Nghiên cứu kỹ thuật tiền mã hóa trong hệ thống thông tin đa chặng TOW WAY RELAY

LỜI 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 luật
của khoa.
Sinh viên thực hiện đồ án

Bùi Minh Sinh

Trang 1


MỤC LỤC

MỤC LỤC

Trang 2

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
1G
2G
3G
4G
AF
AWGN
BER
BS
BW
CP
CDMA
DF
DFT
FDM
FDMA
FFT
GSM
GPRS

First Generation
Second Generation
Third Generation
Fourth Generation
Ampify and Forward
Addition White Gaussian Noise

Bit Error Rate
Base Station
Bandwidth
Cyclic Prefix
Code Division Multiple Access
Decode and Forward
Discrete Fourier Transform
frequency-division multiplexing
Frequency Division Multiple Access
Fast Fourier Transform
Global System for Mobile
Communications General Packet
Radio Service
HSDPA High-Speed Downlink Packet Access
ICI
IFFT
IDFT
ISI
LOS
LTE
MIMO

Inter- Carrier Interference
Inverse Fast Fourier Transform
Inverse DFT
Inter- Symbol Interference
Line Of Sight
Long Term Evolution
Multiple Input Multiple Output
M-QAM M Quadrature Amplitude Modulation

MSE
Mean Squared Error
MS
Mobile Station
OFDM
Orthogonal Frequency Division
Multiplexing
QAM
Quadrature Ampitude Modulation
SDMA
Space Division Multiple Access
SNR

Signal to Noise Ratio

Thế hệ thứ nhất
Thế hệ thứ hai
Thế hệ thứ ba
Thế hệ thứ tư
Khuếch đại và chuyển tiếp
Nhiễu Gaussian trắng cộng
Tỉ số bit lỗi
Trạm gốc
Băng thông
Tiền tố lặp vòng
Đa truy cập phân chia theo mã
Giải mã và chuyển tiếp
Phép biến đổi Fourier rời rạc
Ghép kênh phân chia theo tần số
Đa truy cập phân chia theo tần số

Phép biến đổi Fourier nhanh
Hệ thống thông tin di động toàn cầu
Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp
Truy nhập gói đường xuống tốc độ
cao
Nhiễu liên sóng mang
Phép biến đổi Fourier đảo
Biến đổi DFT ngược
Nhiễu liên ký tự
Đường truyền thẳng
Sự tiến triển dài hạn
Nhiều ngõ vào, nhiều ngõ ra
Điều chế biên độ cầu phương M điểm
Lỗi bình phương trung bình
Trạm di động
Ghép kênh phân chia theo tần số trực
giao
Điều chế biên độ cầu phương
Đa truy cập phân chia theo không
gian
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu
Trang 3


DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

SINR

Signal to Interference plus Noise
ratio

TDM
Time division multiplexing
TDMA
Time division multiple access
W-CDMA Wideband CDMA

Tỉ số tín hiệu trên can cộng nhiễu
Ghép cập phân chia theo thời gian
Đa truy cập phân chia theo thời gian
CDMA băng rộng

Trang 4


LỜI MỞ ĐẦU

LỜI MỞ ĐẦU
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 one-way
relay và two-way 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 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 cập
phân 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 5


LỜI MỞ ĐẦU

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.
Trong quá trình thực hiện đồ án, em đã cố gắng rất nhiều song không tránh khỏi
những sai sót, kính mong quý thầy cô thông cảm và đóng góp ý kiến để đồ án được
hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!

Đà Nẵng, tháng 06 năm 2014
Sinh viên thực hiện

Bùi Minh Sinh

Trang 6


LỜI MỞ ĐẦU

Trang 7


CHƯƠNG 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 hội
càng 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, hệ
thống thông tin di động đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển, từ thế hệ di động thế hệ 1
đến 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, bang
Missouri của Mỹ.
Sau những năm 50, việc phát minh ra chất bán dẫn cũng ảnh hưởng lớn đến
lĩnh vực thông tin di động. Ứng dụng các linh kiện bán dẫn vào thông tin di động đã
cải thiện một số nhược điểm mà trước đây chưa làm được. Thuật ngữ thông tin di động
tế bào 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
truyền kênh thoại trên sóng vô tuyến đến thuê bao điện thoại di động. Với FDMA,

