Bài giảng Truyền thông không dây - Bài 1: Tổng quan về truyền thông không dây (Overview of Wireless Systems ) - Đặng Lê Khoa

Nội dung text: Bài giảng Truyền thông không dây - Bài 1: Tổng quan về truyền thông không dây (Overview of Wireless Systems ) - Đặng Lê Khoa

1. BÀI 1: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY (Overview of Wireless Systems ) Đặng Lê Khoa Email:danglekhoa@yahoo.com dlkhoa@fetel.hcmuns.edu.vn Facuty of Electronics & Telecommunications 1
2. Nội 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 2
3. 1. Tổng quan về mạng không dây Facuty of Electronics & Telecommunications 3
4. 1. Tổng quan về mạng không dây Lịch sử Wireless •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 4
5. 1. Tổng quan về mạng không dây Các mạng không dây của tương lai Thông tin có mặt ở khắp nơi giữa người và thiết bị Truy 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 Facuty of Electronics & Telecommunications 5
6. 1. Tổng quan về mạng không dây Các thử thách khi thiết kế •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 6
7. 1. Tổng quan về mạng không dây Sự phát triển của các hệ thống hiện tại •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 7
8. 1. Tổng quan về mạng không dây Thế hệ tương lai Các vấn đề khác: Rate Rate vs. Coverage 4G Rate vs. Delay Rate vs. Cost 802.11b WLAN 3G Rate vs. Energy 2G 2G Cellular Mobility Facuty of Electronics & Telecommunications 8
9. 1. Tổng quan về mạng không dây Các yêu cầu cho truyền thông đa phương tiện Voice Data Video Delay <100ms - <100ms Packet Loss <1% 0 <1% BER 10-3 10-6 10-6 Data Rate 8-32 Kbps 1-100 Mbps 1-20 Mbps Traffic Continuous Bursty Continuous Tất cả các yêu cầu trên phải thỏa Facuty of Electronics & Telecommunications 9
10. 1. Tổng quan về mạng không dây Các hệ thống hiện tại • Cellular Systems • Wireless LANs •WIMAX • Satellite Systems •Bluetooth • Ultrawideband radios • Zigbee radios Facuty of Electronics & Telecommunications 10
11. 1. Tổng quan về mạng không dây Hệ thống truyền thông không dây tế bào Base Station (BS) UE UE UE User Equipment (UE) Facuty of Electronics & Telecommunications 11
12. 1. Tổng quan về mạng không dây Wireless Local Area Networks (WLANs) 01011011 0101 1011 Internet Access Point •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 sốứng dụng (vd: video) Facuty of Electronics & Telecommunications 12
13. 1. Tổng quan về mạng không dây 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 13 Facuty of Electronics & Telecommunications
14. 1. Tổng quan về mạng không dây 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 14 Facuty of Electronics & Telecommunications
15. 1. Tổng quan về mạng không dây 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 15 Facuty of Electronics & Telecommunications 8C32810.61-Cimini-7/98
16. 1. Tổng quan về mạng không dây 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 16 Facuty of Electronics & Telecommunications
17. 1. Tổng quan về mạng không dây Thiết bị mạng thế hệ sau Mọi thứ không dây trên cùng 1 thiết bị 17 Facuty of Electronics & Telecommunications
18. 1. Tổng quan về mạng không dây Thử thách khi tích hợp nhiều thiết bị BT • Can nhiễu RF FM/XM •Nơi đặt các antenna GPS Cellular •Kích thước DVB-H •Năng lượng tiêu thụ Apps WLAN Processor Media Wimax Processor Facuty of Electronics & Telecommunications 18
19. 2. Giới thiệu hệ thống DCS Facuty of Electronics & Telecommunications 19
20. 2. Giới thiệuhệ thống DCS Tín hiệu analog và Digital 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 2. Tín hiệu Digital: hàm rời rạc ->> biểu diễn bằng các xung (ON hoặc OFF) –> 2 trạng thái Facuty of Electronics & Telecommunications 20
21. 2. Giới thiệuhệ thống DCS Tại sao phải truyền thông số? Các lợi ích của truyền thông số: - Khôi phục ở đầu thu Original Regenerated pulse pulse Propagation distance -Các loại tín hiệu khác nhau được xử lý tương tự nhau Voice Data A bit is a bit! Media Facuty of Electronics & Telecommunications 21
22. 2. Giới thiệuhệ thống DCS Tại sao phải truyền thông số? 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 Facuty of Electronics & Telecommunications 22
23. 2. Giới thiệuhệ thống DCS Cấu trúc chung của DCS Noise Transmitted Received Received Info. signal signal info. SOSourceURCE Transmitter Channel Receiver User Transmitter Source Channel Formatter Modulator RF encoder encoder Receiver Source Channel Formatter Demodulator Equalization RF decoder decoder Facuty of Electronics & Telecommunications 23
24. 2. Giới thiệuhệ thống DCS RF (Transmitter) Up-Converter Mixer PA Band Pass Power Local Filter Amplifier Band Oscillator Pass Filter Facuty of Electronics & Telecommunications 24
25. 2. Giới thiệuhệ thống DCS RF (Receiver) Down-Converter LNA Low Noise Amplifier Band Pass Local Filter Mixer Oscillator Facuty of Electronics & Telecommunications 25
26. 3. Một số khái niệm Facuty of Electronics & Telecommunications 26
27. 3. Một số khái niệm 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 Facuty of Electronics & Telecommunications 27
28. 3. Một số khái niệm Phân loại tín hiệu (tt) • Các tín hiệu tuần hoàn và không tuần hoàn A periodic signal A non-periodic signal •Tín hiệu tương tự và rời rạc A discrete signal Analog signals Facuty of Electronics & Telecommunications 28
29. 3. Một số khái niệm Phân loại tín hiệu (tt) 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 –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: Facuty of Electronics & Telecommunications 29
30. 3. Một số khái niệm 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 Facuty of Electronics & Telecommunications 30
31. 3. Một số khái niệm 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): Facuty of Electronics & Telecommunications 31
32. 3. Một số khái niệm 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] Power spectral density Autocorrelation function Probability density function Facuty of Electronics & Telecommunications 32
33. 3. Một số khái niệm 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 Facuty of Electronics & Telecommunications 33
34. 3. Một số khái niệm Quan hệ giữa SNR với Eb/No và Es/No • Khi có mã hóa kênh tốc độ code r (r 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] Facuty of Electronics & Telecommunications 34
35. 3. Một số khái niệm Truyền tín hiệu trên hệ thống tuyến tín Input Output Linear system 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 Facuty of Electronics & Telecommunications 35
36. Bài tập Câu 1: Nêu các mạng truyền thông không dây hiệntại Câu 2: Xu hướng mạng tương lai và các thách thứctrong phát triểnmạng không dây Câu 3: Các lợi ích trong truyền thông số Câu 4: Giải thích các khối trong hệ thống DCS Câu 5: Ý nghĩacủa phép tự tương quan Câu 6: Biếthệ thống không mã hóa kênh và có 8 bit/symbol bị nhiễutrắng có SNR = 10dB. Tìmσ ? Facuty of Electronics & Telecommunications 36