lec 1t

8/18/2019 lec 1t

1/62

Kỹ Thuật Đa truy nhập Vô

tuyếnEmail môn học: [email protected]

DTN_CHN_2015 1

8/18/2019 lec 1t

2/62

Giới thiệu

• Số tín chỉ học phần: 2• Phân bố số giờ của học phần:

– Lý thuyết: 24t

– Bài tập: 12t Nộp vào tuần 5

– Tự học: ?

• Phương pháp đánh giá học phần:

– Điểm đánh giá quá trình học tập: 30 %

• Chuyên cần (% trọng số): 15 %• Kiểm tra giữa kỳ (% trọng số): 15 %

– Điểm kết thúc học phần (% trọng số): 70 %

DTN_CHN_2015 2

8/18/2019 lec 1t

3/62

Nội dung học phần

• Chương 1. Tổng quan về kỹ thuật đa truy nhậpvô tuyến.

• Chương 2. Các kỹ thuật đa truy nhập phân chia

theo tần số (FDMA), thời gian (TDMA) và khônggian (SDMA).• Chương 3. Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo

mã (CDMA).

• Chương 4. Các kỹ thuật đa truy nhập vô tuyếncho truyền dẫn đa sóng mang và đơn sóng mang(OFDMA).

DTN_CHN_2015 3

8/18/2019 lec 1t

4/62

Chƣơng 1. Tổng quan về kỹ thuật đa truynhập vô tuyến

Giới thiệu về hệ thống thông tin vô tuyến

– Tần số sử dụng cho sóng điện từ như vai trò sóng mang trong

thông tin vô tuyến được gọi riêng là "tần số vô tuyến" (RF).

– Toàn bộ dải tần số vô tuyến (RF) lại được chia ra thành các băngnhỏ hơn theo Ủy ban tư vấn về Thông tin vô tuyến quốc tế

CCIR (Comité Consultatif Internationa des

Radiocommunications - International Radio Consultative

Committee).

DTN_CHN_2015 4

8/18/2019 lec 1t

5/62

8/18/2019 lec 1t

6/62


DTN_CHN_2015 6

• Người ta qui ước gọi tập hợp các phương tiện kỹ thuật dùng

để truyền tin từ nguồn đến người nhận tin là đường thông

ti n .

• Các phương tiện này bao gồm thiết bị phát, kênh thông tinvà thiết bị thu.

• Đường thông tin cùng với nguồn và nhận tạo thành hệ

thống thông tin.• Kênh thông tin – là môi trường dùng để truyền các tín hiệu

từ máy phát đến máy thu. Nó có thể là cáp, ống dẫn sóng

hoặc khí quyển.

8/18/2019 lec 1t

7/62


DTN_CHN_2015 7

8/18/2019 lec 1t

8/62

DTN_CHN_2015 14

8/18/2019 lec 1t

9/62

Kênh vô tuyến

Ba cơ chế lan truyền sóng:

• Reflection - Phản xạ

• Diffraction - Nhiễu xạ

• Scattering - Tán xạ

DTN_CHN_2015 16

8/18/2019 lec 1t

10/62

Đáp ứng xung kênh - Channel ImpulseResponse

DTN_CHN_2015 17

8/18/2019 lec 1t

11/62

Fading

DTN_CHN_2015 18

• Rayleigh Fading• Rician Fading

8/18/2019 lec 1t

12/62

8/18/2019 lec 1t

13/62

Các loại phađinh

DTN_CHN_2015 20

Fading Channel

Large-scale Fading Small-scale Fading

Path Loss Shadowing Effect MultipathDelay Spread DopplerSpread

FlatFading

FrequencySelective

Fading

FastFading

SlowFading

Signal BW > Channel BWSymbol period < Delay spread

High Doppler spreadSymbol period > Coherence TimeSignal variation < Channel variation

Low Doppler spreadSymbol period >Channel variation

Mobile SpeedPropagationEnvironment

8/18/2019 lec 1t

14/62

Kênh vô tuyến

DTN_CHN_2015 21

Tính chất kênh trong miền thời gian

8/18/2019 lec 1t

15/62

Kênh vô tuyến trong miền không gian

DTN_CHN_2015 22

• Các thuộc tính trong miền không gian bao gồm: tổn haođường truyền và chọn lọc không gian.

