Một số khái niệm cơ bản về viễn thông

Nội dung text: Một số khái niệm cơ bản về viễn thông

1. Một số khái niệm cơ bản về viễn thông Hiện tượng Multipath-Fading 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 hoặc/và 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. 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. 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:
2. • 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: • 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. Tuỳ theo mức độ của multipath-fading ảnh hưởng tới đáp ứng tần số của mỗi kênh truyền mà ta có kênh truyền chọn lọc tần số (frequency selective fading channel) hay kênh truyền phẳng (frequency nonselective fading channel), kênh truyền biến đổi nhanh (fast fading channel) hay kênh truyền biến đổi chậm (slow fading channel). Tuỳ theo đường bao của tín hiệu sau khi qua kênh truyền có phân bố xác suất theo hàm phân bố Rayleigh hay Rice mà ta có kênh truyền Rayleigh hay Ricean. Các kỹ thuật Đa Truy Cập (Multiple Access Techniques) Có 3 kỹ thuật đa truy cập phổ biến là FDMA, TDMA và CDMA, ngoài ra còn có 2 kỹ thuật ít phổ biến hơn là OFDMA (còn khá mới) và SDMA. I/ Đa truy cập theo phân chia tần số FDMA (Frequency Division Multiple Access) Theo kỹ thật này, mỗi một người sử dụng trong một tế bào (cell) được phân chia một dải tần số (băng tần) nhất định, các băng tần của những người sử dụng khác nhau sẽ không trùng nhau (non-overlap). Người sử dụng gửi và nhận tín hiệu trong băng tần mình được phân chia và tất cả mọi người trong mạng đều gửi/nhận tín hiệu đồng thời. Vì rằng mỗi người sử dụng truyền và nhận tín hiệu trong băng tần của mình cho nên những người sử dụng trong một tế bào (cell) không gây nhiễu cho nhau (lý tưởng). Tuy nhiên, do yêu cầu cần có một số lượng lớn người sử dụng trong mạng, các băng tần sẽ được sử dụng lại ở các tế bào khác. Chình vì vậy có thể có những người sử dụng ở tế bào A gây nhiễu cho một người sử dụng ở tế bào B gần đó do hai người sử dụng này dùng chung một băng tần. Nhiễu này gọi là nhiễu đồng kênh (co-channel interference). II/ Đa truy cập theo phân chia thời gian TDMA (Time Division Multiple Access)
3. Trong cách truy cập này, mỗi người sử dụng được phân chia một khoảng thời gian, gọi là khe thời gian (time-slot) nhất định để truyền và nhận thông tin. Trong khe thời gian mà người sử dụng A truyền và nhận tín hiệu thì tất cả mọi người sử dụng khác trong cùng tế bào đó không được truyền và nhận tín hiệu. Như vậy mọi người sử dụng trong cùng một tế bào cũng không gây nhiễu cho nhau (lý tưởng) bởi ở một thời điểm cụ thể chỉ có một người duy nhất truyền và nhận tín hiệu. Tuy nhiên, cùng thời điểm đó cũng có thể có một người sử dụng ở tế bào bên cạnh truyền và nhận tín hiệu cho nên trong cách truy cập này cũng có nhiễu đồng kênh. III/ Đa truy cập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access) Đây là một cách truy cập khác hẳn hai cách trên. Theo cách này, tất cả mọi người sử dụng trong một tế bào cùng truyền/nhận thông tin một lúc và trên cùng một băng tần số. Do vậy vấn đề nhiễu lẫn nhau giữa những người sử dụng trong cùng một tế bào, giữa những người sử dụng ở các tế bào cạnh nhau (do việc sử dụng lại tần số ở các tế bào cạnh nhau) là một vấn đề lớn nhất trong cách truy cập