Bài giảng công nghệ vô tuyến băng rộng

Trong các hệ thống 4G, giao diện vô tuyến tiên tiến được sử dụng với OFDM, đa đầu vào đa đầu ra MIMO và các công nghệ thích ứng đường truyền.. SM KTD KTD KTD SM GDMT TD GDMT TD GDMT TD G

Trang 1

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Đặng Thế Ngọc, Nguyễn Viết Đảm Phạm Thị Thúy Hiền, Nguyễn Viết Minh

Trang 2

i

LỜI NÓI ĐẦU

Việc sử dụng sáng tạo và hiệu quả các công nghệ thông tin và truyền thông (ICT) ngày càng trở nên quan trọng trong việc cải thiện nền kinh tế trên thế giới Mạng truyền thông không dây là một trong những yếu tố quan trọng nhất trong chiến lược ICT toàn cầu và là nền tảng cho nhiều ngành công nghiệp khác Đây là một trong những lĩnh vực phát triển nhanh nhất và năng động nhất trên thế giới Sự thành công phi thường của truyền thông di động không dây được phản ánh bởi tốc độ đổi mới công nghệ nhanh chóng Từ hệ thống truyền thông di động thế hệ thứ hai (2G) ra mắt vào năm 1991 tới hệ thống 3G được ra mắt lần đầu tiên vào năm 2001, mạng di động không dây đã chuyển đổi từ hệ thống điện thoại thuần túy sang mạng có thể truyền tải nội dung đa phương tiện phong phú Các hệ thống không dây 4G được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu của (IMT-A) sử dụng IP cho tất cả các dịch vụ [3] Trong các hệ thống 4G, giao diện vô tuyến tiên tiến được sử dụng với OFDM, đa đầu vào đa đầu ra (MIMO) và các công nghệ thích ứng đường truyền Mạng không dây 4G có thể hỗ trợ tốc độ dữ liệu lên đến 1 Gb/s cho tính di động thấp và lên đến 100 Mb/s cho tính di động cao

Tuy nhiên, hàng năm vẫn có một sự gia tăng mạnh mẽ số lượng người sử dụng đăng ký các hệ thống di động băng thông rộng Ngày càng có nhiều người mong muốn truy cập Internet nhanh hơn trong khi di chuyển, điện thoại thông minh hơn, và, nói chung, truyền thông với người khác hoặc truy cập thông tin một cách tức thời Các điện thoại thông minh và máy tính xách tay mạnh mẽ ngày càng trở nên phổ biến hiện nay, đòi hỏi những khả năng đa phương tiện tiên tiến Điều này đã dẫn đến sự bùng nổ của các thiết bị và dịch vụ di động không dây Khi ngày càng nhiều thiết bị trở nên không dây, nhiều thách thức nghiên cứu cần được giải quyết

Để đáp ứng các yêu cầu của mạng thông tin vô tuyến nói chung và mạng di động nói riêng trong tương lai, cần có sự thay đổi mạnh mẽ trong thiết kế kiến trúc mạng

cũng như các công nghệ xử lý và truyền dẫn tín hiệu băng rộng Bài giảng “Các công nghệ vô tuyến băng rộng” sẽ cung cấp cấp cho sinh viên các kiến thức về một số

công nghệ vô tuyến băng rộng hứa hẹn ứng dụng trong các hệ thống thông tin di động thế hệ sau như: thông tin vô tuyến chuyển tiếp và hợp tác; công nghệ vô tuyến khả tri;

hệ thống thông tin di động thế hệ sau; thông tin quang không dây; và hệ thống thông tin di động băng siêu rộng

PTIT

Trang 3

ii

Đây là môn học dành cho sinh viên năm cuối chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Bài giảng có cấu trúc 07 chương Chương 1 củng cố lại các kiến thức cơ bản cho sinh viên về các kỹ thuật xử lý tín hiệu và thu phát vô tuyến Chương 2 trình bày một số giải pháp cải thiện hiệu năng

hệ thống thông tin vô tuyến như MIMO thích ứng và MIMO kết hợp OFDM Chương

3 trình bày về hệ thống thông tin vô tuyến chuyển tiếp và hợp tác Công nghệ truyền dẫn băng siêu rộng là nội dung chính của Chương 4 Chương 5 đề cập đến công nghệ

vô tuyến khả tri Chương 6 trình bày về các hệ thống thông tin di động thế hệ sau bao gồm 5G, WiMAX và WIFI Cuối cùng, nội dung Chương 7 sẽ đề cập tới công nghệ truyền thông quang không dây

