Tổng quan về truyền thông không dây (overview of wireless systems )

1BÀI 1: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY (Overview of Wireless Systems ) Facuty of Electronics & Telecommunications Đặng Lê Khoa Email:danglekhoa@yahoo.com dlkhoa@fetel.hcmuns.edu.vn 2Nội dung trình bày: 1. Tổng quan về mạng không dây Lịch sử phát triển Các thử thách thiết kế Các mạng hiện tại và tương lai Mạng điện thoại tế bào Mạng máy tính không dây 2. Hệ thống truyền thông số Tại sao phải truyền thông số Hệ thống truyền thông số cơ bản 3. Một số khái niệm Facuty of Electronics & Telecommunications 31. Tổng quan về mạng không dây Facuty of Electronics & Telecommunications 4• Thời cổ: Khói thuốc, bồ câu đưa thư, … • Sóng vô tuyến được phát minh 1880 bởi Marconi • Nhiều hệ thống vô tuyến không dây được phát triển công phu trong và sau chiến tranh thứ 2 • Điện thoại tế bào được phát triển từ 1988, đến nay khoảng 3 tỉ thuê bao Thúc đẩy phát triển thiết bị không dây Tiếng nói, dữ liệu, truyền thông đa phương tiện có mặt ở khắp nơi • Sự thành công và phát triển mạnh của Wifi Các mạng rộng khắp (vd: Wimax) và các mạng ở khoảng cách ngắn như Bluetooth, UWB ít thành công hơn Facuty of Electronics & Telecommunications Lịch sửWireless 1. Tổng quan về mạng không dây 5Truy cập Internet không dây Thế hệ điện thoại tế bào thứ n Các mạng không dây Ad Hoc Thiết bị giải trí không dây Ngôi nhà thông minh … Khó khăn hạn chế về thời gian trễ Khó khăn hạn chế năng lượng Thông tin có mặt ở khắp nơi giữa người và thiết bị Facuty of Electronics & Telecommunications Các mạng không dây của tương lai 1. Tổng quan về mạng không dây 6• Hạn chế của dung lượng kênh truyền • Mô hình lưu thông, định vị user, điều kiện mạng luôn thay đổi • Các ứng dụng không đồng nhất • Giới hạn về năng lượng và độ trễ của thiết kế khi đi qua các lớp của hệ thống Facuty of Electronics & Telecommunications Các thử thách khi thiết kế 1. Tổng quan về mạng không dây 7• Các hệ thống Wireless hiện tại – 3G Cellular: ~200-300 Kbps. – WLANs: ~450 Mbps (và đang phát triển). • Đang thực hiện mạng thế hệ sau – 4G Cellular: Khả năng OFDM/MIMO – 4G WLANs, 3G vừa hoàn thành • Các kỹ thuật quan tâm – Hardware: Better batteries. Better circuits/processors. – Link: Antennas, modulation, coding, adaptivity, DSP, BW. – Network: Không nhiều: more efficient algorithms – Application: Soft and adaptive QoS. Facuty of Electronics & Telecommunications Sự phát triển của các hệ thống hiện tại 1. Tổng quan về mạng không dây 8Rate Mobility 2G 3G 4G 802.11b WLAN 2G Cellular Các vấn đề khác: Rate vs. Coverage Rate vs. Delay Rate vs. Cost Rate vs. Energy Facuty of Electronics & Telecommunications Thế hệ tương lai 1. Tổng quan về mạng không dây 9Voice VideoData Delay Packet Loss BER Data Rate Traffic <100ms - <100ms <1% 0 <1% 10-3 10-6 10-6 8-32 Kbps 1-100 Mbps 1-20 Mbps Continuous Bursty Continuous Facuty of Electronics & Telecommunications Các yêu cầu cho truyền thông đa phương tiện 1. Tổng quan về mạng không dây Tất cả các yêu cầu trên phải thỏa 10 • Cellular Systems • Wireless LANs • WIMAX • Satellite Systems • Bluetooth • Ultrawideband radios • Zigbee radios Các hệ thống hiện tại Facuty of Electronics & Telecommunications 1. Tổng quan về mạng không dây 11 Hệ thống truyền thông không dây tế bào Base Station (BS) User Equipment (UE) UE UE UE Facuty of Electronics & Telecommunications 1. Tổng quan về mạng không dây 12 Wireless Local Area Networks (WLANs) • WLANs kết nối “local” các máy tính (khoảng 100m) • Chia data thành các gói • Truy cập kênh được chia sẽ (random access) • Dựa trên cung cấp các dịch vụ Internet -> Chất lượng dịch vụ kém ở một số ứng dụng (vd: video) 01011011 Internet Access Point 0101 1011 Facuty of Electronics & Telecommunications 1. Tổng quan về mạng không dây 13 Các chuẩn của Wireless LAN • 802.11b – Băng tần 2.4GHz (80 MHz) – Trải phổ trực tiếp (DSSS) – Tốc độ 11 Mbps, khoảng 150m • 802.11a/g – Băng tần 5GHz (300 MHz) – OFDM trong 20 MHz – Tốc độ 54 Mbps, khoảng 30 – 60 m • 802.11n – Băng tần 2.4 GHz và 5 GHz – Thích nghi OFDM /MIMO ở 20/40 MHz (2-4 antennas) – Tốc độ đến 600Mbps, khoảng 60m 1. Tổng quan về mạng không dây Facuty of Electronics & Telecommunications 14 Wimax (802.16) • Mạng không dây diện rộng – Kiến trúc hệ thống giống như mạng tế bào – Hy vọng tương thích với mạng tế bào – Kỹ thuật chính để truyền là OFDM/MIMO • Hoạt động ở băng tần 2.5 và 3.5 MHz – Phụ thuộc vào từng quốc gia, còn có thể sử dụng 5.8 – Băng thông là 3.5-10 MHz • Fixed (802.16d) và Mobile (802.16e) Wimax – Fixed: 75 Mbps (max), bán kín 80km – Mobile: 15 Mbps (max), bán kín 1600m 1. Tổng quan về mạng không dây Facuty of Electronics & Telecommunications 15 8C32810.61-Cimini-7/98 Bluetooth • Thay thế nối Cable bằng kỹ thuật RF • Khoảng cách ngắn (10m, mở rộng 100m) • Băng tầng 2.4 GHz • 1 kênh Data (700 Kbps) và 3 kênh voice • Tương tích nhiều thiết bị như thiết bị viễn thông, PC và các thiết bị điện tử khác • Các ứng dụng nhằm thay thế cable 1. Tổng quan về mạng không dây Facuty of Electronics & Telecommunications 16 Thử thách cùng tồn tại Nhiều thiết bị cùng tồn tại một băng tần vô tuyến • Các giải pháp kỹ thuật: – Loại can nhiễu ( Interference ) – Nhận biết/thông minh sóng vô tuyến 1. Tổng quan về mạng không dây Facuty of Electronics & Telecommunications 17 Thiết bị mạng thế hệ sau 1. Tổng quan về mạng không dây Mọi thứ không dây trên cùng 1 thiết bị Facuty of Electronics & Telecommunications 18 Thử thách khi tích hợp nhiều thiết bị • Can nhiễu RF • Nơi đặt các antenna • Kích thước • Năng lượng tiêu thụ Cellular Apps Processor BT Media Processor GPS WLAN Wimax DVB-H FM/XM 1. Tổng quan về mạng không dây Facuty of Electronics & Telecommunications 19 2. Giới thiệu hệ thống DCS Facuty of Electronics & Telecommunications 20 Tín hiệu analog và Digital 2. Tín hiệu Digital: hàm rời rạc ->> biểu diễn bằng các xung (ON hoặc OFF) –> 2 trạng thái 2. Giới thiệu hệ thống DCS Facuty of Electronics & Telecommunications Một tín hiệu có thể được định nghĩa như là 1 hàm theo thời gian 1. Tín hiệu analog: hàm liên tục (continuous) ->> biểu diễn hình dạng khác nhau… 21 Tại sao phải truyền thông số? Propagation distance Original pulse Regenerated pulse Các lợi ích của truyền thông số: - Khôi phục ở đầu thu Data Voice Media A bit is a bit! - Các loại tín hiệu khác nhau được xử lý tương tự nhau 2. Giới thiệu hệ thống DCS Facuty of Electronics & Telecommunications 22 Các lợi ích khác: • Lỗi rất thấp ->> Không lỗi • Ghép kênh ->> FDM, TDM • Mã hóa bảo mật ->> Các dữ liệu an toàn • Nén ->> Hệ số cao • Đa truy cập ->> FDMA, TDMA, CDMA • Da dạng trong xử lý ->> Phần mềm • Độ ổn định & Giá rẻ ->> VLSI 2. Giới thiệu hệ thống DCS Facuty of Electronics & Telecommunications Tại sao phải truyền thông số? 23 2. Giới thiệu hệ thống DCS Cấu trúc chung của DCS Formatter Source encoder Channel encoder Modulator Formatter Source decoder Channel decoder Demodulator Transmitter Receiver SOURCE Info. Transmitter Transmitted signal Received signal Receiver Received info. Noise ChannelSource User RF RFEqualization Facuty of Electronics & Telecommunications 24 2. Giới thiệu hệ thống DCS RF (Transmitter) Facuty of Electronics & Telecommunications P A Power Amplifier Up-Converter Local OscillatorBand Pass Filter Mixer Band Pass Filter 25 2. Giới thiệu hệ thống DCS RF (Receiver) Facuty of Electronics & Telecommunications Down-Converter LN A Low Noise Amplifier Mixer Local Oscillator Band Pass Filter 