• Tổn hao đường truyền thuộc loại phađinh phạm vi rộng

còn chọn lọc không gian thuộc loại phađinh phạm vi hẹp.

• Khi khoảng cách thay đổi trong phạm vi một bước sóng,

kênh thể hiện các đặc tính ngẫu nhiên rất rõ rệt. Điều này

được gọi là tính chọn lọc không gian (hay phân tập không

gian)

8/18/2019 lec 1t

16/62

Tổn hao đƣờng truyền

DTN_CHN_2015 23

• Theo công thức Friis cho không gian tự do, công suất của

tín hiệu thu được:

Trong đó: • P R là công suất thu được (Watts). • P T là công suất phát (Watts).• GT là độ lợi của anten phát,• G R là độ lợi của anten thu.

• λ là bước sóng của sóng mang vô tuyến (m). • d là khoảng cách truyền dẫn tính (m).• L là suy hao hệ thống không liên quan đến quá trình lan

truyền sóng (L ≥ 1).

8/18/2019 lec 1t

17/62

Tổn hao đƣờng truyền

DTN_CHN_2015 24

• Hệ số suy hao PL do việc truyền dẫn trong không gian tự

do:

PL (dB) = P T (dB) - P R(dB)

8/18/2019 lec 1t

18/62

Mô hình Tổn hao đƣờng truyền

DTN_CHN_2015 25

• Từ lý thuyết và các kết qủa đo lường ta đã biết rằng công suất thu trung

bình giảm so với khoảng cách theo hàm log cho môi trường ngoài trời

và trong nhà.

• Ngoài ra tại mọi khoảng cách d, tổn hao đường truyền PL(d) tại một vị

trí nhất định là quá trình ngẫu nhiên và có phân bố log chuẩn xungquanh một giá trị trung bình (phụ thuộc vào khoảng cách).

• Nếu xét cả sự thay đổi theo vị trí, ta có thể biểu diễn tổn hao đường

truyền PL(d) tại khoảng cách d như sau:

8/18/2019 lec 1t

19/62

Mô hình Tổn hao đƣờng truyền

DTN_CHN_2015 26

• Trong đó () là tổn hao đường truyền trung bình phạm vị rộng đối với

khoảng cách phát thu d.

• Xσ là biến ngẫu nhiên phân bố Gauss trung bình không (đo bằng dB) với lệch

chuẩn σ (cũng đo bằng dB)

• d0 là khoảng cách tham chuẩn giữa máy phát và máy thu,

• n là mũ tổn hao đường truyền (n=2 cho không gian tự do, n2 cho các vùng thành phố ngoài trời).

8/18/2019 lec 1t

20/62

8/18/2019 lec 1t

21/62

Dịch tần số

DTN_CHN_2015 28

Dịch tần số gây ra do hiệu ứng Doppler, MS (mobile station: trạm di

động) chuyển động tương đối so với BTS dẫn đến thay đổi tần số một

cách ngẫu nhiên.

Illustration of Doppler effect.

d

X Y

Δl

α α

8/18/2019 lec 1t

22/62

Dịch tần số

DTN_CHN_2015 29

Dịch Doppler f có thể được biểu diễn như sau:

Trong đó:

ν là tốc độ cuả MS, λ là bước sóng,

α là góc giữa phương chuyển động cuả MS và

phương sóng tới

c là tốc độ ánh sáng và f c là tần số sóng mang

Tần số Doppler cực đại:

8/18/2019 lec 1t

23/62

Dịch tần số

DTN_CHN_2015 30

Tần số Doppler cực đại:

- Khi độ rộng tín hiệu nhở hơn nhiều lần so với tần số sóng mang,B

D (Doppler spread) xấp xỉ bằng f

m

Thường sử dụng tần số Doppler chuẩn hóa (NormalisedDoppler frequency) để xác định loại fadinh:

= 10−6 được xem là fading chậm và fadingnhanh.