Hà Nội ngày 22 tháng 12 năm 2017

PTIT

Trang 4

i

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU i

MỤC LỤC i

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC HÌNH VẼ xx

DANH MỤC BẢNG BIỂU xxvii

CHƯƠNG 1 CÁC KỸ THUẬT XỬ LÝ TÍN HIỆU VÀ THU PHÁT VÔ TUYẾN 1

1.1 Mô hình hệ thống thông tin vô tuyến 1

1.1.1 Phía phát 1

1.1.2 Phía thu 2

1.1.3 Giao diện môi trường truyền dẫn 3

1.2 Mã hóa kênh 3

1.2.1 Khái quát về mã hóa kênh kiểm soát lỗi 3

1.2.2 Các nguyên tắc mã hóa kênh kiểm soát lỗi 5

1.3 Kỹ thuật điều chế và giải điều chế 7

1.4 Kỹ thuật đa truy nhập 9

1.5 Kỹ thuật phân tập không gian 13

1.6 Ước tính kênh và cân bằng kênh 16

1.6.1 Giới thiệu các bộ cân băng kênh điển hình 17

1.6.2 Bộ cân bằng cưỡng bức không, ZF 18

1.6.3 Bộ cân bằng sai lỗi bình phương trung bình tuyến tính 20

1.6.4 Tính toán các hệ số bộ cân bằng tuyến tính 21

1.6.5 Bộ cân bằng phản hồi quyết định, DFE 24

1.6.6 Tổn thất tỷ số tín hiệu trên tạp âm của DFE 26

1.7 Tổng kết chương 1 27

Câu hỏi chương 1 27

Tài liệu tham khảo chương 1 29

PTIT

Trang 5

ii

CHƯƠNG 2 MỘT SỐ GIẢI PHÁP CẢI THIỆN HIỆU NĂNG HỆ THỐNG THÔNG

TIN VÔ TUYẾN 30

2.1 Mở đầu 30

2.2 Mô hình lập biểu và thích ứng đường truyền 32

2.2.1 Tài nguyên và thích ứng 32

2.2.2 Tài nguyên và chiến lược ấn định tài nguyên 33

2.2.3 Thích ứng đường truyền 43

2.3 Điều chế mã hóa kênh thích ứng 50

2.3.1 Điều chế thích ứng 50

2.3.2 Điều chế thích ứng mã hóa khối Turbo tỷ lệ mã khả biến 52

2.3.3 Kỹ thuật điều chế mã hóa thích ứng AMC 60

2.4 Hệ thống MIMO thích ứng 61

2.4.1 Hệ thống MIMO với lựa chọn anten thích ứng 61

2.4.2 Hệ thống MIMO thích ứng trong 4G-LTE 72

2.5 Kết hợp kỹ thuật MIMO và kĩ thuật OFDM 72

2.5.1 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM 72

2.5.2 Ước tính kênh MIMO-OFDM 75

CHƯƠNG 3 THÔNG TIN VÔ TUYẾN CHUYỂN TIẾP VÀ HỢP TÁC 82

3.1 Mở đầu 82

3.2 Tổng quan về vô tuyến hợp tác 83

3.3 Phương thức truyền tín hiệu trong hợp tác hai người dùng 87

3.3.1 Khuếch đại và chuyển tiếp 88

3.3.2 Giải mã và chuyển tiếp 89

3.3.3 Mã hóa hợp tác 91

3.3.4 Kỹ thuật nén và chuyển tiếp 91

PTIT

Trang 6

iii

3.4 Định tuyến và phân bổ tài nguyên trong mạng đa chặng 92

3.4.1 Cơ sở toán học 93

3.4.2 Mục tiêu và phân loại các giao thức định tuyến 94

3.4.3 Định tuyến nguồn 94

3.4.4 Định tuyến dựa trên trạng thái liên kết 96

3.4.5 Định tuyến véc-tơ khoảng cách 97

3.4.6 Định tuyến theo địa lý 98

3.4.7 Định tuyến theo phân cấp 99

3.4.8 Ảnh hưởng của tính di động của nút 99

3.4.9 Định tuyến điều khiển bởi dữ liệu 101

3.4.10 Chiến lược phân bổ công suất 102

3.5 Định tuyến và phân bổ tài nguyên trong mạng hợp tác 102

3.5.1 Định tuyến kết nối rời rạc và định tuyến đường bất kỳ 103

22.5.2 Định tuyến với tích lũy năng lượng 104

CHƯƠNG 4 HỆ THỐNG THÔNG TIN BĂNG SIÊU RỘNG 107

4.1 Mở đầu 107

4.2 Khái niệm vô tuyến băng siêu rộng UWB 108

4.2.1 Độ rộng băng tần phân đoạn 108

4.2.2 Tín hiệu UWB 112

4.2.3 Đặc điểm của tín hiệu và hệ thống UWB 112

4.3 Tạo tín hiệu UWB 117

4.3.2 Tạo tín hiệu UWB nhảy thời gian: TH-UWB 123

4.3.3 Tạo tín hiệu UWB chuỗi trực tiếp DS-UWB 126

4.3.4 Tạo tín hiệu UWB đa băng tần: MB-UWB 128

PTIT

Trang 7

iv

4.4 Kênh truyền UWB 131

4.4.1 Đặc tính hóa kênh UWB 131

4.4.2 Mô hình kênh UWB đa đường theo IEEE 802.15.3a 133

4.4.3 Mô hình kênh UWB đa đường theo IEEE 802.15.4a 139

4.5 Máy thu trong hệ thống UWB 147

4.5.1 Thu và xử lý tín hiệu trong môi trường kênh AWGN 149

4.5.2 Máy thu tín hiệu PPM nhị phân trực giao 152

5.5.3 Máy thu tín hiệu PPM nhị phân không trực giao 155

4.5.4 Máy thu tín hiệu M-PPM trực giao 157

CHƯƠNG 5 CÔNG NGHỆ VÔ TUYẾN KHẢ TRI 162

5.1 Giới thiệu về vô tuyến khả tri 162

5.2 Kiến trúc hệ thống vô tuyến khả tri 163

5.3 Đặc điểm của vô tuyến khả tri 164

5.4 Cảm nhận phổ tần 166

5.4.1 Vấn đề đầu cuối ẩn 168

5.4.2 Cảm nhận phổ dựa vào phát hiện năng lượng 168

5.4.3 Cảm nhận phổ dựa vào đặc tính phát hiện dừng tuần hoàn 170

5.4.4 Cảm nhận phổ dựa vào lọc hòa hợp 174

5.5.5 Cảm nhận phổ tần trong vô tuyến UWB đa băng MB-OFDM 175

5.5.6 Cộng tác cảm nhận phổ tần 176

5.6 Quản lý phổ tần 179

5.7 Chia sẻ phổ tần 180

PTIT

Trang 8

v

CHƯƠNG 6 HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ SAU 185

6.1 Giới thiệu 185

6.2 Hệ thống thông tin di động 4G LTE-Advanced 185

6.2.1 IMT-Advanced 185

6.2.2 Tổng quan LTE-Advanced 187

6.2.3 Công nghệ vô tuyến của LTE-Adv 189

6.3 Hệ thống thông tin di động 5G 207

6.3.1 Tổng quan 5G 207

6.3.2 Kiến trúc mạng 5G 210

6.3.3 Vô tuyến mới 5G (NR) 213

6.3.4 Các công nghệ then chốt cho 5G 215

6.4 Hệ thống WIMAX/WIFI thế hệ sau 226

6.4.1 WiMAX thế hệ sau 226

6.4.2 WiFi thế hệ sau 228

6.5 Mạng không đồng nhất HetNet 231

6.5.1 Cơ bản về HetNet 231

6.5.2 Các đặc tính thiết kế then chốt 232

6.5.3 Hiệu năng HetNets 237

6.6 Kết luận chương 239

CHƯƠNG 7 243

THÔNG TIN QUANG KHÔNG DÂY 243

7.1 Giới thiệu 243

7.2 Hệ thống truyền thông quang không dây ngoài trời FSO 244

7.2.1 Các ưu điểm và thách thức của hệ thống FSO 246

PTIT

Trang 9

vi

7.2.2 Các ứng dụng của hệ thống FSO 249

7.2.3 Các kiến trúc mạng FSO 250

7.2.4 Mô hình hệ thống FSO 252

7.2.4 Mô hình kênh quang ngoài trời FSO 257

7.3 Hệ thống truyền thông quang không dây trong nhà 270

7.3.1 Tính chất của công nghệ VLC 271

7.3.2 Ứng dụng của công nghệ VLC 272

7.3.3 So sánh VLC với công nghệ truyền thông vô tuyến hiện nay 274

7.3.4 Mô hình kênh quang không dây trong nhà 276

7.3.5 Hiệu năng hệ thống VLC trong nhà 290

PTIT

Trang 10

vii

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

A

AAS Adaptive Atenna System Hệ thống anten thích ứng

AES Advanced Encryption Standard Chuẩn mật mã tiên tiến

Agreement

Thỏa thuận nhận thực và khóa

ARQ Automatic Repeat reQuest Yêu cầu phát lặp tự động

Interface

Giao diện lập trình ứng dụng

ASN Access Services Network Mạng dịch vụ truy nhập

ASP Application Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ

PTIT

Trang 11

viii

ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền dị bộ

AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gauss trắng cộng

B

BSC Base Station Controller Bộ điều khiền trạm gốc

BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc

C

PTIT

Trang 12

ix

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo

CINR Carrier to Interference +Noise

COPS Common Open Policy Service Dịch vụ chính sách chung mở

CQI Channel Quality Indicator Chỉ thị chất lƣợng kênh

