Tổng quan các phương pháp đa truy nhập và và kỹ thuật trải phổ

Nội dung Mở đầu: Tài nguyên vô tuyến và đa truy nhập Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA Nguyên lý FDMA Nhiễu giao thoa kênh lân cận Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA Nguyên lý TDMA Tạo cụm Thu cụm Đồng bộ Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA Hệ thống thông tin trải phổ Mô hình hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS:Dạng sóng và phổ tín hiệu CDMA/FDD CDMA/TDD Đa truy nhập phân chia theo không gian SDMA Giới thiệu 1 Mô hình hệ thống đa truy nhập Tài nguyên vô tuyến và đa truy nhập Khái niệm: Tài nguyên vô tuyến và sử dụng hiệu quả tài nguyên vô tuyến: Điều chế, ghép kênh. Đa truy nhập, quy hoạch tần số, điều chế mã hóa thích ứng AMC, MIMO, quy hoạch mạng, mã hóa nguồn tin hiệu quả, nén tín hiệu, phân bổ tài nguyên thích ứng, lập lịch động, điều khiển truy nhập môi trường MAC… Kênh truyền dẫn (sóng mang), kênh đường lên UL và kênh đường xuống DL, phân bổ tài nguyên cho kênh. (Băng tần, độ rộng băng tần, băng thông, phổ tần, dung lượng, tốc độ bit) của kênh, tần số trung tâm. Tín hiệu băng tần cơ sở, tín hiệu thông băng (thông dải). Can nhiễu, lọc nhiễu, băng tần bảo vệ, mã hóa sửa lỗi. Tài nguyên vô tuyến và đa truy nhập Các phương pháp đa truy nhập được xây dựng trên cơ sở phân chia tài nguyên vô tuyến cho các nguồn sử dụng (kênh truyền dẫn) khác nhau Nguyênlý đa truy nhập Tùy vào tài nguyên (phổ tần, khe thời gian, mã) khả dụng mà MS chiếm dụng một (kênh tần số B/N MHz, khe thời gian TS, mã định kênh) trong tập các (kênh tần số, khe thời gian TS, mã định kênh) tương ứng Nguyên lý đa truy nhập Mỗi kênh người sử dụng vô tuyến trong hệ thống vô tuyến tổ ong mặt đất (hay một trạm đầu cuối trong hệ thống thông tin vệ tinh đa trạm) sử dụng một sóng mang có phổ nằm trong băng tần của kênh vào thời điểm hoạt động của kênh. Tài nguyên dành cho kênh được trình bầy ở dạng một hình chữ nhật trong mặt phẳng thời gian và tần số, thể hiện độ rộng băng của kênh và thời gian hoạt động của nó. Để phân biệt được kênh truyền (sóng mang), tài nguyên hệ thống phải được phân chia thành hàm số của: Vị trí năng lượng sóng mang (kênh) ở miền tần số. Nếu phổ của sóng mang chiếm các băng tần con khác nhau, thì máy thu có thể phân biệt các sóng mang bằng cách lọc (nguyên lý FDMA); phương pháp này tạo và khai thác triệt để tính duy nhất về tần số của kênh; cho phép phân tách các kênh có cùng thời điểm, cùng vị trí không gian, cùng mã nhưng khác nhau về tần số. Vị trí năng lượng sóng mang (kênh) ở miền thời gian. Máy thu phân phân tách kênh bằng cách mở cổng theo thời gian; cho phép phân tách các kênh chiếm cùng một băng tần, có cùng mã trải phổ, cùng vị vị trí không gian (nguyên lý TDMA); phương pháp này tạo và khai thác triệt để tính duy nhất về thời gian của kênh. Nguyên lý FDMA và TDMA