Trang 8


CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

người dùng được cấp phát một kênh trong tập hợp có trật tự các kênh trong lĩnh vực
tần 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. Tuy

nhiên hệ thống không thỏa mãn nhu cầu ngày càng tăng của người dùng về cả dung
lượng 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.
Chất lượng thấp và vùng phủ sóng hẹp.
Giải pháp duy nhất để loại bỏ các hạn chế trên là phải chuyển sang sử dụng kỹ

thuật thông tin số cho thông tin di động cùng với kỹ thuật đa truy cập mới ưu điểm hơn
về cả dung lượng và các dịch vụ được cung cấp. Vì vậy đã xuất hiện hệ thống thông tin
di động thế hệ 2.
1.2.2. Hệ thống di động thế hệ 2 (2G)
Hệ thống thông tin di động số sử dụng kỹ thuật đa truy cập phân chia theo thời
gian (TDMA) đầu tiên trên thế giới được ra đời ở châu Âu và có tên gọi là GSM. Với
sự phát triển nhanh chóng của thuê bao, hệ thống thông tin di động thế hệ 2 lúc đó đã
đáp ứng kịp thời số lượng lớn các thuê bao di động dựa trên công nghệ số. Hệ thống

Trang 9


CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

2G 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 sử
dụng 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 thành
các dải tần liên lạc, mỗi dải tần liên lạc này được dùng chung cho N kênh liên lạc, mỗi
kênh liên lạc là một khe thời gian (Time slot) trong chu kỳ một khung. Tin tức được tổ
chức dưới dạng gói, mỗi gói có bit chỉ thị đầu gói, chỉ thị cuối gói, các bit đồng bộ và
các bit dữ liệu. Không như hệ thống FDMA, hệ thống TDMA truyền dẫn dữ liệu không
liên 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 phân
phát các cụm được định trước hoặc phân phát theo thời gian. Ngược lại trong
phương pháp phân định theo yêu cầu các mạch được tới đáp ứng khi có cuộc

-

gọi yêu cầu, nhờ đó tăng được hiệu suất sử dụng mạch.

Trong TDMA các kênh được phân chia theo thời gian nên nhiễu giao thoa
giữa các kênh kế cận giảm đáng kể. TDMA sử dụng một kênh vô tuyến để
ghép nhiều luồng thông tin thông qua việc phân chia theo thời gian nên cần
phải có việc đồng bộ hóa việc truyền dẫn để tránh trùng lặp tín hiệu. Ngoài
ra, vì số lượng kênh ghép tăng nên thời gian trễ do truyền dẫn đa đường

•

không thể bỏ qua được, do đó sự đồng bộ phải tối ưu.
Đa truy cập phân chia theo mã CDMA

Trang 10


CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

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 của
mỗi 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 vô
tuyến đồng thời tiến hành các cuộc gọi, mà không sợ gây nhiễu lẫn nhau. Kênh vô
tuyến CDMA được dùng lại mỗi cell trong toàn mạng, và những kênh này cũng được
phân biệt nhau nhờ mã trải phổ giả ngẫu nhiên PN. Trong hệ thống CDMA, tín hiệu
bản 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 với
tốc độ dữ liệu. Tất cả các users trong một hệ thống CDMA dùng chung tần số sóng
mang 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 đặc
trưng 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 thu

cần phải biết từ mã dùng ở máy phát. Mỗi thuê bao vận hành một cách độc lập mà
không 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 rất
nhỏ và chống fading hiệu quả hơn FDMA, TDMA.
- Việc các thuê bao MS trong cell dùng chung tần số khiến cho thiết bị truyền
dẫn vô tuyến đơn giản, việc thay đổi kế hoạch tần số không còn vấn đề, chuyển giao
trở thành mềm, điều khiển dung lượng cell rất linh hoạt.
- Chất lượng thoại cao hơn, dung lượng hệ thống tăng đáng kể (có thể gấp từ 4
đến 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,
Trang 11


CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

chuyển vùng linh hoạt. Do hệ số tái sử dụng tần số là 1 nên không cần phải quan tâm
đến vấn đề nhiễu đồng kênh.
- CDMA không có giới hạn rõ ràng về số người sử dụng như TDMA và FDMA.
Còn ở TDMA và FDMA thì số người sử dụng là cố định, không thể tăng thêm khi tất
cả các kênh bị chiếm.
- Hệ thống CDMA ra đời đã đáp ứng nhu cầu ngày càng lớn dịch vụ thông tin di
động tế bào.
1.2.3. Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 (3G)
Hệ thống thông tin di động chuyển từ thế hệ 2 sang thế hệ 3 qua một giai đoạn
trung gian là thế hệ 2,5 sử dụng công nghệ TDMA trong đó kết hợp nhiều khe hoặc
nhiều tần số hoặc sử dụng công nghệ CDMA trong đó có thể chồng lên phổ tần của thế
hệ hai nếu không sử dụng phổ tần mới, bao gồm các mạng đã được đưa vào sử dụng

như: GPRS, EDGE và CDMA2000-1x. Ở thế hệ thứ 3 này các hệ thống thông tin di
động 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 hiện
nay, các hệ thống thông tin di động thế hệ 3 gọi là các hệ thống thông tin di động băng
rộng. Nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ 3 IMT-2000 đã được đề
xuất, trong đó 2 hệ thống W-CDMA và CDMA2000 đã được ITU chấp thuận và đưa
vào hoạt động. Các hệ thống này đều sử dụng công nghệ CDMA, điều này cho phép
thực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện vô tuyến của hệ thống thông tin di
động thế hệ 3.
 W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access) là sự nâng cấp của

các 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 dụng
công nghệ CDMA: IS-95.

Trang 12


CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

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 vào
phục vụ từ năm 2001. Mục đích của IMT-2000 là đưa ra nhiều khả năng mới nhưng
cũng 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 chuyển
mạch kênh và số liệu chuyển mạch theo gói.
- Dễ dàng hỗ trợ các dịch vụ mới xuất hiện.
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 công
nghệ truyền thông không dây thứ tư, cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ tối đa trong

Trang 13


CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

điều kiện lý tưởng lên tới 1 cho đến 1.5 Gbps. Công nghệ 4G được hiểu là chuẩn tương
lai 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 khi
đứng yên, cho phép người sử dụng có thể tải và truyền lên hình ảnh động chất lượng

cao.
Thế hệ 4 dùng kỹ thuật truyền tải truy cập phân chia theo tần số trực giao
OFDM, là kỹ thuật nhiều tín hiệu được gởi đi cùng một lúc nhưng trên những tần số
khác nhau. Trong kỹ thuật OFDM, chỉ có một thiết bị truyền tín hiệu trên nhiều tần số
độc lập (từ vài chục cho đến vài ngàn tần số).
4G là hệ thống thông tin băng rộng được xem như IMT tiên tiến (IMT
Advanced) 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 đến
40MHz. Sử dụng hoàn toàn trên nền IP, cung cấp các dịch vụ như điện thoại IP, truy
cập 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 đến
100Mbps ở đường xuống và 50Mbps ở đường lên đối với băng thông 20MHz. Và sẽ
hơn nữa nếu MIMO, các anten mảng được sử dụng. LTE được phát triển đầu tiên ở hai
thủ đô Stockholm và Olso vào ngày 14/12/2009. Giao diện vô tuyến vật lý đầu tiên
được đặt tên là HSOPA (High Speed OFDM Packet Access), bây giờ có tên là EUTRA (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access). Thực tế cho thấy, hầu hết các hãng
sản xuất thiết bị viễn thông hàng đầu thế giới: Alcatel-Lucent, Ericsson, Motorola,
Nokia, Nokia Siemens Networks, Huawei, LG Electronics, Samsung, NEC, Fujitsu. . .
đã bắt tay với các nhà mạng lớn trên thế giới (Verizon Wireless, AT&T, France
Telecom-Orange, NTT DoCoMo, T-Mobile, China Mobile, ZTE. . .) thực hiện các
cuộc 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 đến
Trang 14


CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

đáp ứng được yêu cầu của ITU. LTE Advanced có khả năng tương thích với thiết bị và
chia sẻ băng tần với LTE phiên bản đầu tiên.
Di động WiMAX (IEEE 802. 16e-2005) là chuẩn truy cập di động không dây

băng 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 ở
đường 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 điểm
khác. Nó là kết quả ảnh hưởng do khoảng cách truyền, chướng ngại vật và hiệu ứng đa
đường. Tốc độ thay đổi công suất tín hiệu chậm. Phương trình tính công suất thu được
sau khi truyền qua khoảng cách d:

Trang 15


CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

2

 λ 

PR = PT GT GR 
÷
 4π d 

(1.1)

Trong đó :
PR: Công suất tín hiệu thu được (W)
PT: Công suất phát (W)
GR : Độ lợi anten thu
GT: Độ lợi anten phát
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
truyền thông 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 khác nhau.
Tín hiệu RF truyền qua kênh truyền vô tuyến sẽ lan tỏa trong không gian , va
chạm 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 16


CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

Hình 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 theo
các đường dài ngắn khác nhau nên:
• Thời điểm các bản sao này tới máy thu cũng khác nhau, tức là độ trễ pha giữa
các thành phần này là khác nhau.
• Các bản sao sẽ suy hao khác nhau, tức là biên độ giữa các thành phần này là
khác nhau.
Tín hiệu tại máy thu là tổng của tất cả các bản sao này, tùy thuộc vào biên độ và
pha của các bản sao:

Trang 17


CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

• Tín hiệu thu được tăng cường hay cộng tích cực (constructive addition) khi các
bản sao đồng pha.
• Tín hiệu thu bị triệt tiêu hay cộng tiêu cực (destructive addition) khi các bản
sao 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 diễn
như sau:
(1.2)

trong đó là tín hiệu phức ở băng tần cơ sở. Tín hiệu được gọi là đường bao phức
(complex envelope) hay tín hiệu tương đương thông thấp(complex lowpass equivalent
signal) của . Ta gọi là đường bao phức của bởi vì biên độ và pha của chính là biên độ
và pha của .
Qua kênh truyền fading (gồm L đường vật lý), tín hiệu thu được tại anten thu có
thể được biểu diễn:
(1.3)
Thay (1.2) vào (1.3) ta có:

(1.4)
Như vậy, tín hiệu nhận được ở dải nền được xác định như sau:
(1.5)
Trang 18


CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

Bước tiếp theo, ta sẽ thiết lập một kênh truyền hữu dụng bằng cách chuyển kênh
truyền 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 có băng tần giới hạn là W, khi đó có thể biểu
diễn tương đương là:
(1.6)
với và .
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 với các hệ số là các mẫu tại các thời điểm n/W ( ).
Thay (1.6) vào (1.5) ta được :
(1.7)
Suy ra các mẫu thu được là:
(1.8)

Đặt , suy ra:
(1.9)
Vậy mô hình thời gian rời rạc của kênh truyền vô tuyến được biểu diễn là:
với

.

1.3.3. Nhiễu trắng Gaussian
Nhiễu tồn tại trong tất cả các hệ thống truyền dẫn. Các nguồn nhiễu chủ yếu là
nhiễu nền nhiệt, nhiễu điện từ các bộ khuếch đại bên thu, và nhiễu liên ô ICI (InterCellular Interference). Các loại nhiễu này có thể gây ra nhiễu liên kí tự ISI (InterSymbol Interference), nhiễu liên sóng mang ICI (Inter-Carrier Interference) và méo

Trang 19


CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

xuyên điều chế IMD (Inter-modulation Distortion). Nhiễu này làm giảm tỉ số tín hiệu
trên nhiễu SNR, giảm hiệu quả phổ của hệ thống. Và thực tế là tùy thuộc vào từng loại
ứng 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 chính
xác bằng nhiễu Gaussian trắng cộng. Hay nói cách khác tạp âm trắng Gaussian là loại
nhiễu 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 dạng
kênh 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 các
thành phần nhiễu khác cũng có thể được coi là nhiễu Gaussian trắng cộng tác động trên
từng kênh con, vì xét trên từng kênh con riêng lẻ thì đặc điểm của các loại nhiễu này
thỏa mãn các điều kiện của nhiễu Gaussian trắng cộng.
1.3.4. Hiệu ứng Doppler
Gây ra bởi sự di chuyển tương đối của máy thu, máy phát và sự di chuyển của

các đối tượng trong kênh truyền vô tuyến di động. Những sự di chuyển nhỏ trên mặt
phẳng kênh của sóng dài có thể là nguyên nhân trong sự khác biệt hoàn toàn về chồng
sóng. Khi sự di chuyển tương đối này càng nhanh thì tần số Doppler càng lớn, và do đó
tốc 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 thông
tin 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 giảm
nhiễu ISI do trải trễ.