CDMA này. Để khắc phục vấn đề này, mỗi người sử dụng trong một tế bào sẽ được gán một mã (code) đặc biệt và không có hai người sử dụng nào trong cùng một tế bào có cùng một mã (có nghĩa là mỗi người có một mã riêng biệt). Máy thu sẽ căn cứ vào mã của mỗi người sử dụng để khử bớt (không thể khử hết) nhiễu của những người sử dụng khác trong cùng một tế bào và khôi phục tín hiệu của người đó. Trong kỹ thật này có nhiễu trong tế bào (intra-cell interference) và nhiễu giữa các tế bào (inter-cell interference). IV/ Đa truy cập theo phân chia tần số trực giao OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access)
4. OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là một kỹ thuật ghép kênh ra đời từ khá lâu, tương tự như kỹ thuật ghép kênh theo tần số FDM, một băng thông lớn sẽ được chia thành nhiều băng thông nhỏ hơn. Trong FDM giữa các băng thông nhỏ này phải có một khoảng tần số bảo vệ, điều này dẫn tới lãng phí băng thông vô ích do các dải bảo vệ này hoàn toàn không chứa đựng tin tức. OFDM ra đời đã giải quyết vấn đề này, bằng cách sử dụng tập tần số trực giao các băng thông nhỏ này có thể chồng lấn lên nhau, do đó không cần dải bảo vệ, nên sử dụng hiệu quả và tiết kiệm băng thông hơn hẳn FDM. Nhờ ghép kênh theo tần số trực giao và sử dụng khoảng bảo vệ thích hợp OFDM có khả năng truyền thông tốc độ cao, sử dụng băng thông hiệu quả, chống được nhiễu liên sóng mang ICI và chống được fading chọn lọc tần số, chống lại nhiễu ISI và có khả năng cân bằng tín hiệu hiệu quả bằng các bộ Equalizer đơn giản. Trong OFDMA, các user sẽ được phân bổ dữ liệu truyền đi trên các sóng mang phụ của kỹ thuật OFDM. V/ Đa truy cập phân chia theo không gian SDMA (Space Division Multiple Access) Kỹ thuật đa truy cập này khác hẳn với 4 kỹ thuật trên. Đó là, tất cả mọi người sử dụng trong cùng một cell đều có thể truyền/nhận tín hiệu một lúc, trên cùng một băng thông và không sử dụng mã như trong CDMA. Như vậy tín hiệu do mọi người sử dụng trong cell và ngoài cell sẽ bị chồng lên nhau (cộng vào nhau). Khử nhiễu do nhiều người sử dụng trong SDMA là một vấn đề vô cùng phức tạp. Phía BS yêu cầu phải có một dãy các ăng-ten lớn (antenna array) để có thể khử nhiễu. Việc khử nhiễu ở phía BS có thể được thực hiện bằng một số kỹ thuật như (a) ước lượng hướng đến của tín hiệu (direction of arrival - DOA) của mỗi người sử dụng để tách tín hiệu của mỗi người sử dụng ra khỏi tín hiệu thu được và (b) dựa vào kỹ thuật khử nhiễu kết hợp với lọc (chẳng hạn khử nhiễu mềm kết hợp với bộ lọc MMSE). Trong kỹ thuật đa truy cập này, BS có sử dụng kỹ thuật beamforming để phát tín hiệu trực tiếp đến người sử dụng. (+) Kết hợp các kỹ thuật trên đây ta có thể có các hệ thống khác nhau như: TD-CDMA, FD- CDMA, SD-CDMA 3 Kỹ thuật đầu đang được áp dụng rộng rãi trong truyền thông, kỹ thuật thứ 4 còn khá mới và