Vị trí năng lượng sóng mang (kênh) ở miền mã. Máy thu phân tách kênh bằng cách giải mã (dùng mã định kênh). Do mỗi kênh (nguồn phát) có một mã riêng (tính duy nhất-tính trực giao của mã), nên máy thu có thể phân tách các kênh thậm chí chúng đồng thời chiếm cùng một băng tần ở cùng vị trí trong không gian, mã phân biệt kênh được thực hiện bằng các mã PN có tính trực giao và tốc độ lớn hơn tốc độ của ngồn tin (nguyên lý CDMA). Việc sử dụng các mã này dẫn đến sự mở rộng đáng kể phổ tần của kênh ban đầu (phổ tần nguồn tin hữu ích); đây cũng là lý do mà CDMA còn được gọi là đa truy nhập trải phổ SSMA; phương pháp này tạo và khai thác tính duy nhất về mã; cho phép các kênh có cùng tần số, cùng thời điểm, cùng vị trí không gian, nhưng khác nhau về mã. Nguyên lý CDMA Vị trí năng lượng sóng mang (kênh) ở miền không gian. Năng lượng của các nguồn phát khác nhau được phân bổ hợp lý trong không gian để chúng không gây nhiễu cho nhau. Vì các kênh (các nguồn phát) chiếm dụng không gian được quy định trước, nên máy thu có thể phân tách nguồn phát ngay cả khi chúng đồng thời phát trong cùng một băng tần có cùng mã định kênh, (nguyên lý SDMA); phương pháp này tạo và khai thác tính duy nhất về không gian; cho phép các kênh có cùng tần số, cùng thời điểm, cùng mã định kênh, nhưng khác nhau về không gian. Một số biện pháp để thực hiện SDMA như: Tái sử dụng tần số là phương pháp sử dụng lặp tần số cho các nguồn phát tại các khoảng cách đủ lớn trong không gian để chúng không gây nhiễu cho nhau, và khoảng cách cần thiết để các nguồn phát cùng tần số không gây nhiễu cho nhau được gọi là khoảng cách tái sử dụng tần số. Dùng các anten thông minh (Smart Anten) cho phép tập trung năng lượng sóng mang của nguồn phát phát vào hướng có lợi nhất cho máy thu chủ định và tránh gây nhiễu cho các máy thu khác. Nguyên lý SDMA Kết hợp ba dạng đa truy nhập cơ sở thành dạng đa truy nhập lai ghép Multiple Access Schemes Phương pháp ghép song công FDD và TDD: Phương pháp ghép song công theo tần số (FDD: Frequency Division Duplex) là phương pháp mà tín hiệu phát/thu của một máy thuê bao đồng thời được phát/thu trên hai băng tần tần con khác nhau. Chế độ ghép song công theo thời gian (TDD: Time Division Duplex) là chế độ mà tín hiệu phát/thu của một máy thuê bao được phát/thu trên cùng tần số nhưng khoảng thời gian phát thu khác nhau. Đa truy nhập Đa truy nhập FDD thường để đáp ứng nhu cầu của thị trường nơi không thể sử dụng TDD do quy định tần số hoặc triển khai FDD thuận lợi hơn; băng thông đường lên/xuống của FDD cố định và bằng nhau dược trung tâm tại hai tần số sóng mang khác nhau. TDD đòi hỏi có các biện pháp chống nhiễu, tuy nhiên TDD có lợi điểm sau: TDD cho phép điều chỉnh tỷ lệ đường lên/đường xuống để hỗ trợ hiệu quả lưu lượng đường lên/đường xuống không đối xứng. TDD đảm bảo tính đổi lẫn kênh đường lên và đường xuống vì