8/18/2019 lec 1t

24/62

Ví dụ

DTN_CHN_2015 31

Với tần số sóng mang là 1 GHz, tốc độ di chuyển của

người sử dụng 10 m/s, tốc độ ký hiệu là 3,3 Msymbols/s.

Xác định tần số dịch Doppler cực đại, chuẩn hóa.

8/18/2019 lec 1t

25/62

Ví dụ

DTN_CHN_2015 32

Với tần số sóng mang là 1 GHz, tốc độ di chuyển của

người sử dụng 10 m/s, tốc độ ký hiệu là 3,3 Msymbols/s.

Xác định tần số dịch Doppler cực đại, chuẩn hóa.

Bước sóng λ = c/f c = 3*108/109 = 0.3 m

Doppler frequency:

f m= v/λ ~ 33 Hz

Normalised Doppler frequency = 33/(3.3 * 106) = 10-5

8/18/2019 lec 1t

26/62

Chọn lọc tần số

DTN_CHN_2015 33

Băng thông nhất quán (Coherence bandwidth): là một

số đo thống kê của dải tần số trên một kênh phađinh

được coi là kênh phađinh "phẳng" (là kênh trong đó tất

cả các thành phần phổ đựơc truyền qua với khuyếch đạinhư nhau và pha tuyến tính).

Băng thông nhất quán cho ta dải tần trong đó các thành

phần tần số có biên độ tương quan. Băng thông nhất quán xác định kiểu phađinh xẩy ra trong

kênh và vì thế nó đóng vai trò cơ sở trong viêc thích ứng

các thông số điều chế.

8/18/2019 lec 1t

27/62

Chọn lọc tần số

DTN_CHN_2015 34

Phađinh chọn lọc tần số rất khác với phađinh phẳng.

Trong kênh phađinh phẳng, tất cả các thành phần tần số

truyền qua băng thông kênh đều chịu ảnh hưởng phađinh

như nhau.

Trong phađinh chọn lọc tần số (còn gọi là phađinh vi

sai), một số đoạn phổ của tín hiệu qua kênh phađinh chọn

lọc tần số bị ảnh hưởng nhiều hơn các phần khác.

8/18/2019 lec 1t

28/62

Flat Fading

h(t,t) s(t) r(t)

0TS 0 t 0 TS+t

t st

BC: Coherence bandwidth

BS: Signal bandwidth

TS: Symbol periodst: Delay Spread

8/18/2019 lec 1t

29/62

Phađinh chọn lọc tần số

DTN_CHN_2015 36

Nếu băng thông nhất quán nhỏ hơn độ rộng băng tần cuả tín hiệu được phát, thì tín hiệu này chịu ảnh hưởng

của phađinh chọn lọc (phân tập tần số).

Phađinh này sẽ làm méo tín hiệu.

Gây hiện tượng nhiễu xuyên ký tự ISI (Intersymbol

Interference)

8/18/2019 lec 1t

30/62

Frequency Selective Fading

h(t,t) s(t) r(t)

0 TS 0 t 0

TS+t

t >> TS

TS

Causes distortion of the received baseband signal

Causes Inter-Symbol Interference (ISI)

Occurs when:BS > BC

and

TS < st

As a rule of thumb: TS < st

8/18/2019 lec 1t

31/62

Băng thông nhất quán- Coherence Bandwidth

Freq

Ch

ann e l f r e q u e n c yr e s p on s e

W Flat FadingW < f 0

Frequency

selective Fading

W > f 0

Coherence BW = f 0

Freq

W

Ch ann e l f r e q u e n c yr e s p on s e

f 0

8/18/2019 lec 1t

32/62

Fading phẳng ?