5. đang đươc nghiên cứu khá mạnh, kỹ thuật thứ 5 tui không rõ lắm :-p Reference: Nguyễn Văn Tèo, Box "Wireless Communication", TTVNOL Kỹ thuật Trải Phổ và An Ninh Trong Truyền Thông Vô Tuyến (Spread SpectrumTechniques and Security Issue in Wireless Communications) Vấn đề truyền một thông điệp từ điểm A đến điểm B qua môi trường vô tuyến cực kỳ nguy hiểm bởi trên đường truyền, người ta có thể thu tín hiệu và giải điều chế rồi từ đó biết được thông điệp đang được truyền đi. Vấn đề này đối với các ứng dụng dân dụng thì không có vấn đề gì to tát lắm (Cùng lắm là hai cô cậu đang yêu nhau nói tục về chuyện ''tối hôm qua'' bị người ta giải mã ra là cùng nhưng cũng có sao đâu). Tuy nhiên, trong Quân Sự thì vấn đề này lại trở nên vô cùng quan trọng. Do đó, kỹ thuật trải phổ đã được áp dụng để tăng tính bảo mật của thông tin truyền trong môi trường vô tuyến. Kỹ thuật này lúc đầu được áp dụng trong quân sự nhưng sau đó đã được đưa vào các ứng dụng dân sự, CDMA là một ví dụ về kỹ thuật trải phổ. Kỹ thuật trải phổ về cơ bản là sử dụng một mã đặc biết để trải phổ của tín hiệu trong một băng thông hẹp (thậm trí rất hẹp) ra một băng thông cực rộng làm cho tín hiệu truyền đi rất giống với nhiễu trắng có trong tự nhiên. Chính vì vậy, nếu như trên đường truyền, kẻ thù (trong quân sự) có thu được tín hiệu của ta nhưng không biết cái mã đặc biệt kia để thu hẹp phổ của tín hiệu lại thì họ không thể hiểu được nội dung thông tin đang được truyền đi là gì vì tín hiệu sau khi được trải rộng phổ ra rất giống với nhiễu trắng trong tự nhiên. Mã trải phổ càng dài thì càng khó có thể dò ra phía phát đã dùng mã gì để trải phổvà do đó tính bảo mật của thông tin được truyền càng cao. Tuy nhiên, dùng mã càng dài thì càng cần một băng thông rộng. Ví dụ: Độ rộng dải phổ của tín hiệu hữu dụng là W Hz, nếu ta dùng một mã trải phổ với độ dài K thì tín hiệu sau khi được trải phổ sẽ có độ rộng dải phổ là KW Hz, tức rộng gấp K lần phổ của tín hiệu trước khi trải phổ. Nếu K rất lớn thì phổ của tín hiệu được truyền đi (sau khi trải phổ) sẽ gần như phẳng giống như phổ của nhiễu trắng vậy. Mục đích ban đầu của kỹ thuật trải phổ để giải quyết vấn đề an ninh. CDMA được thừa hưởng cái đặc tính này của trải phổ nên nó đúng là có độ bí mật cao hơn các kỹ thuật trước đó như TDMA, FDMA. Tuy nhiên, trong các hệ thống CDMA hiện hành, độ dài của mã chưa cao nên khả năng an ninh cũng chưa phải là cao. Thậm trí người ta còn sử dụng những mã mà mọi người đều biết như mã vàng (Gold Code). CDMA về cơ bản có thể dò ra mã được. Vấn đề mấu chốt trong việc dùng mã trong CDMA là vì mục đích khử nhiễu do nhiều người sử dụng (Multi-User Interference - MUI). Các mã được sử dụng trong CDMA được thiết kế sao cho chúng có tính chất tương quan tốt (Good Correlation Properties) tức là hệ số tự tương quan cao, hệ số tương quan chéo giữa các mã rất thấp, và các mã này phải đảm bảo giữ được tính chất tương quan ngay cả khi sự đồng bộ giữa những người sử dụng trong cell bị mất (không đồng bộ - Asynchronous CDMA - Cái này thông thường xảy ra trong trường hợp truyền thông tin từ điện thoại di đống đến Base Station). Về tốc độ, ngay cả đến thế hệ thứ 3, hiện nay VN chưa có, theo hiểu biết của tôi, ở môi trường trong nhà (indoor) độ tối đa là 2 Mbps, ở môi trường di động chậm (chẳng hạn đi bộ) tốc độ truyền đối đa là 384 Kbps, đối với môi trường di động nhanh (chẳng hạn dùng điện thoai di động trong khi đi xe ôtô) thì tốc độ tối đa là 144 Kbps. Các vấn đề cơ bản về Bộ đệm Web (Web Caching) Hầu hết những người duyệt Web hiện nay đều đang sử dụng có chủ ý hoặc vô thức các bộ đệm Web. Các bộ đệm Web này giúp giảm độ trễ trao đổi thông tin giữa máy khách và máy chủ Web, giảm tải cho hệ thống máy chủ và giảm lưu lượng thông tin trên mạng. Các hướng dẫn dưới đây về bộ đệm Web được lược dịch từ tài liệu “Caching Tutorial” của tác giả Mark