thế hỗ trợ tốt hơn cho truyền dẫn thích ứng, MIMO và các công nghệ anten tiên tiến vòng kín khác. TDD chỉ cần một kênh mang tần số vì thế cho phép thích ứng tốt hơn đối với các cấp phát tần số khác nhau trên thế giới Thiết kế máy phát thu TDD ít phức tạp hơn và vì thế rẻ tiền hơn. Đa truy nhập Ấn định băng thông FDD theo cụm Minh họa FDD dùng trong WiMAX SS song công Tx/Rx đồng thời trên 2 tần số khác nhau; SS bán song công, thu phát không đồng thời, dẫn đến TRG; RTG (đồng bộ) Đa truy nhập Minh họa TDD dùng trong WiMAX Cấu trúc khung TDD FDMA 2 Nguyên lý FDMA FDMA/FDD FDMA/TDD Nhiễu giao thoa kênh lân cận ACI FDMA là phương thức đa truy nhập trong đó mỗi kênh được cấp phát một băng tần số cố định bằng cách: (i) Chia độ rộng băng tần cấp phát cho hệ thống B MHz thành n băng tần con (B/n MHz); (ii) Ấn định mỗi băng tần con (B/n MHz) cho một kênh riêng. Để đảm bảo FDMA tốt tần số phải được phân chia và quy hoạch thống nhất trên toàn thế giới, tính đến khoảng bảo vệ cho từng kênh nhằm tránh nhiễu kênh lân cận (ACI: Adjacent Channel Interference) cũng như sự không hoàn thiện các bộ lọc và bộ dao động. Nguyên lý FDMA Nguyên lý FDMA FDMA và nhiễu giao thoa kênh lân cận Phân bố tần số và FDMA/FDD Phân bố tần số và FDMA/TDD Nguyên lý đa truy nhập Có thể nói rằng: Các hệ thống đa truy nhập khám phá và tạo ra các tài nguyên (tần số, thời gian, mã, không gian) có tính duy nhất và khai thác triệt để tính duy nhất vào mục đích truyền thông Tài nguyên truyền thông và DWDM Các phương pháp ghép kênh được xây dựng trên cơ sở phân chia tài nguyên truyền thông khả dụng cho các nguồn phát (kênh truyền dẫn) khác nhau Nguyên lý ghép kênh Xu hướng tất yếu của NGN: Sử dụng hết, sử dụng hiệu quả tài nguyên và đảm bảo chất lượng => phân chia tài nguyên khả dụng, gán, cấp phát, phân bổ, định tuyến một cách hiệu quả => cơ chế động & thích ứng => tăng tính phức tạp trong quản lý tài nguyên (định tuyến, điều khiển luồng, tài nguyên địa chỉ) sử dụng hết tài nguyên Tài nguyên của hệ thống WDM được hiểu là cửa sổ truyền dẫn của sợi quang, WDM cho phép truyền nhiều bước sóng quang trên cùng một sợi quang Triển khai đa truy nhập, chuyển mạch, IP => sử dụng hiệu quả Thuật toán quản lý tài nguyên và cấp phát phân bổ đại chỉ IP, gán, phân bổ, định tuyến, điều khiển luồng Nguồn phát quang độ rộng phổ nhỏ trong khi đó tài nguyên độ rộng băng tần của sợi quang rất lớn => WDM Càng phân nhỏ tài nguyên khả dụng tính đa dạng (phức tạp) về cấu hình, quản lý càng cao đa dạng về dịch vụ càng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên càng cao dung hòa và tối ưu Quá trình phát triển của DWDM Sự khác nhau cơ bản giữa WDM và DWDM là mức độ ghép => DWDM đạt được dung lượng lớn hơn. DWDM là giải pháp khai thác triệt để tài nguyên phổ tần của sợi quang ? Càng phân chia nhỏ đơn vị tài nguyên => hiệu quả càng cao, đáp ứng tính đa dạng của loại hình dịch vụ….