26 3. Một số khái niệm Facuty of Electronics & Telecommunications 27 Phân loại tín hiệu • Tín hiệu xác định và ngẫu nhiên – Tín hiệu xác định: biết được tín hiệu tại bất cứ thời điểm nào – Tín hiệu ngẫu nhiên: không biết được giá trị tín hiệu trứơc khi xảy ra. • Nhiễu nhiệt trong mạch điện tử do chuyển động ngẫu nhiên của điện tử. • Phản xạ của sóng vô tuyến từ các lớp tầng khác nhau trong khí quyển 3. Một số khái niệm Facuty of Electronics & Telecommunications 28 • Các tín hiệu tuần hoàn và không tuần hoàn • Tín hiệu tương tự và rời rạc A discrete signal Analog signals A non-periodic signalA periodic signal 3. Một số khái niệm Facuty of Electronics & Telecommunications Phân loại tín hiệu (tt) 29 Tín hiệu năng lượng và tín hiệu công suất – Một tín hiệu là một tín hiệu năng lượng nếu và chỉ nếu chúng khác 0 nhưng có năng lượng hữu hạn ở mọi thời gian 3. Một số khái niệm Facuty of Electronics & Telecommunications Phân loại tín hiệu (tt) – Một tín hiệu là tín hiệu công suất nếu và chỉ nếu chúng hữu hạn và có công suất khác 0 ở mọi thời điểm: 30 Tự tương quan • Tự tương quan của một tín hiệu năng lượng • Tự tương quan của một tín hiệu công suất – Đối với 1 tín hiệu tuần hoàn • Tự tương quan của 1 tín hiệu ngẫu nhiên 3. Một số khái niệm Facuty of Electronics & Telecommunications 31 Mật độ phổ • Tín hiệu năng lượng: – Energy spectral density (ESD): • Tín hiệu công suất: – Power spectral density (PSD): • Quá trình ngẫu nhiên: – Power spectral density (PSD): 3. Một số khái niệm Facuty of Electronics & Telecommunications 32 Nhiễu trong hệ thống truyền thông • Nhiễu nhiệt n(t) được diễn tả bởi một quá trình ngẫu nhiên Gaussian có trị trung bình bằng 0. • PSD của nhiễu nhiệt thì phẳng vì vậy gọi là nhiễu trắng. [w/Hz] Probability density function Power spectral density Autocorrelation function 3. Một số khái niệm Facuty of Electronics & Telecommunications 33 Quan hệ giữa SNR với Eb/No và Es/No • SNR (Signal to Noise Ratio): Tỉ số giữa năng lượng tín hiệu trên năng lượng nhiễu • Eb/No: Tỉ số giữa năng lượng 1 bit tín hiệu trên biên độ phổ năng lượng nhiễu • Es/No: Tỉ số giữa năng lượng 1 symbol tín hiệu trên biên độ phổ năng lượng nhiễu • Khi truyền tín hiệu giải gốc không điều biến, không mã hóa kênh, symbol tín hiệu là 1 bit, năng lượng của tín hiệu là năng lượng của 1 bit. SNR = Eb/No = Es/No 3. Một số khái niệm Facuty of Electronics & Telecommunications 34 Quan hệ giữa SNR với Eb/No và Es/No • Khi có mã hóa kênh tốc độ code r (r<1) Es/No = r.Eb/No, hay (Es/No) [dB] = (Eb/No) [dB] + 10log10(r)Î Es/No < Eb/No • Khi có điều biến, ghép k bit thành 1 symbol complex Es/No = k.Eb/No, hay (Es/No) [dB] = (Eb/No) [dB] + 10log10(k)Î Es/No > Eb/No • Khi có mã hóa kênh và điều biến Es/No = k.r.Eb/No, hay (Es/No) [dB] = (Eb/No) [dB] + 10log10(k.r) Quan hệ giữa SNR và Es/No Es/No [dB] = 10log10(K.T_symbol/T_sampling) + SNR [dB] 3. Một số khái niệm Facuty of Electronics & Telecommunications 35 Truyền tín hiệu trên hệ thống tuyến tín Tín hiệu xác định: – Tín hiệu ngẫu nhiên: • Sự méo dạng tín hiệu trên đường truyền: Tất cả các thành phần tần số của tín hiệu không xuất hiện ở máy thu giống như ban đầu. Các tín hiệu này sẽ bị trễ và biệ độ sẽ được tăng lên hoặc bị suy giảm Input Output Linear system 3. Một số khái niệm Facuty of Electronics & Telecommunications 36 Bài tập Câu 1: Nêu các mạng truyền thông không dây hiện tại Câu 2: Xu hướng mạng tương lai và các thách thức trong phát triển mạng không dây Câu 3: Các lợi ích trong truyền thông số Câu 4: Giải thích các khối trong hệ thống DCS Câu 5: Ý nghĩa của phép tự tương quan Câu 6: Biết hệ thống không mã hóa kênh và có 8 bit/symbol bị nhiễu trắng có SNR = 10dB. Tìm ? Facuty of Electronics & Telecommunications σ