Trang 20


CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

1.4. Kết luận chương
Chương 1 đã khái quát lại sự phát triển của hệ thống thông tin di động, đồng
thời đã sơ lượt tổng quan của hệ thống thông tin di động thế hệ 4G. Ngoài ra còn nêu ra
những đặc trưng cơ bản của kênh truyền thông không dây như sự suy hao trên đường
truyền, hiệu ứng Doppler, các loại nhiễu xuất hiện trong quá trình truyền tín hiệu như
nhiễu 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 trong
các hệ thống thông tin di động tiên tiến hiện nay. Làm cơ sở cho việc khảo sát các hệ
thống thông tin di động trong các chương sau.

Trang 21


CHƯƠNG 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 thuật
điều chế đa sóng mang, trong đó các ký tự dữ liệu được điều chế thành những song
mang 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 sóng
trong miền thời gian, còn phổ tín hiệu tương ứng với các sóng mang phụ khác nhau
chồng lấn trong miền tần số. Với một băng tần có sẵn, việc chồng lấn phổ của các sóng
mang con này sẽ làm tăng hiệu quả sử dụng phổ lên rất cao, lớn hơn nhiều so với kỹ
thuật 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 để
khắc phục hiện tượng nhiễu liên ký tự ISI trong hiệu ứng trải trễ trong fading đa đường
bằng cách sử dụng khoảng bảo vệ (GI period) tại vị trí bắt đầu của mỗi symbol và rất
thích hợp cho các kênh truyền fading lựa chọn tần số trong thông tin vô tuyến bằng
cách 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 các
kênh băng hẹp.

Trang 22

CHƯƠNG 2 GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO VÀ ĐA TRUY
CẬP PHÂN CHIA THEO KHÔNG GIAN

Một tín hiệu OFDM gồm một số lượng lớn các sóng mang có khoảng cách rất
gần nhau. Khi điều chế các tín hiệu thoại, dữ liệu, … lên sóng mang, phổ của chúng sẽ
chồng lấn lên nhau. Điều cần thiết tại máy thu là phải nhận được toàn bộ tín hiệu của
giải điều chế chính xác dữ liệu. Với các kỹ thuật trước đây như FDM, khi tín hiệu được
truyền gần nhau thì chúng phải được tách biệt nhau để máy thu có thể tách rời chúng
bằng bộ lọc và phải có khoảng băng bảo vệ giữa chúng. Tuy nhiên với những cải tiến
của OFDM, mặc dù phổ của các sóng mang chồng lấn phổ lên nhau, chúng vẫn có thể
đến 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 đã
được 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 qua
phép biến đổi IDFT và phép giải điều chế OFDM có thể được thực hiện bằng phép biến
đổi DFT. Phát minh này cùng với sự phát triển của kỹ thuật số làm cho kỹ thuật điều
chế OFDM được ứng dụng ngày càng rộng rãi. Hơn nữa, thay vì sử dụng IDFT/DFT
người ta có thể sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT/FFT sẽ làm giảm độ phức tạp và
tăng tốc độ xử lý tín hiệu ở máy phát và máy thu.

Trang 23


CHƯƠNG 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
Tín hiệu phát OFDM ở băng tần có sở được truyền đi được biểu diễn như sau:
Trang 24


CHƯƠNG 2 GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO VÀ ĐA TRUY
CẬP PHÂN CHIA THEO KHÔNG GIAN

(2.1)

n ∈ { − N g ,...,0,..., N − 1} N g
trong đó
,
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:
(2.2)
trong đó n

∈

{0,…., N-1}, hl,n,m là đáp ứng xung của kênh truyền fading đa đường và

zn,m là nhiễu trắng cộng Gaussian (AWGN) với công suất nhiễu là N0.
Để không xảy ra nhiễu liên ký tự ISI thì chiều dài Ng của tiền tố lặp CP phải
thỏa mãn Ng≥ L-1.
Tín hiệu yn,m qua bộ S/P được chuyển từ nối tiếp sang song song với tiếp tục

được đưa vào bộ biến đổi FFT. Tín hiệu thu được được biểu diễn như sau:
(2.3)
Trong đó :

Yk,m: tín hiệu thu được trong miền tần số.
Hk,m: đáp ứng kênh truyền trong miền tần số.
ρ k,m

:là nhiễu giao thoa liên sóng mang ICI (Inter-Carrier Interference)
trong hệ thống sử dụng OFDM

Trang 25