CQICH Channel Quality Information

Channel

Kênh thông tin trạng thái kênh

CSCF Call Session Control Function Chức năng điều khiển phiên

CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh

CSN Connectivity Service Network Mạng dịch vụ kết nối

PTIT

Trang 13

x

CSTD Cyclic Shift Transmit Diversity Phân tập phát dịch tuần hoàn

D

DBS Direct Broadcast Satellite Vệ tinh quảng bá trực tiếp

DCD Downlink Channel Descritor Mô tả kênh đường xuống

DES Data Encription Standard Chuẩn mật mã số liệu

DFT Discrete Fourier Transform Chuyển đổi Fourier rời rạc

DHCP Dynamic Host Configuration

DOCSIS Data Over Cable Service

Interface Specification

Đặc tả giao diện dịch vụ dữ liệu qua cáp

DSTTP Double Space Time Transmit

Trang 14

EIRP Equivalent Isotropic Radiated

Power

Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương

ErtPS Extended Real Time Packet

ESP Encapsulating Security Payload Đóng bao tải in an ninh

ETH-CS Ethernet- Convergence Sublayer Lớp con hội tụ Ethernet

F

FBSS Fast Base Station Switching Chuyển mạch trạm gốc nhanh

FDD Frequency Division Duplex Ghép song công phân chia

theo tần số FDMA Frequency Division Multiple

Trang 15

xii

FEC Forward Error Corection Hiệu chỉnh lỗi trước

FEC Forward Equivalence Class Loại tương đương để chuyển

tiếp

FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh

FHDC Frequency Hopping Diversity

FTP File Transfer Protocol Giao thức khởi đầu phiên

FUSC Fully Used Sub-Channel Kênh con sử dụng toàn bộ

G

GKEK Group Key Encryption Key Khóa mật mã của khóa nhóm

GEO Geostationary Earth Orbit Quỹ đạo địa tĩnh

GRE Generic Routing Encapsulation Đóng bao định tuyến chung

GTEK Group Traffic Encryption Key Khóa mật mã lưu lượng nhóm

Trang 16

HTTP Hyper Text Transfer Protocol Giao thức truyền siêu văn bản

I

IETF Internet Engineering Task Force Lực lƣợng đặc trách kĩ thuật

Internet IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh ngƣợc IntServ Integrated Services Các dịch vụ tích hợp

IP-CS IP-Covergence Sublayer Lớp con hội tụ IP

ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu giữa các ký hiệu

INMARSAT International Maritime Satellite

Organisation

Tổ chức vệ tinh hàng hải quốc

tế INTELSAT International

Telecommunications Satellite Organization

Tổ chức vệ tinh quốc tế thông tin

PTIT

Trang 17

xiv

K

L

LDPC Low-Density-Parity-Check Kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp

M

trường MAI Multiple Access Interference Nhiễu đa truy nhập

MAN Metropolitan Area Network Mạng vùng đô thị

MBS Multicast and Broadcast Service Dịch vụ đa phương và quảng

bá

MDHO Macro Diversity Hand Over Chuyển giao phân tập vĩ mô

MIMO Multiple Input Multiple Output Đa đầu vào đa đầu ra

MIP Mobile Internet Protocol Giao thức internet di động

MMS Multimedia Message Service Dịch vụ bản tin đa phương

tiện MMSE Minimum Mean Square Error Sai lỗi trung bình bình phương

cực tiểu MPLS Multi-Protocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao

PTIT

Trang 18

xv

thức

N

NAP Network Access Provider Nhà cung cấp truy nhập mạng

không thẳng)

nrtPS Non-Real-Time Polling Service Dịch vụ tham dò phi thời gian

thực NSP Network Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ mạng

NASA National Aeronautic and Space

Trang 19

xvi

Authentication Protocol

Giao thức nhận thực khả mở rộng đƣợc bảo vệ

Version 2

Quản lý khóa bí mật phiên bản

2 PUSC Partially Used Sub-Channel Kênh con sử dụng một phần

Q

Modulation

Điều chế biên độ vuông góc

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khoá dịch pha vuông góc

nguyên

S

SDMA Space Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo

PTIT

Trang 20

xvii

không gian

SFID Service Flow Identity Nhận dạng luồng dịch vụ

SGSN Serving GPRS Support Node Node hỗ trợ dịch vụ GPRS

SIM Subscriber Indentify Module Phần nhận dạng thuê bao

SIMO Single Input Multiple Output Một đầu vào nhiều đầu ra

SNIR Signal to Noise+Interference

Ratio

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu+tạp

âm SLA Service Level Agreement Thảo thuận mức dịch vụ

SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm

S-OFDMA Scalable Orthogonal Frequency

Division Multiplex Access

Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao khả định cỡ

SCPC Single Channel per Carrier Một kênh trên một sóng mang

T

PTIT

Trang 21

xviii

theo thời gian

TLS Transport Layer Security An ninh lớp truyền tải

TTG Transmit/receive Transition Gap Khoảng trổng chuyển phát

TTI Transmission Time Interval Khoảng thời gian truyền dẫn

TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo

thời gian

TT&C Telemetry, Tracking and

Command

Đo từ xa, bám và điều khiển

TWTA Travelling Wave Tube Amplifier Bộ khuếch đại đèn sóng chạy

U

UGS Unsolicited Grant Service Dịch vụ cho phép không khẩn

nài

UMTS Universal Mobile Telephone Hệ thống viễn thông di động

PTIT

Trang 22

WiFi Wireless Fideliry

WAP Wireless Application Protocol Giao thức ứng dụng không

dây

WiMAX Worldwide Interoperability for

Microwave Access

Khả năng tương hợp toàn cầu đối với truy nhập vi ba

PTIT

Trang 23

xx

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Sơ đồ khối chung của một hệ thống thông tin vô tuyến 1Hình 1.2 Mô hình đơn giản của hệ thống truyền dẫn số a) Mã hóa và điều chế kênh riêng biệt; b) Mã hóa kênh và điều chế kết hợp 4Hình 1.3 Sơ đồ khối của máy phát sử dụng mã hóa kênh 5Hình 1.4 Từ mã ba bit ở không gian ba chiều 5Hình 1.5 Các dạng sóng điều chế: a) Khóa chuyển biên độ (ASK); b) Khóa chuyển pha (PSK); c) Khóa chuyển tần số (FSK) 7Hình 1.6 Các hệ thống đa truy nhập: a) các đầu cuối mặt đất và bộ phát đáp, b) các trạm di động và các trạm gốc 9Hình 1.7 Nguyên lý đa truy nhập: a) Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA); b)

Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA); c) Đa truy nhập phân cha theo mã (CDMA) 11Hình 1.8 Kết hợp ba dạng đa truy nhập cơ sở thành các dạng đa truy nhập lai ghép 12Hình 1.9 Quá trình phát triển công nghệ đa anten từ thông tin đơn anten (SISO: Single-Input Single- Output) đến MU-MIMO và MU-MIMO đa ô tương lai 14

Hình 1.10 Ước tính kênh và cân bằng kênh trong hệ thống AQAM băng rộng 16

Hình 1.11 Sơ đồ hệ thống truyền dẫn 18Hình 1.12 Sơ đồ bộ cân bằng sai lỗi bình phương trung bình cực tiểu tuyến tính rk và

Ck ký hiệu cho tín hiệu thu và các hệ số của bộ cân bằng 20Hình 1.13 Sơ đồ hệ thống truyền dẫn mô tả bộ lọc thuận và phản hồi của DFE trong