=> tăng mức độ quản lý, phân bổ,…. IP OVERWDM Overall reduction of equipment costs and management complexity Improved bandwidth efficiency Khái niệm: kênh logic, kênh vật lý; giao diện và giao thức; chồng giao thức/giao diện vật lý Phân loại tài nguyên: (tài nguyên tự nhiên, tài nguyên nhân tạo) Tài nguyên logic, giao thức (tài nguyên địa chỉ…); Tài nguyên phổ , tần số,… (giao diện) Phân loại hệ thống WDM Các chế độ truyền dẫn WDM BWDM: Ghép kênh theo bước sóng băng rộng Ghép 2 kênh bước sóng ở 2 cửa sổ truyền dẫn quang khác nhau Chi phí thấp Dung lượng và khoảng cách bị giới hạn CWDM: Ghép kênh theo bước sóng thô (lỏng) Ghép các kênh bước sóng có khoảng cách kênh 20 nm hoặc 2500 GHz theo tiêu chuẩn ITU G.694.2 trong dải 1270 – 1610 nm. Ứng dụng trong các hệ thống truyền tải khoảng cách ngắn (≤ 50 km), tốc độ kênh tối đa 2,5G b/s. Chi phí không cao, dung lượng có giới hạn (18 s) DWDM: Ghép kênh theo bước sóng mật độ cao Ghép các kênh bước sóng có khoảng cách kênh ≤ 200 GHz (200,100,50,25,… GHz) theo tiêu chuẩn ITU G.692. Ứng dụng trong các hệ thống truyền tải từ khoảng cách ngắn đến khoảng cách dài có dung lượng lớn. Chi phí tăng theo chiều dài hệ thống, tăng số lượng kênh  (giảm ) Phân loại hệ thống WDM Phân loại hệ thống WDM Phân loại hệ thống WDM Wavelength regions for WDM Phân loại hệ thống WDM Channel number versus wavelength setting accuracy Phân loại hệ thống WDM WDM features Mô hình hệ thống WDM Nguyên lý TDMA TDMA/FDD TDMA/TDD Tạo và thu cụm Đồng bộ Nguyên lý TDMA Nguyên lý TDMA/FDD và TDMA/TDD Tạo cụm ở hệ thống TDMA Cụm: lưu đệm dữ liệu người dùng và ghép thông tin điều khiển bổ sung; phù hợp hóa tính đa dạng loại hình kênh logic (thông tin và báo hiệu điều khiển…) Mỗi cụm gồm thông tin lưu lượng và thông tin bổ sung: Đầu đề chứa: Thông tin để: (i) khôi phục sóng mang CR; (ii) đồng bộ đồng hồ bit của máy thu BTR. Từ duy nhất UW để xác định khởi đầu của một cụm và giải quyết sự không rõ ràng về pha trong giải điều chế nhất quán. Nhận dạng kênh CI. Báo hiệu và điều khiển Kiểm tra đường truyền Tạo cụm ở hệ thống TDMA Thu cụm trong TDMA Đồng bộ ở TDMA Đồng bộ để xác định đúng vị trí của cụm ở máy thu/phát. Nếu là máy di động, thì đồng bộ còn phải xét vị trí so với trạm gốc. So với FDMA, TDMA cho phép tiết kiệm tần số và thiết bị thu phát hơn. Tuy nhiên để đáp ứng dung lượng, thường kết hợp TDMA với FDMA như GSM. Nhược điểm của TDMA là đòi hỏi đồng bộ tốt và thiết bị phức tạp hơn FDMA khi cần dung lượng truyền dẫn cao, ngoài ra do đòi hỏi xử lý số phức tạp nên xẩy ra hiện tượng hồi âm. Nguyên lý CDMA Trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS Trải phổ nhẩy tần FHSS Trải phổ nhẩy thời gian THSS CDMA/FDD CDMA/TDD NGUYÊN LÝ CDMA CDMA là phương thức đa truy nhập dựa trên nguyên lý trải phổ, ở đó mỗi kênh được cấp một cặp tần số và một mã duy nhất. Tồn