toàn cầu
+ Đảm bảo chuyển mạng quốc tế
+ Đảm bảo các dịch vụ đa phương tiện đồng thời cho thoại, số liệu chuyểnmạch kênh và số liệu chuyển mạch theo gói
- Dễ dàng hỗ trợ các dịch vụ mới xuất hiện
Trang 15CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
1.2.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ 4 (4G)
Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 sang thế hệ 4 qua giai đoạn trung gian là thế
hệ 3,5 có tên là mạng truy nhập gói đường xuống tốc độ cao HSDPA Thế hệ 4 là côngnghệ truyền thông không dây thứ tư, cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ tối đa trongđiều kiện lý tưởng lên tới 1 cho đến 1.5 Gbps Công nghệ 4G được hiểu là chuẩn tươnglai của các thiết bị không dây Các nghiên cứu đầu tiên của NTT DoCoMo cho biết,điện thoại 4G có thể nhận dữ liệu với tốc độ 100 Mbps khi di chuyển và tới 1 Gbps khiđứng yên, cho phép người sử dụng có thể tải và truyền lên hình ảnh động chất lượngcao
Thế hệ 4 dùng kỹ thuật truyền tải truy cập phân chia theo tần số trực giaoOFDM, là kỹ thuật nhiều tín hiệu được gởi đi cùng một lúc nhưng trên những tần sốkhác nhau Trong kỹ thuật OFDM, chỉ có một thiết bị truyền tín hiệu trên nhiều tần sốđộc lập (từ vài chục cho đến vài ngàn tần số)
4G là hệ thống thông tin băng rộng được xem như IMT tiên tiến (IMTAdvanced) được định nghĩa bởi ITU-R Tốc độ dữ liệu đề ra là 100Mbps cho thuê bao
di chuyển cao và 1Gbps cho thuê bao ít di chuyển, băng thông linh động lên đến40MHz Sử dụng hoàn toàn trên nền IP, cung cấp các dịch vụ như điện thoại IP, truycập internet băng rộng, các dịch vụ game và dòng HDTV đa phương tiện…
3GPP LTE được xem như là tiền 4G, nhưng phiên bản đầu tiên của LTE chưa
đủ các tính năng theo yêu cầu của IMT Advanced LTE có tốc độ lý thuyết lên đến100Mbps ở đường xuống và 50Mbps ở đường lên đối với băng thông 20MHz Và sẽhơn nữa nếu MIMO, các anten mảng được sử dụng LTE được phát triển đầu tiên ở haithủ đô Stockholm và Olso vào ngày 14/12/2009 Giao diện vô tuyến vật lý đầu tiênđược đặt tên là HSOPA (High Speed OFDM Packet Access), bây giờ có tên là E-UTRA (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access) Thực tế cho thấy, hầu hết các hãngsản xuất thiết bị viễn thông hàng đầu thế giới: Alcatel-Lucent, Ericsson, Motorola,
Trang 16đã bắt tay với các nhà mạng lớn trên thế giới (Verizon Wireless, AT&T, FranceTelecom-Orange, NTT DoCoMo, T-Mobile, China Mobile, ZTE .) thực hiện cáccuộc thử nghiệm quan trọng trên công nghệ LTE và đã đạt những thành công đáng kể.LTE Advanced là ứng viên cho chuẩn IMT-Advanced, mục tiêu của nó là hướng đếnđáp ứng được yêu cầu của ITU LTE Advanced có khả năng tương thích với thiết bị vàchia sẻ băng tần với LTE phiên bản đầu tiên.