đó C(f) và B(f) là các hàm truyền đạt của các bộ lọc này 25Hình 1.14 Cấu trúc DFE Trong đó rk và ˆskký hiệu cho tín hiệu thu và ký hiệu sau tác sóng Cm và bq ký hiệu cho hệ số rẽ nhánh của các bộ lọc thuận và phản hồi 26Hình 2.1 Quan hệ giữa lập biểu nhạy cảm kênh, thích ứng đường truyền và HARQ 31Hình 2.2 Minh họa ý tưởng về quá trình xây dựng kỹ thuật thích ứng 33Hình 2.3 Tổng quan bộ lập biểu tài nguyên băng rộng 34Hình 2.4 Lập biểu phụ thuộc kênh 38

PTIT

Trang 24

xxi

Hình 2.5 Thí dụ về ba hành vi lập biểu khác nhau: (a) max-C/I, (b) quay vòng, (c) công bằng tỷ lệ Người sử dụng được chọn được thể hiện bằng hình đậm nét 39Hình 2.6 (a) Điều khiển công suất, (b) Điều khiển tốc độ 44Hình 2.7 Sơ đồ khối điều chế và mã hóa thích ứng kết hợp với điều chình công suất 46Hình 2.8 Các sơ đồ thích ứng đường truyền với các mức độ thích ứng miền tần số khác nhau 47Hình 2.9 Sơ đồ khối hệ thống điều chế thích ứng AQAM 51Hình 2.10 Sơ đồ bộ mã hoá Turbo 52Hình 2.11 Sơ đồ bộ mã hoá RSC 53Hình 2.12 Sơ đồ bộ giải mã Turbo 54Hình 2.13 Sơ đồ khối của một hệ thống AMC 60Hình 2.14: Hệ thống MIMO có lựa chọn anten 63Hình 2.15 Mô hình hóa hiệu năng thích ứng MIMO trong 4G-LTE: Thích ứng dựa vài chỉ số hạng ma trận RI và chỉ số ma trận tiền mã hóa PMI 72Hình 2.16 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM 73Hình 3.1 Sơ đồ kênh chuyển tiếp cơ bản 83Hình 3.2 Mô hình kênh chuyển tiếp 85Hình 3.3 Phân loại các mô hình hợp tác 87Hình 3.4 Các giao thức đơn giản của mạng hai người dùng hợp tác 87Hình 3.5 Kịch bản của kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp 88Hình 3.6 Kịch bản của kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp 90Hình 3.7 Sơ đồ hệ thống của kỹ thuật nén và chuyển tiếp 92Hình 4.1 Độ rộng băng tần năng lượng 109Hình 4.2 Phổ công suất của hệ thống UWB và phổ công suất của các hệ thống vô tuyến hiện hành điển hình 111Hình 4.3 Minh họa các khả năng, đặc tính, và tính cách của hệ thống UWB 114Hình 4.4 Các tới hạn để thiết kế tín hiệu UWB 118Hình 4.5 a) Phân bổ băng tần cho các kênh UWB (hình bên trái); b) Quy hoạch băng tần cho các kênh UWB 500 MHz (hình bên phải) 119

PTIT

Trang 25

xxii

Hình 4.6 a) Minh họa khái niệm về hệ thống UWB ở dạng đơn giản; b) Minh họa máy phát xung tín hiệu UWB 123Hình 4.7 Sơ đồ tạo tín hiệu PPM-TH-UWB 124Hình 4.8 Sơ đồ tạo tín hiệu PAM-DS-UWB 127Hình 4.9 Minh họa hệ thống UWB đơn giản sử dụng bộ thu thích hợp 148Hình 4.10 Máy thu xử lý tương quan tín hiệu 151Hình 4.11 Máy thu tối ưu trong môi trường kênh AWGN 152Hình 4.12 Máy thu tối ưu đối với tín hiệu PPM nhị phân trực giao 153Hình 4.13 Máy thu tối ưu đối với tín hiệu PPM-TH nhị phân trực giao 154Hình 4.14 Máy thu tối ưu đối với tín hiệu PPM-TH nhị phân trực giao dùng một bộ tương quan 154Hình 4.15 Máy thu tối ưu đối với tín hiệu M-PPM trực giao với TH 158

Hình 5.1 Minh họa việc chiếm dụng phổ 162 Hình 5.2 Khái niệm hố phổ 162

Hình 5.3 Kiến trúc mạng vô tuyến khả tri 165Hình 5.4 Chu trình nhận thức 166Hình 5.5: Minh họa vấn đề đầu cuối ẩn trong đó nút PU bị ẩn khỏi nút CR-1 168Hình 5.6 Các đường cong ROC bù đối với bộ phát hiện năng lượng tại các mức tỷ số tín hiệu/tạp âm khác nhau 171Hình 5.7 Các đường cong ROC bù đối với bộ phát hiện năng lượng tại các giá trị khác nhau của sản phẩm băng thông thời gian N 171Hình 5.8 Mật độ phổ tuần hoàn của BPSK tại tỷ số tín hiệu trên tạp âm là -13,3dB khi

N = 50 mẫu lấy trung bình trên M = 40, với tần số trung tâm f c = 20 MHz và rốc độ ký

hiệu là R b = 5Mbps 174Hình 5.9 Cảm nhận phổ dựa trên bộ lọc tương ứng và phát hiện người dùng sơ cấp 175Hình 5.10 Cảm nhận phổ hợp tác với trạm gốc nhận thức 177Hình 5.11 Các đường cong C-ROC của hợp tác cảm nhận phổ với nguyên tắc quyết

định kết hợp dựa trên luật 'OR' tại CBS, khi ρ k = ρ = -5dB và N k = N = 4 178

PTIT

Trang 26

xxiii

Hình 5.12 Cảm nhận phổ phân tán không có trung tâm hợp nhất dữ liệu 179Hình 5.13 Chia sẻ phổ trong các mạng vô tuyến khả tri với kỹ thuật chia sẻ phổ kiểu: a) Overlay, b) Underlay 181Hình 6.1: Các khả năng của IMT-2000 và IMT-Advanced theo khuyến nghị M.1654 của ITU-R 187Hình 6.2: Phát triển tốc độ bit và tính di động đến IMT-Advanced 189Hình 6.3: Thí dụ cách kết hợp các CC (Component Carier: sóng mang phần tử) 191Hình 6.4: Các sơ đồ kết hợp số liệu tại các lớp khác nhau: a) tại MAC, b)tại lớp vật lý 192Hình 6.5: Sơ đồ sắp xếp lừ mã vào lớp 195Hình 6.6: Mô tả CoMP nội site và giữa các site 199Hình 6.7: Sơ đồ CoMP với eNodeB phân bố 200Hình 6.8: Sơ đồ CS/CB (lập biểu/tạo búp phối hợp) 201Hình 6.9: Sơ đồ JT-CoMP (CoMP với xử lý/truyền dẫn chung) 202Hình 6.10: Chọn ô động DCS 202Hình 6.11: Thí dụ về CoMP với sơ đồ xử lý/truyền dẫn phối hợp cho ba ô hợp tác 203Hình 6.12: Thu CoMP: a) với kết hợp loại bỏ nhiễu (IRC), b) với lập biểu phối hợp (Coordinated Scheduling) 204Hình 6.13: Triển khai nút chuyển tiếp 206Hình 6.14: Kịch bản vùng cục bộ với bốn eNodeB trong tòa nhà có bốn căn hộ 207Hình 6.15: Nguyên lý cơ sở của chọn sóng mang phần tử tự quyết 208Hình 6.16: Các trường hợp ứng dụng 5G theo ITU 209Hình 6.17: Sự chuyển đổi mạng 211Hình 6.18: 5G kết hợp các công nghệ LTE và NR 212Hình 6.19: Đặc tính của các băng tần khác nhau 212Hình 6.20: Phát triển lên 5G gồm các cải tiến của LTE và phương pháp vô tuyến 5G mới 213Hình 6.21: Ví dụ giả định về giải pháp số 5G 215Hình 6.22: Các thách thức của ô nhỏ 217