tại ba phương pháp trải phổ cơ bản: Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS: Direct-Sequence Spreading Spectrum) Trải phổ nhẩy tần (FHSS: Frequency- Hopping Spreading Spectrum) Trải phổ nhẩy thời gian (THSS: Time- Hopping Spreading Spectrum) Có thể kết hợp các phương pháp trên để tạo hệ thống lai ghép Một hệ thống thông tin số được coi là SS nếu: Tín hiệu phát chiếm độ rộng băng tần lớn hơn độ rộng băng tần tối thiểu cần thiết để mang thông tin. Trải phổ được thực hiện bằng một mã độc lập với số liệu. Sơ đồ khối hệ thống thông tin số điển hình với trải phổ (cấu hình hệ thống mặt đất và vê tinh) Tb = thời gian một bit của luồng số cần phát Tn = Chu kỳ của mã giả ngẫu nhiên dùng cho trải phổ Tc = Thời gian một chip của mã trải phổ Trải phổ chuỗi trực tiếp (DS_SS) Direct Sequence Spread Spectrum DS_SS Note: T=Tb Direct Sequence Spread Spectrum DS-SS Direct Sequence Spread Spectrum DS-SS Direct Sequence Spread Spectrum DS-SS Trải phổ nhẩy tần (FHSS) Hệ thống FHSS đạt được SS bằng cách nhẩy tần số mang trên một tập (lớn) các tần số. Mẫu nhẩy tần có dạng giả ngẫu nhiên. Tần số trong khoảng thời gian của một chip Tc giữ nguyên không đổi. Tốc độ nhẩy tần có thể nhanh hoặc chậm. Nhẩy tần nhanh được thực hiện ở tốc độ cao hơn tốc độ bit của bản tin. Nhẩy tần chậm được thực hiện ở tốc độ thấp hơn tốc độ bit của bản tin. Trải phổ nhẩy thời gian (THSS) Hệ thống THSS đạt được SS bằng cách nén một khối bit số liệu và phát ngắt quãng trong một hay nhiều khe thời gian trong một khung chứa số lượng lớn khe thời gian. Mẫu nhẩy thời gian xác định khe thời gian nào được sử dụng để truyền dẫn trong mỗi khung. Mô hình đơn giản của hệ thống DS_SS Mô hình đơn giản của hệ thống DS_SS Tín hiệu ở đầu vào của máy phát k Sau bộ chuyển đổi mức Nguyên lý DSSS (dạng sóng-miền thời gian) Tính chất của mã trực giao: Biểu diễn mã trải phổ: Nguyên lý DSSS (dạng sóng-miền thời gian) Tín hiệu phát vô tuyến điều chế BPSK Tín hiệu thu vô tuyến Coi rằng: (i) máy thu được đồng bộ sóng mang và đồng bộ mã trải phổ với máy phát; (ii) bỏ qua tạp âm nhiệt của đường truyền và chỉ xét nhiễu của K-1 người sử dụng trong hệ thống; (iii) công suất tín hiệu thu tại máy thu k thuộc K người sử dụng bằng nhau; (iv) bỏ qua trễ truyền sóng Nguyên lý DSSS (dạng sóng-miền thời gian) Tín hiệu sau giải điều chế BPSK Tín hiệu sau bộ tích phân (đầu vào mạch quyết định) Nguyên lý DSSS (dạng sóng-miền thời gian) Nguyên lý DSSS (phổ của tín hiệu-miền tần số) Phổ của luồng số đơn cực bk(t) Phổ của luồng số lưỡng cực dk(t) (đầu vào trải phổ) Nguyên lý DSSS (phổ của tín hiệu-miền tần số) Phổ của tín hiệu sau điều chế BPSK Phổ của luồng số sau trải phổ Nguyên lý DSSS (phổ của tín hiệu-miền tần số) Phổ của tín hiệu thu ở đầu vào máy thu k Phổ của tín hiệu sau giải trải phổ của máy thu k Mật độ phổ công suất của luồng bit lưỡng cực d(f) và luồng số