Di động WiMAX (IEEE 802 16e-2005) là chuẩn truy cập di động không dâybăng rộng (MWBA) cũng được xem là 4G, tốc độ bít đỉnh đường xuống là 128 Mbps
và 56 Mbps cho đường xuống với độ rộng băng thông hơn 20 MHz
Đặc điểm của 4G:
- Băng thông linh hoạt giữa 5 MHz đến 20 MHz, có thể lên đến 40 MHz
- Tốc độ được quy định bởi ITU là 100 Mbps khi di chuyển tốc độ cao và
1 Gbps đối với thuê bao đứng yên so với trạm
- Tốc độ dữ liệu ít nhất là 100 Mbps giữa bất kỳ hai điểm nào trên thế giới
- Hiệu suất phổ đường truyền là 15bit/s/Hz ở đường xuống và 6.75 bit/s/Hz ởđường lên
- Kết nối liền và chuyển giao toàn cầu qua đa mạng
- Chất lượng cao cho các dịch vụ đa phương tiện như âm thanh thời gian thực,tốc độ dữ liệu cao, video HDTV, TV di động…
- Tương thích với các chuẩn không dây đang tồn tại
- Tất cả là IP, mạng chuyển mạch gói không còn chuyển mạch kênh nữa
1.3 Các hiện tượng ảnh hưởng đến kênh truyền trong thông tin di động
1.3.1 Suy hao
Suy hao là do suy giảm công suất tín hiệu khi truyền từ điểm này đến điểmkhác Nó là kết quả ảnh hưởng do khoảng cách truyền, chướng ngại vật và hiệu ứng đa
Trang 17CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
đường Tốc độ thay đổi công suất tín hiệu chậm Phương trình tính công suất thu đượcsau khi truyền qua khoảng cách d:
λ : Bước sóng của sóng mang
1.3.2 Fading đa đường
Fading đa đường (Multipath-Fading) là một hiện tượng rất phổ biến trong truyềnthông không dây gây ra do hiện tượng đa đường (Multipath) dẫn tới suy giảm cường độ
và xoay pha tín hiệu (fading) không giống nhau tại các thời điểm tại các tần số khácnhau
Tín hiệu RF truyền qua kênh truyền vô tuyến sẽ lan tỏa trong không gian , vachạm vào các vật cản phân tán rải rác trên đường truyền như xe cộ, nhà cửa, công viên,sông, núi, biển, gây ra các hiện tượng sau đây:
• Phản xạ (reflection): khi sóng đập vào các bề mặt bằng phẳng
• Tán xạ (scaterring): khi sóng đập vào các vật có bề mặt không bằng phẳng và các vật này có chiều dài so sánh được với chiều dài bước sóng
• Nhiễu xạ (diffraction): khi sóng va chạm với các vật có kích thước lớn hơn nhiều chiều dài bước sóng
Trang 18Hình 1.1: Các hiện tượng có thể xảy ra trên đường truyền
Khi sóng va chạm vào các vật cản sẽ tạo ra vô số bản sao tín hiệu, một số bản sao này sẽ tới được máy thu
Hình 1.2: Tín hiệu đến phía nhận theo nhiều đường
Do các bản sao này này phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ trên các vật khác nhau và theocác đường dài ngắn khác nhau nên:
• Thời điểm các bản sao này tới máy thu cũng khác nhau, tức là độ trễ pha giữacác thành phần này là khác nhau
• Các bản sao sẽ suy hao khác nhau, tức là biên độ giữa các thành phần này làkhác nhau
Trang 19CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
Tín hiệu tại máy thu là tổng của tất cả các bản sao này, tùy thuộc vào biên độ vàpha của các bản sao:
• Tín hiệu thu được tăng cường hay cộng tích cực (constructive addition) khi cácbản sao đồng pha
• Tín hiệu thu bị triệt tiêu hay cộng tiêu cực (destructive addition) khi các bảnsao ngược pha
Mô hình truyền tìn hiệu trong kênh fading đa đường
Hình1.3: Mô hình truyền tín hiệu trong kênh fading đa đường
Tín hiệu s(t) được truyền vào không gian từ anten phát có thể được biểu diễnnhư sau:
s (t )=ℜ[x (t ) e j 2 π f c t] (1.2)trong đó x (t )=s I (t )+ js Q (t )là tín hiệu phức ở băng tần cơ sở Tín hiệu x (t ) được gọi làđường bao phức (complex envelope) hay tín hiệu tương đương thông thấp(complexlowpass equivalent signal) của x (t ) Ta gọi x (t ) là đường bao phức của s (t ) bởi vì biên
độ và pha của x (t ) chính là biên độ và pha của s (t )
Qua kênh truyền fading (gồm L đường vật lý), tín hiệu thu được tại anten thu cóthể được biểu diễn:
y RF (t )=∑
i=0
L−1
α i (t ) s(t−τ i (t ))+n (t ) (1.3)Thay (1.2) vào (1.3) ta có:
Trang 20y (t)=∑
i
α i (t ) x(t−τ i (t ))+w (t) (1.5)Bước tiếp theo, ta sẽ thiết lập một kênh truyền hữu dụng bằng cách chuyển kênhtruyền liên tục thời gian sang kênh truyền rời rạc thời gian Sử dụng công thức của định
lý lấy mẫu, giả sử rằng tín hiệu đầu vào x (t ) có băng tần giới hạn là W, khi đó x (t )có thểbiểu diễn tương đương là:
Ta có thể biểu diễn (1.6) nhờ tuân theo định lý lấy mẫu, định lý nói rằng bất cứ
tín hiệu nào có băng tần giới hạn là W/2 có thể được biểu diễn là tổng các hàm cơ bản
trực giao nhau sinc(Wt−n) với các hệ số là các mẫu tại các thời điểm n/W ( n ∈ Ζ)
Thay (1.6) vào (1.5) ta được :
Trang 21CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
Vậy mô hình thời gian rời rạc của kênh truyền vô tuyến được biểu diễn là:
1.3.3 Nhiễu trắng Gaussian
Nhiễu tồn tại trong tất cả các hệ thống truyền dẫn Các nguồn nhiễu chủ yếu lànhiễu nền nhiệt, nhiễu điện từ các bộ khuếch đại bên thu, và nhiễu liên ô ICI (Inter-Cellular Interference) Các loại nhiễu này có thể gây ra nhiễu liên kí tự ISI (Inter-Symbol Interference), nhiễu liên sóng mang ICI (Inter-Carrier Interference) và méoxuyên điều chế IMD (Inter-modulation Distortion) Nhiễu này làm giảm tỉ số tín hiệutrên nhiễu SNR, giảm hiệu quả phổ của hệ thống Và thực tế là tùy thuộc vào từng loạiứng dụng, mức nhiễu và hiệu quả phổ của hệ thống phải được lựa chọn
Hầu hết các loại nhiễu trong các hệ thống có thể được mô phỏng một cách chínhxác bằng nhiễu Gaussian trắng cộng Hay nói cách khác tạp âm trắng Gaussian là loạinhiễu phổ biến nhất trong hệ thống truyền dẫn Loại nhiễu này có mật độ phổ công suất
là đồng đều trong cả băng thông và biên độ tuân theo phân bố Gaussian Vậy dạngkênh truyền phổ biến là kênh truyền chịu tác động của nhiễu Gaussian trắng cộng
Đặc biệt, trong hệ thống OFDM, khi số sóng mang phụ là rất lớn thì hầu hết cácthành phần nhiễu khác cũng có thể được coi là nhiễu Gaussian trắng cộng tác động trêntừng kênh con, vì xét trên từng kênh con riêng lẻ thì đặc điểm của các loại nhiễu nàythỏa mãn các điều kiện của nhiễu Gaussian trắng cộng
Trang 221.3.4 Hiệu ứng Doppler
Gây ra bởi sự di chuyển tương đối của máy thu, máy phát và sự di chuyển củacác đối tượng trong kênh truyền vô tuyến di động Những sự di chuyển nhỏ trên mặtphẳng kênh của sóng dài có thể là nguyên nhân trong sự khác biệt hoàn toàn về chồngsóng Khi sự di chuyển tương đối này càng nhanh thì tần số Doppler càng lớn, và do đótốc độ thay đổi của kênh truyền càng nhanh Hiệu ứng này được gọi là pha đinh nhanh
1.3.5 Trải trễ
Trải trễ (Delay spread) là khoảng chênh lệch thời gian giữa tín hiệu thu trực tiếp