PTIT

Trang 27

xxiv

Hình 6.23: Quan hệ thời gian của LTE-U, LAA, eLAA, và MulteFire 221Hình 6.24: Sự khác nhau của các công nghệ trong sử dụng phổ tần 221Hình 6.25: Cơ cấu NFV mức cao của ETSI 224Hình 6.26: Phát triển WiMAX IEEE 802.16 lên WiMAX Advanced 228Hình 6.27: Chiến lược hội tụ WiMAX Advanced và TD-LTE 228Hình 6.28: HetNet sử dụng lẫn các trạm gốc macro, pico, femto và chuyển tiếp 232Hình 6.29: (a) Dấu phủ hạn chế của trạm pico do tín hiệu macro mạnh; (b) Tăng vùng phủ của trạm pioc với mở rộng khoảng cách 234Hình 6.30: Thống kê liên kết người dùng ô pico có với có và không sử dụng mở rộng khoảng cách 234Hình 6.31: Phân chia tài nguyên miền thời gian giữa macro và pico: 50% tài nguyên dành cho macro; 50% tài nguyên dành cho pico 236Hình 6.32: Máy thu UE tiên tiến loại bỏ tín hiệu tham chuẩn trong các phân khung

“gần trống” từ trạm gốc gây nhiễu 236Hình 6.33: Thông lượng đường xuống khi triển khai hỗn hợp macro/pico với quản lý nhiễu thông minh (AIM) 237Hình 6.34: Thông lượng đường lên khi triển khai hỗn hợp macro/pico với quản lý nhiễu thông minh (AIM) 238Hình 6.35: Thông lượng đường xuống khi triển khai hỗn hợp macro/pico với quản lý nhiễu thông minh (AMI) 238Hình 6.36: Thông lượng đường lên khi triển khai hỗn hợp macro/pico với quản lý nhiễu thông minh (AMI) 239Hình 7.1: Các ứng dụng phổ biến của truyền thông quang không dây 244Hình 7.2 Hệ thống truyền thông quang qua không gian 246Hình 7.3 Những thách thức đối với FSO 248Hình 7.4 Quá trình thâm nhập của ánh sáng vào mắt 250Hình 7.5 Kiến trúc mạng lưới (a) và (b) kiến trúc mạng điểm – đa điểm 251Hình 7.6 Kiến trúc nhiều tuyến điểm – điểm (a) và (b) kiến trúc vòng với phân nhánh 252Hình 7.7 Sơ đồ khối của hệ thống OWC 253

PTIT

Trang 28

xxv

Hình 7.8 Điều chế OOK nhị phân 253Hình 7.9 Kênh khí quyển với các xoáy lốc hỗn loạn 261Hình 7.10 Phân bố pha-đinh log-normal với các khoảng cách truyền dẫn khác nhau

trong điều kiện sương mù (C n2 = 1,7  10-14 ,  = 1550 nm [4]) 263Hình 7.11 Giá trị của  và  theo khoảng cách truyền dẫn trong pha-đinh Gamma-

Gamma mù (C n2 = 1,7  10-14 ,  = 1550 nm và D/L  0) 264Hình 7.12 Phân bố pha-đinh Gamma-Gamma với khoảng cách truyền dẫn khác nhau 265

(C n2 = 1,7  10-14 ,  = 1550 nm) 265Hình 7.13 Mô hình lệch hướng giữa búp sóng quang và bộ thu 266Hình 7.14 Mô hình một hệ thống VLC cơ bản 271Hình 7.15 Phổ ánh sáng nhìn thấy 271Hình 7.16 Ứng dụng công nghệ VLC trong ITS 272Hình 7.17 Các ứng dụng của hệ thống VLC trong nhà 273Hình 7.18: Ứng dụng VLC trong khoang máy bay 274Hình 7.19 Điều chế OOK nhị phân 277Hình 7.20 Các cấu hình tuyến: (a) kết nối trực tiếp, (b) kết nối không trực tiếp, (c) khuếch tán và (c) bám 278Hình 7.21 Hệ thống OWC tế bào 279Hình 7.22 Cấu hình khuếch tán đa điểm 281Hình 7.23 Các tuyến lai ghép giữa khuếch tán và bám 282Hình 7.24 Mạng LAN quang không dây: (a) khuếch tán và (b) LOS 283Hình 7.25 Mô hình (hình học) truyền dẫn LOS 285Hình 7.26 Phương pháp quang hình sử dụng để mô tả mô hình truyền dẫn đơn phản xạ 286Hình 7.27 Sơ đồ khối của hệ thống VLC 290Hình 7.28 Hai phương pháp tạo ra ánh sáng trắng từ các LED 291HÌnh 7.29 (a) Đường truyền VLC, (b) Phổ quang LED của LED ánh sáng trắng Osram Ostar, (c) băng thông điều chế (có và không có lọc màu xanh) 292

PTIT

Trang 29

xxvi

Hình 7.31 Bức xạ của VLED 294Hình 7.32 (a) Dàn LED và sự phân bố ánh sáng cho (b) một máy phát và (c) bốn máy phát 296Hình 7.33 Sự phân bố công suất quang trong mặt phẳng thu với FWHM là (a) 700 và (b) 12,50 297HÌnh 7.34 Mô hình hóa kênh VLC với điều chế IM/DD 298Hình 7.35 PSD được so sánh với phản xạ phổ đo được của tường thạch cao, sàn nhà

và trần nhà 298Hình 7.36: Mô hình truyền sóng của đường truyền khuếch tán 299Hình 7.37 Sự phân bố của công suất thu có phản xạ 300

PTIT

Trang 30

xxvii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Các ngưỡng chuyển mạch được tối ưu theo cảm giác để đạt được BER thấp hơn 1% và 0,01% cho sơ đồ P-TBCH-AQAM 57Bảng 2.2 Kích cỡ bộ đan xen cho sơ đồ P-TBCH-AQAM 57Bảng 2.3 Thông số hệ thống cho các sơ đồ AQAM được mã hóa Turbo 58Bảng 2.4 Các ngưỡng chuyển mạch xác định theo thực nghiệm để đạt được BER thấp hơn 1% và 0,01% và gần như không mắc lỗi cho sơ đồ VR-TBCH-AQAM 59Bảng 2.5 Kích cỡ bộ đan xen cho sơ đồ VR-TBCH-AQAM 59Bảng 2.6 Tỷ lệ mã hóa và các mã thành phần BCH đi cùng với chế độ điều chế đối với VR-TBCH-AQAM 60