• f 0

Freq

Ch ann e l f r e q

u e n c yr e s p on s e

W

8/18/2019 lec 1t

33/62

Kênh vô tuyến trong miền thời gian

DTN_CHN_2015 45

Một trong số các khác biệt quan trọng giữa các kênh hữutuyến và các kênh vô tuyến là các kênh vô tuyến thay đổi

theo thời gian, nghĩa là chúng chịu ảnh hưởng của

phađinh chọn lọc thời gian.

Ảnh hưởng đa đường của kênh vô tuyến thường được

biết đến ở dạng phân tán thời gian (gọi tắt là tán thời)

hay trải trễ (Delay Spread- st).

Trải trễ có thể được đặc trưng bằng trễ trội, trễ trội

trung bình hay trễ trội trung bình quân phƣơng.

8/18/2019 lec 1t

34/62

Power Delay Profile (lý lịch trễ công suất)

DTN_CHN_2015 46

• Cho biết sự phân bố công suất tín hiệu thu trên cácđường như là một hàm của trễ lan truyền.

8/18/2019 lec 1t

35/62

Power Delay Profile (lý lịch trễ công suất)

DTN_CHN_2015 47

8/18/2019 lec 1t

36/62

Trễ trội, Trễ trội trung bình

DTN_CHN_2015 48

Trễ trội là một khái niệm được sử dụng để biểu thị trễ

của môt đường truyền so với đường truyền đến sớm

nhất (thường là LOS: đường truyền trực tiếp).

Trễ trội trung bình (Mean excess delay)

ak là biên độ, τ k là trễ trội (excess delay) và P (τ k ) là

công suất của từng tín hiệu đa đường.

8/18/2019 lec 1t

37/62

Trễ trội trung bình quân phƣơng, RDS

DTN_CHN_2015 49

Một thông số thời gian quan trọng của trải trễ là trải trễ trung

bình quân phƣơng (RDS - Root Mean Squared Delay Spread- RMS Delay Spread): căn bậc hai môment trung tâm của lý

lịch trễ công suất.

Với

Trễ trội cực đại (Maximum Excess delay) (tại XdB) của lý lịch

trễ công suất được định nghĩa là trễ thời gian mà ở đó năng

lượng đa đường giảm X dB so với năng lượng cực đại.

The mean square excess delay spread

(Trễ trội bình phương trung bình)

ễ

8/18/2019 lec 1t

38/62

Trải trễ trung bình quân phƣơng- RMSDelay Spread

flat fading

8/18/2019 lec 1t

39/62

Power Delay Profile (Lý lịch trễ công suất)

DTN_CHN_2015 51

R e c e i v e d S i g n a l L e v e l ( d B m )

-105

-100

-95

-90

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Excess Delay (ns)

RMS Delay Spread (st) = 46.4 ns

Mean Excess delay (t) = 45 ns

Maximum Excess delay < 10 dB = 110 ns

Noise threshold

Ví dụ (Power dela profile)

8/18/2019 lec 1t

40/62

Ví dụ (Power delay profile)

-30 dB

-20 dB

-10 dB

0 dB

0 1 2 5

Pr (t)

(µs)

t

1.37 µs

4.38 µs

Tìm: - Trễ trội trung bình - Trễ trội bình phƣơng trung bình - Trễ trội trung bình quân phƣơng

ấ

8/18/2019 lec 1t

41/62

Thời gian nhất quán (coherence time)

DTN_CHN_2015 54

• Thời gian nhất quán T C xác định tính "tĩnh" của kênh.

• Các ký hiệu khác nhau truyền qua kênh trong khoảng thời gian nhất

quán chịu ảnh hưởng phađinh như nhau. Vì thế ta nhận được một kênh

phađinh khá chậm.

• Các ký hiệu khác nhau truyền qua kênh bên ngoài thời gian nhất quánsẽ bị ảnh hưởng phađinh khác nhau. Khi này ta được một kênh

phađinh khá nhanh. Như vậy do ảnh hưởng của phađinh nhanh, một số

phần của ký hiệu sẽ chịu tác động phađinh lớn hơn các phần khác.