và tín hiệu phản xạ thu được cuối cùng tại bộ thu do hiện tượng đa đường Trong thôngtin vô tuyến, trải trễ có thể gây nên nhiễu xuyên kí tự ISI Trong kỹ thuật OFDM, tốc
độ tín hiệu giảm sau khi qua bộ S/P làm cho chu kỳ tín hiệu tăng Từ đó làm giảmnhiễu ISI do trải trễ
1.4 Kết luận chương
Chương 1 đã khái quát lại sự phát triển của hệ thống thông tin di động, đồngthời đã sơ lượt tổng quan của hệ thống thông tin di động thế hệ 4G Ngoài ra còn nêu ranhững đặc trưng cơ bản của kênh truyền thông không dây như sự suy hao trên đườngtruyền, hiệu ứng Doppler, các loại nhiễu xuất hiện trong quá trình truyền tín hiệu nhưnhiễu nhiệt Gaussian đồng thời đưa ra được mô hình tín hiệu trên kênh truyền pha đinh
đa đường, từ đó làm cơ sở để ta tìm hiểu về một kỹ thuật được ứng dụng rộng rãi trongcác hệ thống thông tin di động tiên tiến hiện nay Làm cơ sở cho việc khảo sát các hệthống thông tin di động trong các chương sau
Trang 23CHƯƠNG 2 GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO VÀ ĐA TRUY
CẬP PHÂN CHIA THEO KHÔNG GIAN
CHƯƠNG 2 GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO VÀ ĐA TRUY CẬP PHÂN CHIA THEO KHÔNG GIAN
2.1 Giới thiệu chương
Chương này sẽ trình bày các nội dung sau:
- Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
- Đa truy cập phân chia theo không gian
2.2 Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM.
2.2.1 Giới thiệu về OFDM
Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) là một kỹ thuậtđiều chế đa sóng mang, trong đó các ký tự dữ liệu được điều chế thành những songmang phụ (hay sóng mang con) song song cách đều nhau Các sóng mang phụ này có
sự phân chia tần số tối thiểu cần thiết để duy trì tính trực giao tương ứng với dạng sóngtrong miền thời gian, còn phổ tín hiệu tương ứng với các sóng mang phụ khác nhauchồng lấn trong miền tần số Với một băng tần có sẵn, việc chồng lấn phổ của các sóngmang con này sẽ làm tăng hiệu quả sử dụng phổ lên rất cao, lớn hơn nhiều so với kỹthuật ghép kênh phân chia theo tần số thông thường
Ngoài ra OFDM còn là một kỹ thuật đơn giản được áp dụng rất hiệu quả đểkhắc phục hiện tượng nhiễu liên ký tự ISI trong hiệu ứng trải trễ trong fading đa đườngbằng cách sử dụng khoảng bảo vệ (GI period) tại vị trí bắt đầu của mỗi symbol và rấtthích hợp cho các kênh truyền fading lựa chọn tần số trong thông tin vô tuyến bằngcách biến đổi kênh truyền chọn lọc tần số thành tập hợp các kênh truyền fading phẳng
và cho phép luồng thông tin tốc độ cao được truyền song song với tốc độ thấp trên cáckênh băng hẹp
Trang 24Một tín hiệu OFDM gồm một số lượng lớn các sóng mang có khoảng cách rấtgần nhau Khi điều chế các tín hiệu thoại, dữ liệu, … lên sóng mang, phổ của chúng sẽchồng lấn lên nhau Điều cần thiết tại máy thu là phải nhận được toàn bộ tín hiệu củagiải điều chế chính xác dữ liệu Với các kỹ thuật trước đây như FDM, khi tín hiệu đượctruyền gần nhau thì chúng phải được tách biệt nhau để máy thu có thể tách rời chúngbằng bộ lọc và phải có khoảng băng bảo vệ giữa chúng Tuy nhiên với những cải tiếncủa OFDM, mặc dù phổ của các sóng mang chồng lấn phổ lên nhau, chúng vẫn có thểđến được máy thu mà không bị nhiễu bởi vì chúng có tính trực giao.
Hình 2.1: Hiệu quả sử dụng phổ trong kỹ thuật FDM (a) và OFDM (b)
Trong những thập kỷ vừa qua, nhiều công trình khoa học về kỹ thuật OFDM đãđược thực hiện ở khắp nơi trên thế giới Đặc biệt là công trình khoa học của Weistein
và Ebert đã chứng minh rằng phép điều chế OFDM có thể được thực hiện thông quaphép biến đổi IDFT và phép giải điều chế OFDM có thể được thực hiện bằng phép biếnđổi DFT Phát minh này cùng với sự phát triển của kỹ thuật số làm cho kỹ thuật điềuchế OFDM được ứng dụng ngày càng rộng rãi Hơn nữa, thay vì sử dụng IDFT/DFTngười ta có thể sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT/FFT sẽ làm giảm độ phức tạp vàtăng tốc độ xử lý tín hiệu ở máy phát và máy thu
Trang 25CHƯƠNG 2 GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO VÀ ĐA TRUY
CẬP PHÂN CHIA THEO KHÔNG GIAN
Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống OFDM
2.2.2 Mô hình tín hiệu
Hình 2.3: Cấu trúc 1 symbol OFDM trong miền tần số
Trang 26, N g là chiều dài tiền tố Cyclic- Prefix.
Hình 2.3: Cấu trúc tính hiệu OFDM phát đi ở máy phát
Qua kênh truyền fading chọn lọc thời gian, tần số các mẫu thứ n nhận được trong symbol OFDM thứ m được biểu diễn như sau:
y n , m=∑
l=0
L−1
h l , n ,m x n−l ,m+z n ,m (2.2)
trong đó n {0,…., N-1}, h l,n,m là đáp ứng xung của kênh truyền fading đa đường và
z n,m là nhiễu trắng cộng Gaussian (AWGN) với công suất nhiễu là N 0
Để không xảy ra nhiễu liên ký tự ISI thì chiều dài N g của tiền tố lặp CP phải
thỏa mãn N g ≥ L-1.
Tín hiệu y n,m qua bộ S/P được chuyển từ nối tiếp sang song song với tiếp tụcđược đưa vào bộ biến đổi FFT Tín hiệu thu được được biểu diễn như sau:
Y k , m=H k , m X k ,m+ρ k ,m+Z k ,m (2.3)
Trong đó : Yk,m: tín hiệu thu được trong miền tần số
Hk,m: đáp ứng kênh truyền trong miền tần số
ρk,m:là nhiễu giao thoa liên sóng mang ICI (Inter-Carrier Interference) trong hệ thống sử dụng OFDM
Trang 27CHƯƠNG 2 GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO VÀ ĐA TRUY
CẬP PHÂN CHIA THEO KHÔNG GIAN
Trường hợp đặc biệt khi kênh truyền là block-fading thì ρ k,m 0
và kênh truyền không thay đổi thì : Yk,m=Hk,mXk,m+Zk,m
2.2.3 Ưu điểm, nhược điểm của OFDM
Ưu điểm
- Hiệu quả sử dụng phổ cao so với kỹ thuật ghép kênh truyền thống
- Loại bỏ được nhiễu xuyên kí tự ISI do sử dụng khoảng bảo vệ (tiền tố lặp CP)
và chu kỳ dài hơn nhờ tốc độ bít thấp
- Do chia nhiều kênh con nên giảm ảnh hưởng của pha đinh chọn lọc tần số
- Sự phức tạp của máy phát, thu giảm nhờ bộ IFFT và FFT
- Có thể truyền dữ liệu tốc độ cao
- Tại máy thu, sẽ rất khó khăn trong việc quyết định vị trí định thời tối ưu đểgiảm ảnh hưởng của ICI, ISI
- Tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR (Peak to Average PowerRatio) là lớn vì tín hiệu OFDM là tổng của N thành phần được điều chế bởi các tần sốkhác nhau Khi các thành phần này đồng pha, chúng tạo ra ở ngõ ra một tín hiệu cóbiên độ rất lớn Ngược lại, khi chúng ngược pha, chúng lại triệt tiêu nhau làm cho ngõ
ra bằng 0 Chính vì vậy, ảnh hưởng PAPR trong hệ thống OFDM là rất lớn
Trang 282.3 Đa truy cập phân chia theo không gian SDMA
2.3.1 Giới thiệu về SDMA
Chất lượng của một hệ thống thông tin di động phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong
đó ba thông số quan trọng là tố độ truyền dẫn, phạm vi (khoảng cách) truyền dẫn và độtin cậy truyền dẫn Muốn cải thiện hệ thống thông tin thì phải cải thiện các thông số đó,tuy nhiên thì muốn cải thiện một thông số thì phải chấp nhận giảm các thông số còn lại,
ví dụ muốn tăng tốc độ truyền dẫn thì phải giảm khoảng cách truyền và chấp nhận độtin cậy thấp hơn, ngược lại muốn tăng khoảng cách truyền thì ta phải giảm tốc độtruyền dẫn Nhưng khi hệ thống MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) ra đời kếthợp với kỹ thuật OFDM, các thông số trên có thể đồng thời được cải thiện Hệ thốngMIMO-OFDM giúp tăng dung lượng, vùng phủ sóng và cả độ tin cậy Hơn thế nữa,các hệ thống MIMO kết hợp với các kỹ thuật điều chế, đa truy cập với sự hỗ trợ của kỹthuật OFDM sẽ được một hiệu quả cao hơn bằng cách sử dụng đại số ma trận để xử lítín hiệu MIMO-OFDM
Đa truy cập phân chia theo không gian SDMA (Space Division MultipleAccess) là một lớp con trong hệ thống MIMO SDMA cho phép người dùng có thểdùng chung khe thời gian, khe tần số và mã cơ sở dựa trên việc khai thác về chiềukhông gian, do đó dung lượng của hệ thống tăng lên đáng kể
Trang 29CHƯƠNG 2 GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO VÀ ĐA TRUY
CẬP PHÂN CHIA THEO KHÔNG GIAN
Hình 2.4: Mô hình hệ thống SDMA
Mô hình hệ thống SDMA đơn giản được mô tả như hình trên Hai thuê baouser1 và user2 nhận tín hiệu từ một trạm gốc có M anten
Trạm gốc phát đồng thời 2 tín hiệu s1, s2 trên M anten, s1 và s2 tương ứng vớicác tín hiệu mà user1 và user2 mong muốn nhận được
Tín hiệu thu được của user 1 và user 2 là y1 và y2:
Trang 30Xét tín hiệu thu được trên User1 là y1, ngoài thành phần
M
1 1,m m=1
s h
là mongmuốn nhận được còn có 2 thành phần không mong muốn là nhiễu nhiệt z1 và thành
phần gọi là nhiễu giao thoa xuyên thuê bao
M
2 2,m m=2
S h
Về mặt năng lượng, công suất của nhiễu nhiệt nhỏ hơn so với công suất tín hiệu
và nhỏ hơn công suất của thành phần nhiễu giao thoa xuyên thuê bao Tuy nhiên côngsuất của tín hiệu mong muốn và nhiễu xuyên kênh là tương đương nhau
Để đánh giá được chất lượng của tín hiệu thu được, ta có thể xét tỉ số SINR(dB) Các SINR của một user hay một trạm BS trong quá trình tiếp nhận được địnhnghĩa là tỷ số của tín hiệu nhận được với tổng tín hiệu can nhiễu và tạp âm nhiệt củangười nhận:
2.3.2 Tiền mã hóa trong SDMA
Các thuật toán tiền mã hóa cho các hệ thống SDMA có thể được phân chiathành các loại tuyến tính và phi tuyến Chúng ta chỉ nghiên cứu tiền mã hóa tuyến tính
Tiền mã hóa phi tuyến cho hiệu quả tốt nhưng độ phức tạp để thực hiện cao, cònphương pháp tiền mã hóa tuyến tính gần như thường đạt được mức hợp lý với độ phức
Trang 31CHƯƠNG 2 GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO VÀ ĐA TRUY
CẬP PHÂN CHIA THEO KHÔNG GIAN
tạp thấp hơn nhiều Phương pháp tiền mã hóa tuyến tính bao gồm MMSE và forcing(ZF) Kỹ thuật tiền mã hóa ZF được dùng để khử những tín hiệu nhiễu khôngmong muốn tại máy thu Còn kỹ thuật MMSE được dùng để làm tăng tỷ số tín hiệu cannhiễu bằng cách giảm giảm tối thiểu các nhiễu liên quan Đồ án này chỉ nghiên cứuphương pháp tiền mã hóa Zero-forcing
Zero-Hình 2.5:Mô hình hệ thống SDMA áp dụng Zero-forcing
Đối với hệ thống dùng phương pháp tiến mã hóa ZF thì các tín hiệu s1 và s2 trước khiđưa ra các anten được nhân với các trọng số W
Tín hiệu thu được của User 1 và User 2 là y1 và y2:
Trang 32Trong đó
M
1 1,m 1,m m=1
s w h
(đối với người dùng 1) và
M
2 2,m 2,m m=1
(đối vớingười dùng 2) là các thành phần tín hiệu mong muốn, các thành phần còn lại là nhiễu.
Tổng quát đối với hệ thống phục vụ cho U thuê bao, tín hiệu thu được tại thuêbao thứ u có dạng:
s w h
Thuật toán tiền mã hóa:
Đối với U thuê bao, tín hiệu thu có thể viết như sau :
s
=s
Trang 33CHƯƠNG 2 GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO VÀ ĐA TRUY
CẬP PHÂN CHIA THEO KHÔNG GIAN
Để loại bỏ nhiễu giao thoa xuyên thuê bao thì ma trận tiền mã hóa W có dạng:
Vì vậy tín hiệu thu: y = HWs + z = s + z (2.13)
Tín hiệu thu được viết lại dưới dạng: y=Hx z+ (2.14)Với:
T
= x , , x =
x Wslà tín hiệu truyền từ mảng M anten tại BS
Sự phân bổ công suất:
Gọi Pu là công suất phân bổ cho thuê bao thứ u Gọi Pmax là công suất giới hạntại trạm gốc
Sự giới hạn của công suất Pmax tại BS:
U
u u max u=1
Trang 342.4 Kết luận chương
Chương 2 đã trình bày hai kĩ thuật được dùng phổ biến trong hệ thống 4G-LTE
là ghép kênh theo tần số trực giao OFDM và đa truy cập phân chia theo không gianSDMA
Phương pháp ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM có rất nhiều ưu điểmnhư nhiễu ISI hoàn toàn bị loại bỏ, phương pháp điều chế thích nghi nên tốc độ bit của
hệ thống cũng tăng lên Tuy nhiên vẫn còn nhiều nhược điểm lớn như rất nhạy với độlệch tần số sóng mang và có hệ số công suất đỉnh trên công suất trung bình lớn, đỉnhcông suất cao sẽ nằm ngoài khoảng tuyến tính của bộ lọc cao tần Việc tăng khả nănglưu thông mạng cũng là vấn đề cần xem xét trong hệ thống LTE Với việc tích hợpSDMA trong downlink của LTE đã giải quyết được điều này SDMA đã giúp nâng caodung lượng cho hệ thống và tiết kiệm năng lượng cho hệ thống Bằng cách khai tháctriệt để sự khác biệt về vị trí của các thuê bao trong hệ thống thông tin liên lạc
Dù hệ thống MIMO-OFDM đã nâng cao được dung lượng cũng như chấtlượng truyền dẫn nhưng vẫn chưa thể nâng cao được chất lượng tín hiệu ở vùng biên vànhững thuê bao cách xa trạm gốc Và biện pháp đưa ra là sử dụng chuyển tiếp và đachặng
Trang 35CHƯƠNG 3 THÔNG TIN ĐA CHẶNG VÀ TIỀN MÃ HÓA TRONG HỆ THỐNG
TWO-WAY RELAY
CHƯƠNG 3 THÔNG TIN ĐA CHẶNG VÀ TIỀN MÃ HÓA
TRONG HỆ THỐNG TWO-WAY RELAY
3.1 Giới thiệu chương
Chương 3 sẽ trình bày các nội dung sau:
- Hệ thống thông tin đa chặng
- Tiền mã hóa trong hệ thống Two-way Relay
3.2 Tổng quan về hệ thống thông tin đa chặng
Để nâng cao chất lượng trong truyền dẫn không dây thì có thể sử dụng nhiềuanten phân tập theo không gian hoặc tần số Nhưng nếu đích quá xa thì chất lượng tínhiệu cũng không được đảm bảo Do đó một cách để giải quyết vấn đề này là sử dụngthêm các trạm chuyển tiếp hay còn gọi là relay
Khi đó thông tin đi từ trạm gốc đến thuê bao thay vì chỉ đi một chặng giờ đâyphải đi qua nhiều chặng Chẳng hạn nếu giữa trạm gốc và thuê bao là một relay thìthông tin phải đi qua hai chặng: chặng một giữa trạm gốc và relay, chặng hai giữa relay