Bảng 4.1 Các tham số đặc trưng của một số hệ thống vô tuyến điển hình 113

Bảng 4.2a Phân bổ kênh UWB – tín hiệu băng rộng 119Bảng 4.2b Quy hoạch kênh UWB – tín hiệu băng hẹp 119Bảng 4.3 Tập các tham số đặc trưng của mô hình kênh UWB theo IEEE 802.15.3a 137Bảng 4.4: Thiết trị cho tập các tham số đặc trưng của mô hình kênh UWB theo IEEE 802.15.3a: Mod p ar-3a   ; ; ; ; ;      1 2; X 138Bảng 4.5: Các tham số đặc trưng của mô hình kênh UWB theo IEEE 802.15.4a 142Bảng 4.6: Giá trị của các tham số mô hình đối với kịch bản CM1 and CM2 143Bảng 4.7 Giá trị của các tham số mô hình đối với kịch bản CM3 and CM4 144Bảng 4.8 Giá trị của các tham số của mô hình đối với kịch bản CM7 and CM8 145Bảng 4.9 Giá trị của các tham số mô hình đối với kịch bản CM5, CM6, and CM9 146Bảng 6.1: Yêu cầu của 4G 186Bảng 6.2: So sánh các yêu cầu của IMT-Advanced với các yêu cầu LTE-Advanced 188Bảng 6.3: Sắp xếp từ mã vào lớp cho số lớp lớn hơn bốn và trường hợp sắp xếp một từ

mã vào ba hoặc bốn lớp 193Bảng 6.4: Thiết kế bảng tiền mã hóa trong LTE-Advanced cho 8 anten phát 195Bảng 6.5: Bảng mã tiền mã hóa 3 bit cho UL SU-MIMO với hai anten 196

PTIT

Trang 31

xxviii

Bảng 6.6: Bảng mã tiền mã hóa 6 bit cho UL SU-MIMO với bốn anten và một lớp 197Bảng 6.7: Mục tiêu của ITU cho IMT2020 so sánh với IMT-Advanced 209Bảng 6.8: Các loại ô và đặc tính chính 215Bảng 6.9: Các giải pháp ô nhỏ 218Bảng 6.10: Các giải pháp sử dụng phổ tần không cấp phép 222Bảng 6.11: Các thế hệ WiMAX và đặc trƣng kỹ thuật chính 226Bảng 6.12: Thông số chính của 802.11ac 229Bảng 7.1: Một số công nghệ truyền thông quang không dây hiện nay 245Bảng 7.2 Một số loại nguồn quang dùng trong OWC 254Bảng 7.3 Các bộ tách quang trong OWC 257Bảng 7.4 Bán kính và quá trình tán xạ của các hạt điển hình tại  = 850 nm 259Bảng 7.5 Điều kiện thời tiết và các giá trị tầm nhìn 260Bảng 7.6: So sánh công nghệ VLC và RF 276

PTIT

Trang 32

1

CHƯƠNG 1 CÁC KỸ THUẬT XỬ LÝ TÍN HIỆU VÀ THU PHÁT VÔ

TUYẾN

1.1 Mô hình hệ thống thông tin vô tuyến

Mô hình hệ thống thông tin vô tuyến được cho ở Hình 1.1

SM

KTD

KTD SM

GDMT TD

Tổn hao

vô tuyến

Nhiễu Tạp âm

BĐHT, KĐTT, GĐC: Biến đổi hạ tần, khuyếch đại trung tần và giải điều chế

KĐCS: Khuyếch đại công suất KTD: Kênh truyền dẫn

KĐTÂN: Khuyếch đại tạp âm nhỏ GDMTTD: Giao diện môi trường truyền dẫn

Hình 1.1: Sơ đồ khối chung của một hệ thống thông tin vô tuyến

Vai trò của các khối chức năng trong sơ đồ hình 1.1 như sau:

1.1.1 Phía phát

Khối KĐ và giao diện đường số có các chức năng sau:

Phối hợp trở kháng với đường đường truyền

Khuếch đại và cân bằng tín hiệu số

Biến đổi mã đường truyền thành mã nhị phân đơn cực

Tái sinh tín hiệu số

Khôi phục xung đồng hồ

Khối xử lý số băng gốc phát:

Ghép thêm các thông tin điều khiển và quản lý đường truyền

PTIT

Trang 33

2

Mật mã hoá các thông tin quan trọng

Mã hoá kênh chống lỗi

Ngẫu nhiên hoá tín hiệu số trước khi đưa lên điều chế

Khối điều chế và biến đổi nâng tần:

Điều chế sóng mang bằng tín hiệu số để chuyển đổi tín hiệu số này vào vùng tần

số cao thuận tiện cho việc truyền dẫn

Đối với các máy phát đổi tần với điều chế thực hiện ở trung tần, khối biến đổi nâng tần cho phép chuyển tín hiệu trung tần phát vào tần số vô tuyến trước khi phát Khối khuếch đại công suất:

Khuếch đại công suất phát đến mức cần thiết trước khi đưa phát vào không gian

1.1.2 Phía thu

Khuếch đại tạp âm nhỏ:

Khuếch đại tín hiệu thu yếu trong khi khuếch đại rất ít tạp âm

Biến đổi hạ tần, khuếch đại trung tần và giải điều chế :

Đối với máy thu đổi tần trước khi giải điều chế tín hiệu thu được biến đổi vào trung tần thu nhờ khối biến đổi hạ tần Trong quá trình biến đổi hạ tần do suất hiện tần

số ảnh nên khối biến đổi hạ tần thường làm thêm nhiệm vụ triệt tần số ảnh

Đối với các máy thu đổi tần sau biến đổi hạ tần là khuếch đại trung tần Nhiệm vụ của khối chức năng này là khuyếch đại, lọc nhiễu kênh lân cận và cân bằng thích ứng

ở vùng tần số cũng như cân bằng trễ nhóm ở các phần tử của kênh truyền dẫn

Giải điều chế tín hiệu thu để phục hồi tín hiệu số

Xử lý số băng tần gốc thu: Thực hiện các chức năng ngược với khối xử lý số

băng gốc phát như:

Giải ghép xen

Giải mã kênh

Giải ngẫu nhiên

Phân luồng cho luồng số chính và luổng số điều khiển quản lý đường truyền

Cân bằng thích ứng ở vùng thời gian để giảm thiểu ảnh hửơng của phađinh

Khuếch đại và giao điện đường truyền số:

Khuếch tín hiệu số đến mức cần thiết trước khi đưa ra đường truyền

PTIT

Trang 34

3

Biến đổi mã máy vào mã đường

Phối hợp trở kháng với đường truyền số

1.1.3 Giao diện môi trường truyền dẫn

Bao gồm hệ thống anten-phiđơ và các thiết bị siêu cao tần cho phép các máy thu

và máy phát giao tiếp với môi trường truyền dẫn vô tuyến

1.2 Mã hóa kênh

1.2.1 Khái quát về mã hóa kênh kiểm soát lỗi

Mã hoá kênh kiểm soát lỗi là quá trình xử lý tín hiệu số được thực hiện sau nguồn tin số và trước điều chế nhằm đạt được truyền tin số tin cậy bằng cách bổ xung có hệ

thống các ký hiệu dư vào luồng tin phát để phát hiện lỗi và sửa lỗi.