• Bằng cách ấn định giá trị cho một thông số nhất định cho hệ thống

truyền dẫn, ta có thể nhận đựơc kênh phađinh chậm thay vì kênh

phađinh nhanh và nhờ vậy đạt được hiệu năng tốt hơn.

8/18/2019 lec 1t

42/62

Thời gian nhất quán và trải Doppler

DTN_CHN_2015 55

• Thời gian nhất quán chịu ảnh hưởng trực tiếp của dịch

Doppler, nó là thông số kênh trong miền thời gian đối ngẫu

với trải Doppler.

• Trải Doppler (BD) và thời gian nhất quán là hai thông số

tỷ lệ nghịch với nhau:

• Khi thiết kế hệ thống ta chỉ cần xét một trong hai thông số

nói trên.

≈

1

Bă thô hất á à t ải t ễ t bì h

8/18/2019 lec 1t

43/62

Băng thông nhất quán và trải trễ trung bìnhquân phƣơng

DTN_CHN_2015 56

• Tương tự như các thông số trải trễ trong miền thời

gian, ta có thể sử dụng băng thông nhất quán để đặc

trưng kênh trong miền tần số.

• Trải trễ trung bình quân phương tỷ lệ nghịch với

băng thông nhất quán và ngược lại, mặc dù quan hệ

chính xác cuả chúng là một hàm phụ thuộc vào cấu

trúc đa đường.

Băng thông nhất quán và trải trễ trung bình

8/18/2019 lec 1t

44/62

Băng thông nhất quán và trải trễ trung bìnhquân phƣơng

DTN_CHN_2015 57

• Ký hiệu băng thông nhất quán là BC và trải trễ trung bình quân

phương là στ.

• Khi hàm tương quan tần số lớn hơn 0,90 băng thông nhất quán

có quan hệ sau đây với trải trễ trung bình quân phương:

• Đánh gía gần đúng Bc cũng thường sử dụng là độ rộng băng

với tương quan ít nhất bằng 0,5 (50% coherence bandwidth) là:

t s .50

1

c B

t s .5

1

c B

Cá l i h đi h

8/18/2019 lec 1t

45/62


DTN_CHN_2015 58

Fading Channel

Large-scale Fading Small-scale Fading

Path Loss Shadowing Effect MultipathDelay Spread

DopplerSpread

FlatFading

FrequencySelective

Fading

FastFading

SlowFading

Signal BW > Channel BWSymbol period < Delay spread

High Doppler spreadSymbol period > Coherence TimeSignal variation < Channel variation

Low Doppler spreadSymbol period >Channel variation

Mobile SpeedPropagationEnvironment

8/18/2019 lec 1t

46/62

Ví dụ về Fading

DTN_CHN_2015 59

• Cho Lý lịch trễ công suất của kênh vô tuyến trong khi đô thi như sau:

8/18/2019 lec 1t

47/62

Ví dụ về Fading

DTN_CHN_2015 60

1. Xác định 50% coherence bandwidth của kênh truyền.

2. Kênh này có phù hợp cho hệ thống AMPS (có độ rộng tín

hiệu băng gốc là BS = 30 kHz) và GSM (BS = 200 kHz)?

Trong hệ thống GSM sử dụng sóng mang f c = 1.8 GHz, tốc

độ di chuyển của thiết bị là v = 120 km/h.

3. Xác định BD (Doppler spread) của kênh trên.

4. Kênh này được xếp vào loại fading nào?


8/18/2019 lec 1t

48/62


DTN_CHN_2015 63

Signal Strength

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

Time

d B

m

Channel 4 Avg. Signal Strength

+20 feet +20 feet +20 feet +20 feet +20 feet +20 feet +20 feetOri in

Signal Strength

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

Time

d B

m

Channel 4 Avg. Signal Strength

+20 feet +20 feet +20 feet +20 feet +20 feet +20 feet +20 feetOri in

Long range path lossSmall scale fading

Yê ầ khi hiế kế hệ hố ề

8/18/2019 lec 1t

49/62

DTN_CHN_2015 64

• Tốc độ dữ liệu cao (đo bằng bits/sec)