và thuê bao Thông tin được truyền như vậy được gọi là thông tin đa chặng
Việc dùng relay trong mạng LTE có tác dụng làm tăng chất lượng dịch vụ, dunglượng hệ thống cũng như diện tích bao phủ Đối với mạng tế bào, càng đi ra vùng biêncủa tế bào thì chất lượng sóng càng thấp, đồng thời tốc độ truy cập của thuê bao giảmxuống đáng kể, việc dùng trạm tiếp sóng relay sẽ cải thiện được tốc độ truy cập đối vớicác thuê bao ở vùng biên tế bào Ngoài ra trong môi trường đô thị với nhiều nhà caotầng, đôi khi trạm BTS không thể giao tiếp trực tiếp với thuê bao di động, tức là đườngLine Of Sight bị nhà cao tầng che khuất khiến chất lượng sóng thấp Các trạm chuyểntiếp relay đặt trên các nhà cao tầng có thể khắc phục được hiện tượng này
Trang 36Dựa trên quá trình xử lý tại relay, có 2 giao thức được đưa ra:
- Khuếch đại và chuyển tiếp (AF): Relay thực hiện nhiệm vụ đơn giản là khuếchđại tín hiệu nhận được, sau đó chuyển tiếp chúng đến đích
- Giải mã và chuyển tiếp (DF): Relay cần phải giải mã tín hiệu, tái mã hóa, sau
đó chuyển tiếp tín hiệu đó tới đích
Như vậy giao thức DF phức tạp hơn hẳn giao thức AF Trong khuôn khổ đồ ánnày, giao thức được sử dụng là AF, tất cả các nodes được đồng bộ và kênh truyền giữacác nodes là kênh Rayleigh fading
Hình 3.1:Mô hình hệ thống di động LTE/LTE Advanced
Trang 37CHƯƠNG 3 THÔNG TIN ĐA CHẶNG VÀ TIỀN MÃ HÓA TRONG HỆ THỐNG
TWO-WAY RELAY
3.3 One-way Relay
3.3.1 Giới thiệu về One-way Relay
One-way relay là mô hình thông tin đa chặng được đề xuất đầu tiên Trong đórelay giữ nhiệm vụ chính là khuếch đại tín hiệu và chuyển tiếp tín hiệu Relay nhận tínhiệu từ trạm gốc, khuếch đại tín hiệu rồi chuyển tiếp đến thuê bao hoặc nhận tín hiệu từthuê bao, khuếch đại và chuyển tiếp nên One-way relay chỉ yêu cầu xử lý trong lớp vậtlý
Hình 3.2: Mô hình One-way relay
Hình trên là mô hình đơn giản gồm một trạm phát giao tiếp với một thuê bao diđộng sử dụng one-way relay Để trao đổi thông tin giữa trạm gốc và thuê bao, một khetần số được cấp phát Giả sử khe thời gian đầu tiên, thông tin được truyền từ trạm gốcđến relay (TS1) Relay nhận thông tin, khuếch đại và chuyển tiếp đến thuê bao trongkhe thời gian thứ 2 (TS2) Trong khe thời gian thứ 3, thuê bao gửi thông tin đến relay(TS3) Relay thu nhận thông tin, khuếch đại và chuyển tiếp đến trạm gốc trong khe thờigian thứ 4 (TS4) Như vậy để giao tiếp giữa trạm gốc với thuê bao sử dụng một relay,
ta phải tốn 1 khe tần số và 4 khe thời gian tổng cộng
Ngoài ra thông tin đến và đi từ một relay chỉ tới một đích duy nhất tại một thờiđiểm, do đó nó được gọi là one-way relay