Nhiệm vụ của nhà thiết kế hệ thống truyền dẫn số là cung cấp một hệ thống kinh

tế để truyền thông tin từ nơi phát đến nơi nhận ở tốc độ và mức độ tin cậy mà người sử dụng chấp thuận Hai thông số quan trọng mà nhà thiết kế có trong tay khi này là: thông số tín hiệu được phát và độ rộng băng tần của kênh truyền dẫn Hai thông số này cùng với mật độ phổ công suất của tạp âm thu xác định tỷ số giữa năng lượng một bit tín hiệu và mật độ công suất tạp âm, Eb/N0 Tỷ số này xác định đơn trị tỷ số bit lỗi BER (Bit Error Rate) đối với một sơ đồ điều chế cho trước Các thiết kế thực tế thường đặt ra một giới hạn giá trị mà ta có thể phân bổ cho Eb/N0 Trong thực tế tuỳ theo hoàn cảnh ta thường phải sử dụng một sơ đồ điều chế mà với sơ đồ này không thể đảm bảo chất lượng số liệu Đối với tỷ số Eb/N0 cố định cách duy nhất để đạt được chất lượng

số liệu quy định là sử dụng mã hoá kênh

Một động cơ thực tiễn khác dẫn đến việc sử dụng mã hoá kênh là để giảm tỷ số

Eb/N0 yêu cầu đối với tỷ số bit lỗi (BER) cố định Nhờ việc giảm này ta có thể giảm công suất phát hay giảm giá thành phần cứng chẳng hạn sử dụng anten kích cỡ nhỏ hơn

Kiểm soát lỗi để đảm bảo sự toàn vẹn của số liệu có thể được thực hiện bằng hiệu chỉnh lỗi theo hướng phát FEC (Forward Error Correction) Hình 1.2a cho thấy mô hình của một hệ thống thông tin số sử dụng phương pháp này Bộ mã hoá kênh nhận các bit của bản tin và bổ sung thêm các bit dư theo một quy tắc được quy định trước,

vì thế tạo ra luồng bit được mã hoá có tốc độ cao hơn Bộ giải mã sử dụng các bit dư

để quyết định bit nào của bản tin là bit thực tế được phát Mục đích của việc kết hợp giữa mã hoá và điều chế (hình 1.2.b) là để giảm thiểu ảnh hưởng của tạp âm Nghĩa là giảm thiểu số lỗi giữa đầu vào của bộ mã hoá (lấy từ nguồn tin) và đầu ra của bộ giải

mã kênh (cung cấp cho người sử dụng)

PTIT

Trang 35

4

Ngoài FEC còn có một phương pháp khác được gọi là yêu cầu phát lại tự động (ARQ: Automatic Retransmission Request) cũng được sử dụng để giải quyết vấn đề kiểm soát lỗi ARQ sử dụng các bit ký hiệu dư để phát hiện lỗi Dựa trên kết quả phát hiện lỗi máy thu yêu cầu phát lại bản tin bị mắc lỗi, vì thế cần phải có một kênh hồi tiếp

Bộ giải

mã kênh

+

Bộ i điều chế

Bộ mã hóa kênh

+

Bộ giải điều chế

Kênh truyền dẫn

Hình 1.2 Mô hình đơn giản của hệ thống truyền dẫn số a) Mã hóa và điều chế kênh

riêng biệt; b) Mã hóa kênh và điều chế kết hợp

Việc bổ sung các bit dư vào bản tin dược mã hoá còn dẫn đến việc cần thiết tăng

độ rộng băng thông

Ngoài ra việc sử dụng mã hoá còn làm tăng tính phức tạp của hệ thống, nhất là việc thực hiện giải mã kênh ở máy thu Như vậy các suy xét khi lựa chọn việc sử dụng

mã hoá kênh cần bao hàm cả các cân nhắc về độ rộng băng tần và tính phức tạp

Từ các vấn đề đã nêu ra ở trên ta có thể phát biểu mục tiêu của mã hoá kênh kiểm soát lỗi như sau:

Trang 36

5

Các yêu cầu phát hiện và sửa lỗi được xác định trước hết bởi kiểu thông tin được phát Sơ đồ khối chức năng của một máy phát sử dụng mã hoá kênh được cho ở hình 1.3 Từ hình này ta thấy:

Tốc độ bit ở đầu ra của bộ mã hoá R luôn luôn lớn hơn tốc độ bit,R b

Hình 1.3 Sơ đồ khối của máy phát sử dụng mã hóa kênh

1.2.2 Các nguyên tắc mã hóa kênh kiểm soát lỗi

Ta xét một số nguyên tắc cơ sở để thực hiện mã hoá kênh kiểm soát lỗi Có thể phát biểu vấn đề cơ bản khi thực hiện mã hoá kênh này như sau: ta muốn chuyển đổi

m bản tin có thể có vào m từ mã Các từ mã này phải thỏa mãn các mục tiêu về phát hiện và sửa lỗi Chẳng hạn ta xét một bản tin bao gồm 3 bit Với 3 bit này có thể có: 23

= 8 bản tin có thể có Ta muốn thay thế từng bản tin nói trên bằng một từ mã Như đã nói ở trên để đạt được điều này ta sử dụng các bit dư Khi này các từ mã sẽ dài hơn bản tin tương ứng mã từ đó nó được tạo ra

Ta có thể phân tích các khả năng phát hiện lỗi và sửa lỗi cuả các mã dư khác nhau bằng cách trước hết định nghĩa khoảng cách Hamming giữa hai từ mã Khoảng cách Hamming giữa hai từ mã bất kỳ có cùng độ dài được định nghĩa là số vị trí mà ở đó chúng khác nhau Ta có thể mô tả khoảng cách Hamming này bằng một không gian nhiều chiều (hình 1.4)

111 000

001

010 011

100 101

110

Hình 1.4 Từ mã ba bit ở không gian ba chiều

PTIT

Trang 37

0000, 0011, 0101, 1001, 1010, 1100, 1111

đều có khoảng cách tối thiều là 2 Đối với bốn từ mã này ta cần một hình không

gian có 16 đỉnh để biểu diễn Hay tổng quát ta cần một không gian n chiều

Giả sử xẩy ra một lỗi ở một vị trí của từ mã bốn bit nói trên: ta thu được 1000 chẳng hạn Máy thu có thể nhận định rằng từ mã này có thể là một trong hai từ mã gần

từ thu nhất: 0000 hay 1010

Trường hợp này chỉ có thể phát hiện được lỗi chứ không sửa được lỗi Bây giờ ta xét các từ mã gồm: 01111, 01000 và 10011 Khoảng cách cực tiểu giữa chúng bây giờ

là 3 Nếu thu được một từ mã 01001 thì một máy thu thông minh có thể nhận định từ

mã được phát phải là 01000 vì đây là từ mã gần với từ thu được nhất (có khoảng cách nhỏ nhất =1) Bây gìơ giả thiết từ thu được là 01011, máy thu chỉ có thể nhận định rằng từ phát có thể là một trong hai từ: 01000 và 10011, vì khoảng cách cuả từ thu với hai từ này đều bằng 2 Vậy trong trường hợp này máy thu chỉ có thể phát hiện được lỗi chứ không sửa được lỗi Khi này ta nói rằng mã trên cho phép phát hiện lỗi kép và sửa lỗi đơn

Từ các thí dụ trên ta có thể nêu ra công thức chung

từ mã và số bit lỗi mà mã cho phép phát hiện và sửa như sau:

* Khả năng phát hiện lỗi:

d m = t+1 (1.1)

* Khả năng sửa lỗi:

PTIT

Trang 38

7

d m 2t +1 (1.2)

trong đó d m là khoảng cách Hamming cực tiểu giữa các từ mã có thể có trong tập mã

còn t là số lỗi mã cho phép phát hiện (trường hợp thứ nhất) và sửa (trường hợp hai)

Các mã kênh thường được sử dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến là: mã khối tuyến tính, mã lặp, mã xoắn, mã turbo và mã turbo xoắn Các mã này đã được

trình bày ở trong chương 4 Bài giảng môn học Cơ sở kỹ thuật thông tin vô tuyến 1.3 Kỹ thuật điều chế và giải điều chế

Khi phát một luồng số trên kênh vô tuyến, cần phải điều chế luồng số này cho một sóng mang (thường là hàm sin) Điều chế được xem như là quá trình mà trong đó một đặc tính nào đó của sóng mang được thay đổi theo một sóng điều chế Chẳng hạn một sóng mang hàm sin biểu thị theo công thức (3.1) có ba thông số sau đây có thể thay đổi: biên độ, tần số và pha:

S(t) = A cos(ct + ) (1.3) trong đó c = 2f c là tần số góc của sóng mang, f c là tần số sóng mang còn  là

pha Nếu sử dụng tín hiệu thông tin để thay đổi biên độ A, tần số sóng mang f c và pha

(t) ta được điều biên, điều tần và điều pha tương ứng Nếu tín hiệu đưa lên điều chế

các thông số nói trên là tín hiệu liên tục thì ta được trường hợp điều chế tương tự Nếu tín hiệu điều chế các thông số nói trên là số thì điều chế được gọi là điều chế số

Hình 1.5 Các dạng sóng điều chế: a) Khóa chuyển biên độ (ASK); b) Khóa chuyển

pha (PSK); c) Khóa chuyển tần số (FSK)

PTIT

Trang 39

8

Trong thông tin số tín hiệu đưa lên điều chế là một luồng nhị phân hay dạng được

mã hóa vào M-mức của của luồng nhị phân này Trong trường hợp điều chế số tín hiệu

điều chế cũng làm thay đổi biên độ, tần số, hay pha của sóng mang với các tên gọi tương ứng là: điều chế khóa chuyển biên (ASK), điều chế khóa chuyển tần (FSK), điều chế khóa chuyển pha (PSK) (xem thí dụ ở hình 1.5)

Như ta thấy ở hình 1.5, lý tưởng PSK và FSK có đường bao không đổi Đặc điểm này cho phép chúng không bị ảnh hưởng của tính phi tuyến thường gập ở thông tin vô tuyến mặt đất và vệ tinh số Vì vậy thường FSK và PSK hay được sử dụng hơn ASK Tuy nhiên để có thể tăng dung lượng đường truyền dẫn số khi băng tần của kênh vô tuyến có hạn người ta sử dụng điều chế khóa dịch pha và khoá dịch biên độ kết hợp, phương pháp điều chế này được gọi là điều chế cầu phương hay biên độ vuông góc (QAM)

Giải điều chế ở máy thu có thể thực hiện theo hai dạng: giải điều chế nhất quán hoặc không nhất quán Ở dạng giải điều chế nhất quán lý tưởng, bản sao chính xác sóng mang phát phải có ở máy thu Nghĩa là máy thu phải biết chính xác pha chuẩn của sóng mang, trong trường hợp này ta nói máy thu được khóa pha với máy phát Tách sóng tương quan được thực hiện bằng cách thực hiện tương quan chéo tín hiệu thu được với một trong các mẫu nói trên, sau đó thực hiện quyết định bằng cách so sánh với một mẫu cho trước Mặt khác ở giải điều chế không nhất quán không cần thiết phải hiểu biết pha của sóng mang Vì vậy độ phức tạp của máy thu được giảm bớt nhưng bù lại là khả năng chống lỗi thấp hơn so với giải điều chế nhất quán

Ta thấy rằng tồn tại rất nhiều sơ đồ điều chế/tách sóng dành cho người thiết kế hệ thống thông tin số để truyền dẫn luồng số trên kênh băng thông Mỗi sơ đồ có các ưu nhược điểm riêng của mình Việc lựa chọn cuối cùng của người thiết kế phụ thuộc vào: tài nguyên thông tin, công suất phát và độ rộng kênh Chẳng hạn việc lựa chọn có thể thiên về sơ đồ phải đảm bảo nhiều mục đích thiết kế dưới đây:

Tốc độ số liệu cực đại

Xác suất lỗi ký hiệu cực tiểu

Công suất phát cực tiểu

Độ rộng kênh cực tiểu

Khả năng chống nhiễu cực đại

Mức độ phức tạp của mạch cực tiểu

PTIT

Trang 40

9

Một số các mục tiêu nói trên đối lập với nhau: chẳng hạn mục tiêu (a), (b) đối lập với mục tiêu (c) và (d) Vì vậy phải lựa chọn một giải pháp dung hòa để thỏa mãn càng nhiều các mục tiêu nói trên càng tốt Thông tin chi tiết về các phương thức điều chế cơ bản có thể tham khảo trong chương 3 Bài giảng Cơ sở kỹ thuật thông tin vô tuyến

1.4 Kỹ thuật đa truy nhập

Các phương thức đa truy nhập vô tuyến được sử dụng rộng rãi trong các mạng thông tin di động Thông thường ở một hệ thống thông tin đa truy nhập vô tuyến có nhiều trạm đầu cuối và một số các trạm có nhiệm vụ kết nối các trạm đầu cuối này với mạng hoặc chuyển tiếp các tín hiệu từ các trạm đầu cuối đến một trạm khác Các trạm đầu cuối ở trong các hệ thống thống tin di động mặt đất là các máy di động còn các trạm đầu cuối trong các hệ thống thông tin vệ tinh là các trạm thông tin vệ tinh mặt đất Các trạm kết nối các trạm đầu cuối với mạng hoặc chuyển tiếp các tín hiệu từ các trạm đầu cuối đến các trạm khác là các trạm gốc trong thông tin di động mặt đất hoặc các

bộ phát đáp trên vệ tinh trong các hệ thống thông tin vệ tinh Trong các hệ thống thông tin đa truy nhập vô tuyến bao giờ cũng có hai đường truyền: (1) đường từ các trạm đầu cuối đến các trạm gốc hoặc các trạm phát đáp và (2) đường truyền theo chiều ngược lại Theo quy ước chung đường thứ nhất được là đường lên còn đường thứ hai được gọi là đường xuống

Mô hình của một hệ thống đa truy nhập được cho ở hình 1.6

Các trạm mặt đất

Bộ phát đáp vệ tinh

Di động

Trạm gốc

Máy di động

Định dạng
Số trang	335
Dung lượng	9,13 MB