6. Nottingham tại địa chỉ www.mnot.net/cache_docs/. Tài liệu này không nhằm đưa ra chỉ dẫn sử dụng bộ đệm cho người dùng cuối mà cung cấp thông tin sâu về hoạt động của bộ đệm Web và phương thức mà các nhà thiết kế và quản trị Web có thể áp dụng để tận dụng tối đa những ưu điểm của hệ thống này. Bộ đệm Web là gì? Bộ đệm Web (Web cache) nằm ở vị trí giữa các máy chủ Web và máy khách, có nhiệm vụ theo dõi các luồng thông tin đi vào và lưu trữ lại một bản sao của các dữ liệu đó. Các dữ liệu ở đây có thể là trang HTML, các bức ảnh hoặc tập tin, Sau đó, khi có yêu cầu tới cùng địa chỉ URL, bộ đệm Web sẽ gửi lại các dữ liệu mà nó đã lưu thay vì gửi yêu cầu tới máy chủ Web một lần nữa. Có 2 lý do chính để sử dụng bộ đệm Web: Giảm độ trễ: do các yêu cầu có thể được đáp ứng ngay từ bộ đệm thay vì được gửi tới máy chủ, thời gian để lấy và hiển thị các nội dung thông tin sẽ được rút ngắn đáng kể, từ đó sẽ làm cho Web có khả năng đáp ứng nhanh hơn. Giảm lưu lượng mạng: do các thông tin được sử dụng lại, lượng băng thông máy khách sử dụng sẽ giảm đi. Điều này sẽ giúp khách hàng tiết kiệm chi phí khi sử dụng cách tính cước theo lưu lượng, đồng thời cũng giúp giảm đòi hỏi về mức băng thông. Hệ thống không dây Các hệ thống thông tin không dây có thể được phân loại thành 4 hệ thống cơ bản là SISO, SIMO, MISO và MIMO Hệ thống SISO Hệ thống SISO là hệ thống thông tin không dây truyền thống chỉ sử dụng một anten phát và
7. một anten thu. Máy phát và máy thu chỉ có một bộ cao tần và một bộ điều chế/giải điều chế. Hệ thống SISO thường được dùng trong phát thanh và phát hình, và các kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến cá nhân như Wifi hay Bluetooth. Dung lượng hệ thống phụ thuộc vào tỷ số tín hiệu trên nhiễu được xác định bởi công thức Shanon C=log2 (1+SNR) bit/s/Hz Hệ thống SIMO Nhằm cải thiện chất lượng hệ thống, một phía sử dụng một anten, phía còn lại sử dụng đa anten. Hệ thống sử dụng một anten phát và nhiều anten thu được gọi là hệ thống SIMO. Trong hệ thống này máy thu có thể lựa chọn hoặc kết hợp tín hiệu từ các anten thu nhằm tối đa tỷ số tín hiệu trên nhiễu thông qua các giải thuật beamforming hoặc MMRC (Maximal- Ratio Receive Combining). Khi máy thu biết thông tin kênh truyền, dung lượng hệ thống tăng theo hàm logarit của số anten thu, có thể xấp xỉ theo biểu thức sau C=log2 (1+N.SNR) bit/s/Hz Hệ thống MISO Hệ thống sử dụng nhiều anten phát và một anten thu được gọi là hệ thống MISO. Hệ thống này có thể cung cấp phân tập phát thông qua kỹ thuật Alamouti từ đó cải thiện chất lượng tín hiệu hoặc sử dụng Beamforming để tăng hiệu suất phát và vùng bao phủ. Khi máy phát biết được thông tin kênh truyền, dung lượng hệ thống tăng theo hàm Log của số anten phát và có thể được xác định gần đúng theo biểu thức sau C=log2 (1+N.SNR) bit/s/Hz Hệ thống MIMO Hệ thống MIMO là hệ thống sử dụng đa anten tại cả nơi phát và nơi thu. Hệ thống có thể cung cấp phân tập phát nhờ vào đa anten phát, cung cấp phân tập thu nhờ vào đa anten thu nhằm tăng chất lượng hệ thống hoặc thực hiện Beamforming tại nơi phát và nơi thu để tăng hiệu suất sử dụng công suất, triệt can nhiễu. Ngoài ra dung lượng hệ thống có thể được cải thiện đáng