sau trải phổ dc(f) khi Tb=5Tc. Nguyên lý DSSS (phổ của tín hiệu-miền tần số) PSD , W / Hz } Nguyên lý DSSS (phổ của tín hiệu-miền tần số) PSD thu từ máy phát k và từ tất cả các máy phát khác Phổ tín hiệu sau bộ lọc băng thông Nguyên lý DSSS (phổ của tín hiệu-miền tần số) Nguyên lý CDMA/FDD Nguyên lý CDMA/TDD Ưu nhược điểm của CDMA Ưu điểm của CDMA so với FDMA và TDMA: Cho dung lượng cao hơn Khả năng chống nhiễu và phađinh tốt hơn Bảo mật thông tin tốt hơn Dễ dàng áp dụng cho các hệ thống đòi hỏi cung cấp linh hoạt dung lượng kênh cho từng người sử dụng Cho phép chuyển giao lưu lượng mềm giữa các vùng phủ sóng nhờ dẫn đến không mất thông tin khi chuyển giao. Do sử dụng chung tần số cho nhiều người sử dụng nên quy hoạch mạng cũng đơn giản hơn Nhược điểm: Đồng bộ phức tạp hơn: Ngoài đồng bộ định thời còn phải đồng bộ mã Cần nhiều mạch điện xử lý số hơn Mạng chỉ cho hiệu suất sử dụng cao khi nhiều người cùng sử dụng chung tần số SDMA 5 SDMA được sử dụng ở tất cả các hệ thống thông tin vô tuyến tổ ong (hệ thống tương tự và hệ thống số). SDMA được sáng tỏ nhất ở các hệ thông thông tin vô tuyến tổ ong, cho phép đa truy nhập đến một kênh vô tuyến chung (hay tập kênh) trên cơ sở (tùy theo vị trí của MS). Yếu tố hạn chế đối với SDMA là hệ số tái sử dụng tần số ( trong đó nhièu người dùng chia sẻ đồng thời cùng một tần số), họ phải đủ xa để giảm thiểu can nhiễu đồng kênh. Tập các tần số trong cùng một ô có thể đựơc lặp lại ở các ô khác trong hệ thống nếu đảm bảo đủ khoảng cách giữa các ô sử dụng cùng tần số để ngăn chặn nhiễu giao thoa đồng kênh. Tồn tại rất nhiều sơ đồ SDMA trong các hệ thống tổ ong hiện nay: ô mini, ô micro, ô phân đoạn, ô dù che và các anten thông minh. Đây là các phương pháp phân chia không gian trong đó các máy di động làm việc với độ phân giải không gian cao hơn và nhờ vậy rút ngắn khoảng cách giữa các người sử dụng mà không vi phạm các quy định về nhiễu đồng kênh. Nguyên lý SDMA Nguyên lý SDMA Ô micro được phủ sóng bởi các trạm gốc có công suất rất thấp ở các vùng mật độ lưu lượng cao trong hệ thống. Ô dù phủ là các ô rất lớn được thiết kế để gánh đỡ tải cho các ô micro Ô phân đoạn là các ô được phủ sóng bới các đoạn ô 1200 hoặc 600 bằng các anten có tính hướng nhờ vậy tăng được dung lượng hệ thống. Anten thông minh là phát kiến mới nhất cho hệ thống thông tin tổ ong vô tuyến. Các anten này tạo ra các búp sóng khá hẹp nhờ vậy tăng đáng kể vùng phủ sóng và dung lượng hệ thống. Ph­¬ng ph¸p « dï Ô dù lớn (lưu lượng, vận tốc cao) Các Ô Micro (lưu lượng, vận tốc thấp) Nguyên lý SDMA (Vùng phủ sóng của trạm gốc ở vô tuyến tổ ong) Phủ sóng có hướng: mỗi ô được chia thành ba đoạn ô lệch nhau 1200 Phủ sóng vô hướng Nguyên lý SDMA (Anten thông minh) Hệ thống anten thích ứng Hệ thống búp hướng chuyển mạch Dung lượng hệ thống FDMA, TDMA Dung lượng hệ thống CDMA Note 6 Multiple Access Schemes