• Băng thông nhỏ (đo bằng Hertz)

• Công suất tín hiệu thấp (đo bằng Watts hoặc

dBW)

• Méo thấp (đo bằng S/N hay tốc độ lỗi bit) • Chi phí thấp

Yêu cầu khi thiết kế hệ thống truyềnthông

Thiết kế hệ thố

8/18/2019 lec 1t

50/62

DTN_CHN_2015 66

• Tăng tốc độ dữ liệu độ rộng băng tăng.

• Đây là điều không tránh khỏi, tuy nhiên các hệ

thống có hiệu quả sử dụng băng thông khác

nhau.

•Hiệu suất sử dụng băng thông (BandwidthEfficiency): ηB= R b/W

Thiết kế hệ thống:Data Rate vs. Bandwidth

Thiết kế hệ thố

8/18/2019 lec 1t

51/62

DTN_CHN_2015 68

• Một cách để có được tín hiệu không lỗi là phát

công suất lớn.

• Hiệu suất năng lượng (Energy Efficiency) =

ηE= E b/N0

Thiết kế hệ thống:Fidelity vs. Signal Power

Thiết kế hệ thống:

8/18/2019 lec 1t

52/62

DTN_CHN_2015 70

Ví dụ:

• Điều chế đơn bit chỉ gửi đi một bit trong khi điều chế M-ary

có thể gửi đi nhiều bit tuy nhiên khả năng lỗi cao hơn.

• Mã sửa lỗi (Error correction coding).

Thiết kế hệ thống:Bandwidth Efficiency vs. Energy Efficiency

8/18/2019 lec 1t

53/62

Giới thiệu về đa truy nhập

DTN_CHN_2015 72

Phương pháp đa truy nhập vô tuyến là cách thức

để nhiều người sử dụng truy cập vào một kênh chung

để truyền thông tin.

Đa truy nhập giữa các hệ thống

Đa truy nhập trong nội bộ hệ thống

8/18/2019 lec 1t

54/62

ề

8/18/2019 lec 1t

55/62

Giới thiệu về đa truy nhập

DTN_CHN_2015 74

Ghép kênh hai hướng:

• Ghép kênh hai hướng theo tần số (FDD- frequency division

duplex)

• Ghép kênh theo thời gian (TDD- time division duplex)

8/18/2019 lec 1t

56/62

FDD vs TDD

DTN_CHN_2015 75

8/18/2019 lec 1t

57/62

DTN_CHN_2015 76

CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐA TRUY NHẬP VÔ

8/18/2019 lec 1t

58/62

CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐA TRUY NHẬP VÔTUYẾN

DTN_CHN_2015 77

Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA:

Frequency DivisionMultiple Access).

Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA: Time

Division Multiple Access).

Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA: Code Division

Multiple Access).

Đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA: Space

Division Access).

Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA


8/18/2019 lec 1t

59/62


DTN_CHN_2015 78


8/18/2019 lec 1t

60/62


DTN_CHN_2015 79

ỨNG DỤNG CỦA ĐA TRUY NHẬP VÔ

8/18/2019 lec 1t

61/62

ỨNG DỤNG CỦA ĐA TRUY NHẬP VÔTUYẾN

DTN_CHN_2015 80

ỨNG DỤNG CỦA ĐA TRUY NHẬP VÔ

8/18/2019 lec 1t

62/62

ỨNG DỤNG CỦA ĐA TRUY NHẬP VÔTUYẾN

1st.Generation(1980s)

Analog

NMT CT0TACS CT1 AMPS

3rd.Generation

(2000s)2nd.Generation

(1990s)Digital

GSM DECTDCS1800 CT2

PDC PHSIS-54IS-95IS-136UP-PCS

IMT-2000

CDMA2000W-CDMA

4G

OFDMASC-FDMA

Documents

lec 1t