kể nhờ vào độ lợi ghép kênh cung cấp bởi kỹ mã hoá thuật không gian-thời gian như V-BLAST. Khi thông tin kênh truyền được biết tại cả nơi phát và thu, hệ thống có thể cung cấp độ phân tập cực đại và độ lợi ghép kênh cực đại, dung lượng hệ thống trong trường hợp đạt được phân tập cực đại có thể xác định theo biểu thức sau C= log2 (1+NT.NR.SNR) bit/s/Hz Dung lượng hệ thống trong trường hợp đạt được độ lợi ghép kênh cực đại có thể xác định theo biểu thức sau C=min(NT,NR).log2(1+SNR) bit/s/Hz Chú thích: log2 (X) là log cơ số 2 của X. Reference Ta-Sung Lee, Department of Communication Engineering National Chiao Tung University, bài giảng “MIMO Techniques for Wireless Communications”, 2006 ANTEN THÔNG MINH (SMART ANTENNAS) Một anten thông minh (Smart Antennas) bao gồm nhiều phần tử anten. Tín hiệu đến các phần tử này được tính toán và xử lý giúp anten xác định được hướng của nguồn tín hiệu, tập
8. trung bức xạ theo hướng mong muốn và tự điều chỉnh theo sự thay đổi của môi trường tín hiệu. Công việc tính toán này đòi hỏi thực hiện theo thời gian thực (realtime) để Anten thông minh có thể bám theo nguồn tín hiệu khi nó chuyển động. Vì vậy, Anten thông minh còn được gọi bằng một tên khác là “Anten thích nghi” (Adaptive Antennas). Với tính chất như vậy, Anten thông minh có khả năng giảm thiểu ảnh hưởng của hiện tượng đa đường và can nhiễu. Theo hình 1.1, ta có thể nhận thấy sự khác biệt giữa vùng bức xạ của hệ thống anten thường và của anten thông minh. Anten thông minh có những búp sóng (beam) hẹp hơn và có tính định hướng cao hơn so với anten thường. Hình 1.1: Vùng bức xạ của Anten thường và Anten thông minh Vì sao Anten thông minh có thể đạt được tính “thông minh” như vậy? Thực ra, trong hệ thống Anten thông minh, bản thân các phần tử Anten không thông minh, mà sự thông minh được tạo ra do quá trình xử lý số tín hiệu các tín hiệu đến các phần tử Anten. Quá trình kết hợp tín hiệu và sau đó tập trung bức xạ theo một hướng đặc biệt được gọi là Beamforming. Hãy xem hình 1.2, đó là Sơ đồ tổng quát của Anten thông minh, ta thấy: Tín hiệu đến các phần tử Anten, sau đó được nhân với một bộ trọng số rồi tổng lại để được tín hiệu ngõ ra. Chính bộ trọng số này giúp Anten có thể tập trung bức xạ theo hướng mong muốn. Bằng cách sử dụng các giải thuật thích nghi trong quá trình beamforming, bộ trọng số này luôn được cập nhật để Anten thông minh có thể bám theo user khi họ di chuyển. Biên độ của trọng số quyết định độ rộng búp sóng chính và Side lobe level Pha của bộ trọng số quyết định hướng của búp sóng chính. Hình 1.2: Sơ đồ tổng quát của Anten thông minh (RF Module bao gồm các bộ khuếch đại nhiễu thấp, bộ đổi tần và bộ lọc analog ) NHỮNG ƯU ĐIỂM CHỦ YẾU CỦA ANTEN THÔNG MINH: . Cải thiện chất lượng tín hiệu của các hệ thống truyền thông vô tuyến bằng cách triệt can nhiễu, loại bỏ hiệu ứng đa đường và thu/ phát đúng hướng mong muốn. . Cải thiện dung lượng hệ thống do tăng khả năng sử dụng lại tần số trong cùng một cell. . Công suất phát thấp cho phép thời gian sử dụng năng lượng lâu hơn, và do đó có thể giảm kích thước và khối lượng của các thiết bị đầu cuối. Hơn nữa, việc phát công suất thấp sẽ làm giảm ảnh hưởng đến các kênh kế cận. . Anten thông minh thích hợp với hầu hết các hệ thống truyền thông vô tuyến hiện nay. Read more: